CN102607808A - 外腔式He-Ne激光器的纵模测量系统 - Google Patents

Abstract

一种外腔式He-Ne激光器的纵模测量系统，包括谐振腔长度可自动调节的外腔式He-Ne激光器、共焦球面扫描干涉仪和计算机数据处理模块，外腔式He-Ne激光器包括He-Ne毛细放电管、平面镜、猫眼逆向反射器和电动滑轨，平面镜固定放置于电动滑轨左端，He-Ne毛细放电管固定放置于平面镜右端，猫眼逆向反射器固定于电动动滑轨的滑片上，而滑片位于毛细管右端，滑片可滑动地安装在电动滑轨上；平面镜的激光出射方向前端安装共焦球面扫描干涉仪，共焦球面扫描干涉仪的电信号数据接口与数据采集卡连接，数据采集卡与计算机数据处理模块。本发明简化操作、可靠性良好，提升直观性。

Description

外腔式He-Ne激光器的纵模测量系统

技术领域

本发明涉及一种激光器的纵模测量系统。

背景技术

激光因具有各种良好的光学特性已得到广泛的应用，于是，通过物理实验让学生比较深入了解和掌握激光特性显得十分必要。但内腔式He-Ne激光器在出厂时就已经封装结束，人们无法了解激光器的内部结构，更无法调节激光器的谐振腔而观察横模、纵模的变化。无疑，外腔式He-Ne激光器是进行光学实验教学的最佳设备。

激光各种特性中数模式理论最为难懂，激光原理所述的模式一般是通过复杂的数学推导得出，抽象、不易理解，必须借助实验环节，通过对激光器内部各组件的调节分析，才能深刻理解激光模式的概念。激光模式包括横模和纵模。激光横模就是指在谐振腔中存在的稳定的横向场分布，用一个屏去接收激光器输出的光束时，可以直接用肉眼观察横向场的光强分布情况。激光横模在理论上容易理解而且其很容易获得并观察。激光纵模是指光学谐振腔内形成轴向稳定的驻波场，每一列驻波称为一个横模，不同的驻波具有不同的频率。

光在谐振腔内能持续振荡的条件是：2nl＝mλ，其中n为腔内介质的折射率(外腔式He-Ne激光器n＝1)，l是谐振腔的长度，m为正整数，λ为波长。凡满足该振荡条件的波长都叫做激光器的一个纵模。相邻的两纵模之间的波长差称为激光器的纵模间隔Δλ＝λ²/(2nl)，对于He-Ne激光器，氖原子的自发辐射中心波长为632.8nm，于是我们可以得到He-Ne激光器的纵模间隔最大也要10^-3nm量级，这就导致观察、测量He-Ne激光器的纵模间隔比较困难。

现有的测量外腔式He-Ne激光器的纵模的实验系统由外腔式He-Ne激光器、共焦球面扫描干涉仪、示波器等三部分组成，参见附图1。外腔式He-Ne激光器主要由He-Ne毛细放电管、全反镜、出射镜组成。实验时需要手动调节出射镜与毛细放电管的相对位置，即调节谐振腔的长度来调节纵模的数目。共焦扫描干涉仪是分辨率很高的光谱仪，主要由两片曲率半径相等的反射镜、一个压电陶瓷、一台锯齿波驱动器组成，参见附图2。两片反射镜相对放置，间距L等于反射镜的半径R，于是构成了共焦腔。两块反射镜中一块固定不动，另一块固定在压电陶瓷上，压电陶瓷的长度变化和所加电压成正比。当锯齿波电压线性调制压电陶瓷时，扫描干涉仪的腔长将会在L附近发生波长级的微小变化。当腔长满足波长最大透过率时，该波长将直接通过干涉仪，而腔长在发生波长级变化，于是入射激光束中的各个激光纵模将依次通过干涉仪，这些透射光光电转换器将光信号转化为电信号，将该信号放大送到示波器输入端，我们可以在示波器上看到激光器横模的频谱，其横坐标为干涉仪的频率变化。然而这种实验系统具有较大的缺点，由于其外腔式He-Ne激光器谐振腔是由平凹镜组成，其稳定性较差，再加上谐振腔长度的调节需要手动调节出射镜与毛细放电管的相对位置，而这个过程中又有可能破坏激光的增益导致无法出光，所以整个过程非常繁琐而且浪费大量时间，还有可能无法调出激光以致实验无法进行。该系统的另一个缺点是在示波器上可以显示出激光模式的频谱，但是不能直接从图中读出各个纵模之间的频率值及频率差值需要通过共焦扫描仪的自由光谱来计算，这无疑降低了实验的直观性。

