氦氖激光器和半导体激光器的光束质量分析

深圳大学实验报告课程名称：大学物理实验（三）

实验名称：氦氖激光器和半导体激光器的光束质量分析学院：物理科学与技术学院

组号: 17 指导教师：赵改清

报告人：学号：

实验地点: 科技楼B108 实验时间：2015.6.2

实验报告提交时间：2015.6.23

激光器光束质量

分析仪

计算机和分

析软件

用途

二、数据记录与处理

1

、光束质量分析：

氦氖激光器：

由图2和图3可以看出，氦氖激光器的光束横截面形状接近圆形，光强在中心处最大，并且只有

一个峰值，从中心到边缘逐渐减小。光束有比较好的对称性。由图4可得，测得 M 2因子为 M x 2

= 0.9579，M 2 = 0.8396，束腰宽度ω = 0.404mm ，ω = 0.376mm 。从测量的数据来看， M 2因子小于1，这已经

图2 光斑平面图

图4 束腰宽度曲线的拟合和 M 2因子

图3 激光强度3D 图

图5 两个互相垂直方向光强的高斯拟合

不能与基模高斯光束作对比了，

初步认为是激光不太稳定造成的，

但还可以和半导体激光器的结果做

对比。

另外，查阅资料可知，

在ω

λ足够小时， M 2因子是可以小于1的。可以看出，x 、y 两个方向的 M 2因子

和束腰宽度都相差不大，即光束的横截面对称性比较好。

半导体激光器：

图6 光斑平面图

图7 激光强度3D 图

图8 束腰宽度曲线的拟合和 M 2因子

图9 两个互相垂直方向光强的高斯拟合

由图

6

和图7可以看出，半导体激光器的横截面形状接近椭圆，有多个光强最大峰值，但最大峰

值不及氦氖激光器，边缘的光强最小。由图8可得，测得 M 2因子为 M x 2 = 1.6362，M y 2

= 1.1147，束腰宽度ωx = 2.662mm ，ωy = 1.706mm 。

与氦氖激光器的数据对比可知，半导体激光器输出激光的光强比氦氖激光器的小， M 2因子和束腰宽度都明显比氦氖激光器大，且x 、y 两方向的参数相差较大。因此，可初步认为，氦氖激光器的激光光束质量比半导体激光器的好。但是，通过以下几个光学实验，我们将会看到，在作为波动光学实验光源方面，两种激光器都有各自的优缺点。

2、几个光学实验：

（1）单缝衍射：

在缝宽为0.02mm 时，以半导体激光器和氦氖激光器作为光源做了单缝衍射实验。如图10和图11所示，以半导体激光器作为光源时，第0级条纹的光强最大值处出现了突变，光强突然变小；如图12，以氦氖激光器作为光源时，能得到比较理想的单缝衍射条纹。这可能与光束横截面的对称性有关，氦氖激光器的光束横截面对称性比较好，因此能得到较理想的单缝衍射条纹。

图10 半导体激光器的单缝衍射图样

图11 衍射图样第0级条纹的极大值处

图12 氦氖激光器的单缝衍射图样

（

2

）5

缝衍射：

对于5缝衍射实验的衍射条纹，各级主极大之间应该会有3条次极大条纹。从图14可以看到，半导体激光器的5缝衍射条纹中，各级主极大之间有3条次极大条纹；但对于氦氖激光器的5缝衍射条纹，如图16，各级主极大之间的次极大条纹显得很不稳定，次极大条纹数从0到2不等，没观察到有3条次极大条纹。

这种现象可能与光束横截面的光强分布有关，对于单缝衍射，光束照射在单缝上，由于激光光束中间光强大，边缘小的特点，缝长方向上的光强大小不等，但这只影响衍射条纹缝长方向上的光强。对于缝宽方向，由于单缝衍射只有一条缝，而且缝宽为0.02mm ，比两种激光器的束腰宽度都小得多，因此可认为缝宽方向上的光强大小相等，所以在缝宽方向分布的单缝衍射条纹比较理想。

但对于多缝衍射，由于所有缝的总宽度和总缝距已经比较大了，照射到各个缝上的光强大小会有明显变化。半导体激光器的激光束腰宽度氦氖激光器的大，且有多个光强最大峰值，因此照射到各缝的光光强变化不会太大。而氦氖激光器的激光只有一个光强最大峰值，激光束腰宽度小，因此照射到各缝的光光强变化比较大。所以半导体激光器的5缝衍射条纹更接近理想情况，氦氖激光器的5缝衍射条纹显得比较不稳定。

图13 半导体激光器的5缝衍射条纹

图15 氦氖激光器的5缝衍射条纹

图14 主极大之间的次极大条纹

图16 主极大之间的次极大条纹

（

3

）偏振实验：

对于偏振实验，由马吕斯定律可知光强 I α与两偏振片透振方向的夹角α的关系为 I α =I cos 2α 。由图17可知，半导体激光器光束的偏振比较符合马吕斯定律，而氦氖激光器各个周期的最大值都相差得比较大。这可能与氦氖激光器复杂的的偏振特性有关。

（4）光束的时间稳定性：

图17 氦氖激光器和半导体激光器的偏振实验

图18 半导体激光器的光束时间稳定性

图19 氦氖激光器的光束时间稳定性

图20 氦氖激光器的光束时间稳定性