ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. Э. БАУМАНА

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции
и ордена Трудового Красного Знамени.
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Н. Э. БАУМАНА
Факультет: Информатики и систем управления
Кафедра: Проектирование и технология производства электронной аппаратуры (ИУ4)
______________________________________________________________________________
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТОНОГО СПЕКТРА «КРАСНОГО»
He-Ne ЛАЗЕРА С ПОМОЩЬЮ СКАНИРУЮЩЕГО
ИНТЕРФЕРОМЕТРА
По курсу:
Оптические и лазерные приборы
Студент:
Кочетов А.С.
(фамилия, инициалы)
Руководитель:
Соколов А.Л.
(фамилия, инициалы)
Москва
2011
ИУ4-93
(индекс группы)
Цель работы
Исследовать частотный спектр «красного» He-Ne лазера с помощью сканирующего
интерферометра.
1 Теоретическая часть
Зеркала лазера не только обеспечивают существование положительной обратной
связи, но и работают как резонатор, поддерживая одни генерируемые лазером моды,
соответствующие стоячим волнам данного резонатора[21], и подавляя другие[16]. Если
на оптической длине L резонатора укладывается целое число полуволн n:
то такие волны, проходя по резонатору не меняют своей фазы и
вследствие интерференции усиливают друг друга. Все остальные, близко расположенные
волны, постепенно гасят друг друга. Таким образом спектрсобственных
частот оптического резонатора определяется соотношением:
здесь c — скорость света в вакууме. Интервалы между соседними частотами
резонатора одинаковы и равны:
Линии в спектре излучения в силу различных причин (доплеровское уширение,
внешние электрические имагнитное поля, квантовомеханическое эффекты и др.) всегда
имеют определённую ширину
. Поэтому могут возникать ситуации, когда на
ширину спектральной линии укладывается несколько собственных частот резонатора. В
этом случае излучение лазера будет многомодовым. Синхронизация этих мод позволяет
добиться того, чтобы излучение представляло собой последовательность коротких и
мощных импульсов. Если же
, то в излучении лазера будет присутствовать
только одна частота, в данном случае резонансные свойства системы зеркал слабо
выражены на фоне резонансных свойств спектральной линии.
2
При более строгом расчёте необходимо учитывать, что усиливаются волны,
распространяющиеся не только параллельно оптической оси резонатора, но и под малым
углом к ней. Условие усиления тогда принимает вид:
Это приводит к тому, что интенсивность пучка лучей лазера различна в разных
точках плоскости, перпендикулярной этому пучку. Здесь наблюдается система светлых
пятен, разделённых тёмными узловыми линиями. Для устранения этих нежелательных
эффектов используют различные диафрагмы, рассеивающие нити, а также применяют
различные схемы оптических резонаторов
Интерферометры для измерения спектра лазерного излучения
Специалист-оптик может исследовать спектр лазерного излучения (с разрешением,
обычно вполне достаточным для надежного различения
соседних продольных мод),
наблюдая (рис.1.1) структуру колец 7, возникающих при освещении обычного
интерферометра Фабри-Перо 5 коллимированным с помощью телескопической (точнее афокальной) системы 3 пучком исследуемого лазера 1. На рис.2.1 показан и ряд
вспомогательных компонентов, обеспечивающих успешное функционирование данной
схемы:
невзаимный элемент 2 обеспечивает однонаправленное (только слева направо)
про-хождение лазерного излучения;
узкополосный фильтр 4 пропускает только излучение, характерное дли исследуемой лазерной генерации; наконец,
объектив 6 формирует картину интерференционных колец на расположенном на
конечном расстоянии f’ экране, что удобно для наблюдения невооруженным глазом и
фоторегистрации.
Рис.1.1. Анализ частотной структуры излучения лазера с помощью
интерферометра Фабри-Перо
Визуальное наблюдение интерференционных колец можно вести и через бинокль
3
1
2
4
5
6
7
или другой наблюдательный прибор.