发明内容

为了克服已有激光器纵模测量系统的操作繁琐、可靠性较差、直观性较低的不足，本发明提供一种简化操作、可靠性良好，提升直观性的外腔式He-Ne激光器的纵模测量系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种外腔式He-Ne激光器的纵模测量系统，包括谐振腔长度可自动调节的外腔式He-Ne激光器、共焦球面扫描干涉仪和计算机数据处理模块，所述外腔式He-Ne激光器包括He-Ne毛细放电管、一个平面镜、一个猫眼逆向反射器和电动滑轨，所述平面镜固定放置于电动滑轨左端，所述He-Ne毛细放电管固定放置于平面镜右端，所述猫眼逆向反射器固定于电动动滑轨的滑片上，而滑片位于毛细管右端，所述滑片可滑动地安装在电动滑轨上；所述平面镜的激光出射方向前端安装所述共焦球面扫描干涉仪，所述共焦球面扫描干涉仪的电信号数据接口与数据采集卡连接，所述数据采集卡与所述计算机数据处理模块。

进一步，所述共焦球面扫描干涉仪包括两片曲率半径相等的反射镜、一个压电陶瓷和一台锯齿波驱动器，两片反射镜相对放置构成共焦腔，两片反射镜的间距L等于反射镜的半径R，两块反射镜中一块固定不动，另一块固定在压电陶瓷上，所述压电陶瓷与所述锯齿波驱动器连接。

再进一步，所述滑片套装在丝杠上，所述丝杆与所述步进电机的输出轴连接，所述步进电机与计算机数据处理模块连接。当然，也可以采用其他步进控制方式。

本发明的有益效果主要表现在：1、提供了一个谐振腔长度可自动调节的He-Ne激光器，该激光器易调节、高稳定、谐振腔长度也即纵模可自动调节。2、引进了计算机数据处理模块，该模块包括数据处理和系统控制两大部分。该模块使外腔式He-Ne激光器纵模的测量走向智能化、高效化、直观化。3、激光器谐振腔的可自动调节可以使我们观察到纵模频谱的动态变化。

附图说明

图1是传统外腔式He-Ne激光器的纵模的实验系统。

图2是共焦扫描干涉仪结构图。

图3是新型外腔式He-Ne激光器纵模测量系统。

图4是谐振腔长度可自动调节的外腔式He-Ne激光器。

图5是直接输入到计算机的激光模谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种外腔式He-Ne激光器的纵模测量系统，主要由谐振腔长度可自动调节的外腔式He-Ne激光器、共焦扫描干涉仪、计算机数据处理模块组成，是一种可自动调节谐振腔长度、智能计算纵模数目、各纵模频率及频率差值的实验系统，见附图3所示。

谐振腔长度可自动调节的外腔式He-Ne激光器主要由He-Ne毛细放电管、一个平面镜(即输出镜)、一个猫眼逆向反射器、电动滑轨、计算机数据处理模块组成，其结构如附图4所示。所述平面镜固定放置于自动滑轨左端，所述He-Ne毛细放电管固定放置于平面镜右端，所述猫眼逆向反射器固定于自动滑轨的滑片上，而滑片位于毛细管右端。所述计算机数据处理模块控制着自动滑轨滑片的位置、移动速率。

所述共焦扫描干涉仪主要由两片曲率半径相等的反射镜、一个压电陶瓷、一台锯齿波驱动器组成，参见附图2。两片反射镜相对放置，间距L等于反射镜的半径R，于是构成了共焦腔。两块反射镜中一块固定不动，另一块固定在压电陶瓷上，压电陶瓷的长度变化和所加电压成正比。当锯齿波电压线性调制压电陶瓷时，扫描干涉仪的腔长将会在L附近发生波长级的微小变化。

所述计算机数据处理模块主要由激光纵模智能识别(数据处理)及激光器谐振腔自动调节(系统控制)两大功能性模块组成。

如图3所示为外腔式He-Ne激光器纵模测量系统，其主要由谐振腔长度可自动调节的外腔式He-Ne激光器、共焦球面扫描干涉仪、计算机数据处理模块等三部分组成。外腔式He-Ne激光器平面镜所发出的光首先经过共焦扫描干涉仪，由于共焦球面扫描干涉仪是一个精度极高的光谱仪，所以激光的各纵模会依次通过共焦腔，在共焦腔后面有一光电转化器即PIN管，它会将通过共焦腔的各纵模依次由光信号转换为电信号，这些电信号经过数据采集卡采集，再将它们输入到计算机中，而计算机中有个用LabView编写的一个界面，它可以智能地显示激光的纵模数目、各纵模频率、各纵模间隔。另一方面，计算机中有个控制谐振腔长度可自动调节的外腔式He-Ne激光器的界面，它主要通过控制谐振腔长度及滑片移动速度来达到控制外腔式He-Ne激光器输出光的纵模这一目的。

