激光增益的测量

激光增益的测量
一、 实验目的
1． 掌握用腔内损耗法测量激光参数的原理和方法。

2． 根据自动测试系统测得的曲线，取适当的数据，编写程序，利用计算机进行计算。

3． 通过对激光器增仪等参数的测量，对激光器的工作过程有进一步的了解。

二、 实验原理
在激光器中，小信号增益系数g 0、饱和光强I s 、腔内损耗α和最佳输出率T opt 等是决定激光器工作特性的重要参数，它们均可由实验测得，而这些参数的测量均与增益系数的测量有关。

由增益系数的定义：12ln 1
I I l G = （1） 我们可以方便的利用一个激光器和一个与激光器充同样工作物质的放大管直接测出I 1、I 2。

由放大管的长度计算出增益系数。

但对于本实验所要测量的He-Ne 激光管的增益系数，由于探测过程中，荧光光强的贡献不能忽略，造成很大的误差。

所以本试验采用的是腔内损耗法测量He-Ne 激光器的增益。

因而可以消除这一误差因素，其测量装置的原理图如图1所示
图1
在两个全反射镜组成的外腔式He-Ne 激光器内，置一透明的平行平板作为反射器，该反射器与腔轴相交成某一角度，在满足振荡条件的情况下，反射器两边有一定功率的激光输出。

反射器单个表面对0.6328μm 的光的反射率R 是入射角ϕ的函数，由菲涅尔公式得
)]
/(sin sin [)]/(sin sin [)(1212n tg n tg R ϕϕϕϕϕ--+-= （2） 其中n 为平行材料对激光波长的折射率。

（本实验中所用平板玻璃对λ=0.6328μm 光的折射率为1.515）。

理论推导证明：在不考虑反射器本身的吸收和散射时，反射器的输出率（即来回一次在反射器表面反射的光强于入射光强之比）表示为：
2])
(1)(1[1)(ϕϕϕR R T +--= （3） 若将反射器绕与激光束相垂直，同时也与放电管布氏窗的发现相垂直的轴线旋转，入射角ϕ将连续地变化，因此，该反射器将起一个反射率可变的平面耦合输出镜的作用。

定义α为激光腔除输出率以外的光学损耗（往返一次），成为内损耗，L 为激活介质的长度，g 0为小信号增益系数，P out 为耦合输出功率，P 0s 为饱和功率，由于本实验管较长，使
纵模间隔小于碰撞增宽的宽度，因而其增益饱和遵循均匀综型激光器规律，故：
)12(0-+=T L g T P P s out α (4) 由此式可知，激光器有一最佳输出率T opt ，这时相应的有最大输出功率，由0/=∂∂T P ，得αα-=2/10)]2([L g T opt (5)
旋转反射器，增加输出率T ,从而增加谐振腔的总损耗（α+T ）,使激光刚好熄灭，这时满足：0)12(0=-+⋅g
s g T L g P T α T g 为阈值输出率，从而得到：g T L g +=α02 (6) 解(5)和(6)组成的方程组得：opt g opt g T T T T L g 2)(22
0--= （7）
所以要测得最佳输出率T opt ，再测得阈值输出率T g ,由式可得到激光器的增益，再由（6）式可计算得腔内损耗α。

由式（4）得：0)2(02=⋅+-
--s s P P T P P L g T αα (8) 得两根T 1,T 2。

则：s
o P P l g T T --=+α221 (9) s
P P T T α⋅=⋅21 (10) 由(9),(10)得：0)2()(02121=--++⋅αααL g T T T T (11) 由(10),（11）两个线性方程可以作出直线，（如图2）
图2
由21T T +对21T T ⋅所作直线的斜率可以确定腔内损耗α，再由P 对21T T ⋅所作直线的斜
率可以确定饱和功率s P ，则由2/26.1o s s P I πω= 可以求得饱和光强。

（式中o ω为腰粗）。

另外由式（9）可以计算出小信号增益系数o g 。

根据这一原理，在实验时对于每一个输出功率P,可在最佳透过率两侧找到所对应输出功率的两个输出率T1和T2，从而有作图计算可得到参量α， I s 和g 0。

图3为平行平板转动过程中，计算机采集记录的输出曲线。

P 为反射器两边反射功率之和，ϕ为入射角，B ϕ为布儒斯特角，其值为56.2°，opt ϕ为最佳输出率对应的入射角，g ϕ为阈值输出率对应的入射角。

图3
三、 实验步骤
1. 开启激光器电源开关，缓慢旋转可调变压器直至点燃激光管，约190~210伏左右。

激光器工作电流调节在13-14 mA （不可过大）。

预热30分钟左右。

2. 轻轻掀起激光器观察窗口盖至近90度位置。

观察激光器是否已经输出激光，如果在
分束片上未见到细约1 mm 的红色激光输出，请老师调整（学生不许擅自调整）。

确认有激光输出方可进入测试环节。

3. 在计算机显示器桌面上，找到“He-Ne 激光增益实验”文件夹”，找到“hene.exe ”
点击，进入“激光增益测量实验”系统。

4. 点击“初始化”按钮，步进电机开始带动平行平板玻璃片转动、扫描；该过程可以
从观察窗口中观察到。

5. 确认步进电机停止转动后，点击“增益曲线”按钮，可以从坐标图中观察到有波峰
的曲线图。

同时步进电机带动平行平板玻璃片转回最佳输出位置。

6. 点击“数据存储”按钮，可以把实验数据存储到自带的软盘或U 盘。

激光功率的单
位是毫瓦。

该数据可以用Origin 、Matlab 、Excell 等程序处理画出曲线。

7. 存储完毕后，点击“退出”按钮，退出实验程序。

通过观察窗可以看到，激光器仍
然有红色激光输出。

8. 将激光器电源的可调电压旋转到零位置，然后关闭电源开关。

四、实验报告内容
1． 简述实验原理。

2． 用分析软件画出实验曲线。

3． 编写一个程序，将g ϕ和opt ϕ值输入，直接得到小信号增益系数和腔内损耗等参数。

激光放电管腔长约1m 。

4． 在曲线的opt ϕ两端选择几组对应同一功率的不同ϕ值，编写计算程序，将这些值输
入计算机，直接得到P ～21T T ⋅和21T T +～21T T ⋅的关系，并计算出小信号增益系
数g 0、腔内损耗α和饱和光强I s 等参数。

5． 由He-Ne 激光器小信号增益系数的经验公式d g o /1034-⨯=（d 为放电管直径,约
2mm ），计算出小信号增益系数，并与实验所测的值对比，分析误差。