В данной схеме длина интерферометра l не должна превышать lмакс=2∆νген /c , где
∆νген - ширина полосы генерации исследуемого лазера. В первом приближении ширина
полосы генерации (для большинства газовых лазеров) равна величине неоднородного
уширения ∆νнеод лазерного перехода активной среды. Во втором приближении необходим
учет кратности превышения усиления над потерями X ; в соответствии с (4.4.4)
[1] ∆νген =∆νнеод ln x / ln 2 . Потери интерферометра не должны превышать величины
Σαинт=Σα+2τз=4πlинт ∆νрез / (3...10)c, где Σα =2аз - остаточные потери (симметричного) интерферометра, а τз - коэффициент пропускания его зеркал; в этом случае с помощью
3
интерферометра можно легко определить количество генерируемых лазером продольных
мод, следующих с шагом ∆νрез .
Для анализа частот генерации поперечных мод разрешение интерферометра следует
существенно повысить, достигнуть чего можно либо уменьшая полные потери Σαинт, либо
увеличивая расстояние между пластинами интерферометра. Кроме того, при анализе
спектра поперечных мод существенно усложняются вопросы согласования полей лазера и
интерферометра и их взаимной юстировки /подробнее см., напр., 3.2.3 в [6]/.
Естественно, что непосредственное (визуальное) наблюдение спектра лазерного
излучения приемлемо только для лазеров видимого диапазона. ЭОПы несколько
расширяют этот диапазон в ультрафиолет (но не далее 0,2 мкм) и ближнюю ИК область
(но не далее 1,1 мкм), С другой стороны, визуально очень трудно определить
соотношение мощностей отдельных мод по относительной яркости соответствующих
интерференционных колец.
Поэтому в настоящее время при анализе спектрального состава лазерного излучения
в основном используют (рис.2.2) сканирующие интерферометры [5…7] с
фотоэлектрическим приемником 10 и регистрацией спектра лазера 1 на экране
осциллографа 11, горизонтальная развертка которого синхронизирована с линейным
перемещением одного из зеркал (обычно - выходного) интерферометра с помощью
пьезокерамики 8. Если размах (амплитуда) колебаний зеркала 7 превышает λген /2, то на
экране осциллографа будет виден весь частотный диапазон интерферометра
∆νинт=с /2lинт. Существенно, что в данном варианте разрешающая способность
∆ν≥∆ν0.5 определяется уже не только собственным разрешением интерферометра ∆ν0.5 , но
и размером диафрагмы 9 (перед фотоприемником), выделяющей малую часть нулевого
порядка интерференционной картины (центрального кольца 7 на рис.2.1). Узкополосный
интерференционный фильтр 4, как и в предыдущей схеме, уменьшает фоновую засветку.
Рис. 1.2. Анализ частотного спектра основной (TEM00) моды лазера с помощью
сканирующего интерферометра со сферическими зеркалами
Поскольку сканирование одного из зеркал интерферометра неизбежно приводит к
его разьюстировке, то для обеспечения работоспособности сканирующего
интерферометра обычно используют конфокальную геометрию (интерферометр Конна), а
не плоские зеркала. В этом случае вопрос об отрицательном влиянии незначительных
разъюстировок снимается, но ужесточаются требования к согласованию полей
(собственных мод) исследуемого лазера и сканирующего интерферометра: вместо
сравнительного простого (афокального) расширителя пучка телескопического типа
требуется строго рассчитанная или, по крайней мере, точно установленная линза 3. В
результате такого согласования (особенности его реализации см., напр., в начале §6.4 [4])
устраняется перекачка энергии лазерного излучения в поперечные моды сканирующего
интерферометра, частота которых при конфокальной геометрии, как известно /см., напр.,
рис.3.15 в [1]/, существенно отличается от частот основных (TEM00) мод на ∆νрез /2. По
мере отхода от конфокальной конфигурации фазовые искажения βmn поперечных мод
асимптотически уменьшаются до величин, существенно меньших 180° в интерферометре
Фабри-Перо (с большим числом Френеля N=а2/λL ).