如图4所示为谐振腔长度可自动调节的外腔式He-Ne激光器，它主要由He-Ne毛细放电管、一个平面镜(即输出镜)、一个猫眼逆向反射器、电动滑轨、计算机数据处理模块组成。传统的外腔式He-Ne激光器由He-Ne毛细放电管、一个平面镜(即输出镜)、一个凹面镜组成，由于其谐振腔准直条件苛刻，造成调光困难、稳定条件差等缺点。而猫眼逆向反射器由于具有良好的逆向平行反射性，即一束平行光正入射到猫眼逆向反射器时会沿同方向出射，而一束平行光以较小角度斜入射到猫眼逆向反射器是，它仍然会沿原方向射出。这就使具备猫眼逆向反射器的外腔式He-Ne激光器具有调光容易、稳定性好等特点。猫眼逆向反射器由镀双面增透膜的凸透镜和镀全反膜的凹面镜组成，并且保证凸透镜焦距、凹面镜曲率半径和凸透镜与凹面镜的间距三者相等。本发明创造性地提出将He-Ne毛细放电管、平面镜(即输出镜)、猫眼逆向反射器放置在电动滑轨上，而且将猫眼逆向反射器放置在电动滑轨的滑片上以达到实现外腔式He-Ne激光器的谐振腔长度可自动调节这一目的。滑片连接着丝杆，而丝杆的转动由步进电机所控制，步进电机的转向及转速由计算机数据处理模块控制。通过编程，只需在计算机的控制界面中输入谐振腔长度的一个具体数值就可以实现外腔式He-Ne激光器的谐振腔的实际长度与该数值相符。滑片的移动过程中不可避免的会产生震动及猫眼逆向反射器的倾斜，但由于猫眼逆向反射器具有良好的逆向平行反射性，因此无论猫眼逆向反射器处于哪个位置、以何速度的移动，外腔式He-Ne激光器始终处于工作状态即始终有激光出射。

由激光器发出的光将输入到共焦球面扫描干涉仪中以检测该激光束的模式特征。如图2所示，共焦球面扫描干涉仪是由两片曲率半径相等的反射镜、一个压电陶瓷、一台锯齿波驱动器组成。两片反射镜相对放置，间距L等于反射镜的半径R，于是构成了共焦腔。两块反射镜中一块固定不动，另一块固定在压电陶瓷上，压电陶瓷的长度变化和所加电压成正比。当锯齿波电压线性调制压电陶瓷时，扫描干涉仪的腔长将会在L附近发生波长级的微小变化。当莫某一波长为λ的光束近轴入射到干涉仪时，可以证明光线在共焦腔内经4次反射恰好闭合，该光线与起始光线的光程差为4nL，其中n为共焦腔内德介质折射率，而当光程差满足4nL＝mλ时，该波长的光具有最大透过率，于是改变腔长就可实现了对光谱的扫描。

经共焦球面扫描干涉仪扫描得到的激光束由光电二极管即PIN管转化为电信号，该光谱电信号将由数据采集卡采集，再将其输入到计算机中进行处理。如图5所示，其为直接输入到计算机的激光模谱图，从图中我们可以看出纵模数目，但我们无法知道各个脉冲所代表的频率值及各个模式之间的频率差。进一步，我们通过LabView编程可以直接从图中可以读出谐振腔长度、纵模数目、各纵模的具体波长、以及各模式所占据的相对能量。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种外腔式He-Ne激光器的纵模测量系统，其特征在于：所述纵模测量系统包括谐振腔长度可自动调节的外腔式He-Ne激光器、共焦球面扫描干涉仪和计算机数据处理模块，所述外腔式He-Ne激光器包括He-Ne毛细放电管、一个平面镜、一个猫眼逆向反射器和电动滑轨，所述平面镜固定放置于电动滑轨左端，所述He-Ne毛细放电管固定放置于平面镜右端，所述猫眼逆向反射器固定于电动动滑轨的滑片上，而滑片位于毛细管右端，所述滑片可滑动地安装在电动滑轨上；所述平面镜的激光出射方向前端安装所述共焦球面扫描干涉仪，所述共焦球面扫描干涉仪的电信号数据接口与数据采集卡连接，所述数据采集卡与所述计算机数据处理模块。

2.如权利要求1所述的外腔式He-Ne激光器的纵模测量系统，其特征在于：所述共焦球面扫描干涉仪包括两片曲率半径相等的反射镜、一个压电陶瓷和一台锯齿波驱动器，两片反射镜相对放置构成共焦腔，两片反射镜的间距L等于反射镜的半径R，两块反射镜中一块固定不动，另一块固定在压电陶瓷上，所述压电陶瓷与所述锯齿波驱动器连接。

3.如权利要求1或2所述的外腔式He-Ne激光器的纵模测量系统，其特征在于：所述滑片套装在丝杠上，所述丝杆与所述步进电机的输出轴连接，所述步进电机与计算机数据处理模块连接。

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