4
Для обеспечения однонаправленного распространения исследуемого излучения от
лазера к сканирующему интерферометру, что исключает влияние частотной
характеристики интерферометра на исследуемый лазер, между лазером и согласующей
оптикой (телескопом-расширителем для интерферометра Фабри-Перо и одиночной
линзой 3 для интерферометра с вогнутым зеркалом) ставится "развязка" 2 - невзаимный
элемент поляризационного типа (см. рис.2.1, 2.2). Обычно он состоит из четвертьволновой
пластинки λ/4 (рис.2.3), превращающей
Рис. 1.3. Развязка поляризационного типа: в верхней части рисунка - прямой
ход луча, в нижней – обратный
линейно поляризованное излучение ЛПверт исследуемого лазера в циркулярно
поляризованный свет ЦП, и поляризационного элемента, установленного между лазером и
этой пластинкой. Этот поляризационный элемент обычно представляет собой пленочный
поляроид, а не поляризационную призму, так как он значительно дешевле, а
обеспечиваемая им степень поляризации вполне достаточна, по крайней мере, при
измерении частотного спектра излучения многомодовых лазеров. Четвертьволновая
пластинка в данном случае также может быть простейшего типа - из слюды; следует лишь
помнишь, что такой простейший вариант пластинки λ/4 не обладает широкой
спектральной областью из-за большой дисперсии показателей преломления п0 и пe слюды.
В результате слюдяная пластинка λ/4 может использоваться практически только для одной
лазерной длины волны (в данном случае для 0,63; 3,39; 1,15; 0,49; 0,52 мкм и т.п.).
Ахроматизированные пластинки из кристаллических материалов обеспечивают
нормальное функционирование по крайней мере в пределах спектрального диапазона
зеркал интерферометра (∆ λ ≥ 0,1λ0), однако их стоимость и дефицитность, существенно
выше.
Функционирование такого простейшего невзаимного элемента достаточно
элементарно: линейно поляризованное излучение ЛПверт исследуемого лазера без потерь
проходит через поляроид, сориентированный соответствующим образом (выполняющий в
прямом ходе пучка функцию поляризатора П0), и пластинку λ/4, превращается в
циркулярно поляризованный свет ЦП, взаимодействующий с интерферометром.
Отраженное им излучение (в случае сканирующего интерферометра оно пеpеменно во
времени) вновь проходит пластинку λ/4, превращаясь опять в линейно поляризованное,
плоскость поляризации ЛПгор которого, однако, ортогональна исходной, так как пластинка
λ/2 (λ/4+ λ/4) приводит к повороту плоскости поляризации на 90°. Естественно, что
поляроид, выполняющий при обратном ходе лучей роль анализатора Ан, задерживает
отраженные от интерферометра пучки. Очевидно, что невзаимный элемент
поляризационного типа нормально функционирует лишь в том случае, если
интерферометр и согласующая оптика не изменяют сколько-нибудь заметно состояния
поляризации отраженных пучков.
5
2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для измерения основных параметров спектра (выходной мощности) типового He-Ne
лазера средней мощности, генерирующего в видимом диапазоне на основной длине волны
λ0=6328 Å (в воздухе при стандартных давлении p0=760 мм Hg столба и температуре
t0=20°С), последний закреплен на оптическом столе в юстировочном устройстве,
обеспечивающем две поперечных и две угловых подвижки. На расстоянии ~0,5 м от
выходного окна лазера установлен (так же на юстируемом столике) сканирующий
интерферометр с конфокальным резонатором.
Поперечными и угловыми подвижками пучок лазера «загоняется» во входное
отверстие сканирующего интерферометра, после чего угловыми подвижками последнего
отраженный от него блик совмещается с центром выходного отверстия лазера. Таким
образом, оптические оси обследуемого лазера и сканирующего интерферометра
совмещены и «оптическая часть» установки в первом приближении готова к измерению
спектра мощности.
Для более корректного функционирования измерительной установки между лазером
и сканирующим интерферометром желательно установить оптическую развязку (см. 2.3) и
согласующую линзу (производитель рекомендует f’  250 мм) – для согласования поля
лазерного пучка с полем основной (ТЕМ00) моды сканирующего интерферометра. Однако
эти операции лишь обеспечивают более качественную и стабильную картину спектра,
наблюдаемого на экране осциллографа; поэтому ее нужно прежде всего получить, а уже
затем, в случае необходимости, вводить дополнительные компоненты, упомянутые выше.
Для
получения
спектра
мощности
включаются
драйвер
сканирующего
интерферометра и осциллограф. При этом основным (ведущим) является генератор
«пилы»
драйвера,
подающий
пилообразное
напряжение
на
пьезокерамику,
перемещающую одно из зеркал сканирующего интерферометра (с частотой 5-50 Гц,
регулируется правым резистором под надписью «calibration» на передней панели
драйвера)
и синхронизирующий (через дополнительный кабель, соединяющий выход
генератора развертки драйвера – над гнездом разъема надпись «Trigger», под гнездом TTL OUT) развертку осциллографа, работающего в ждущем режиме. При этом за счет
линейности «пилы» драйвера и горизонтальной развертки электронного луча на экране
осциллографа обеспечивается «рисование» спектра мощности на экране в практически
линейном масштабе частот.
Линейность вертикального отклонения электронного пучка обеспечивается гораздо
проще: прошедшее через сканирующий интерферометр излучение регистрируется
фотодиодом, нагрузочное сопротивление которого может быть установлено (ручкой
«GAIN» в поле «DETECTOR» в левом верхнем углу лицевой панели драйвера) в пределах
10кΩ…1МΩ, усиливается предусилителем драйвера и через гнездо «OUTPUT» (в правом
6
нижнем углу панели драйвера) подается на линейный вход осциллографа, вызывая прямо
пропорциональное освещенности фотодиода отклонение электронного луча по вертикали.
Наиболее сложно понять и, главное, отрегулировать амплитуду (линейную
величину) перемещения сканирующего зеркала (с помощью левого подстроечного
сопротивления «AMPLITUDE (1-30V)» под надписью «CALIBRATION»), обеспечив
«прокачку» на 1λ0. При этом обеспечивается наблюдение на экране двух идентичных
спектров мощности, при стабильной работе лазера полностью идентичных друг другу.
Если установить величину прокачки λ0/2 (что достигается уменьшением вдвое
сканирующего напряжения – подстроечный резистор вращать против часовой стрелки), то
картина спектра будет занимать весь экран осциллографа (что хорошо), но точная
калибровка горизонтального масштаба будет затруднена, т.к. единственная априорная
информация при данном режиме может быть получена из межмодового расстояния
лазерного резонатора (∆νрез=с/2Lопт, а Lопт точно не документирована ни в одном из
коммерческих лазеров!)
В то же время при наличии на экране двух повторяющихся (с шагом ∆νинт=с/2Lинт,
где Lинт =50,00 мм и, соответственно, ∆νинт=3000 МГц) калибровка шкалы частот на
экране осциллографа выполняется элементарно.
3 РАСЧЕТЫ
Теоретический расчет
L=61см=0.61 м
ν = с/2L = 246 МГц
Практический расчет
Δν
 0.95 мс
Fср = 1.5 ГГц
 5.52 мс
Решая пропорцию, получаем:
Δν = 1.5 ГГц * 0.95 / 5.52 = 258 МГц
Выводы:
Практические расчеты подтверждают теоретические выводы, что доказывает
правильность эксперимента.
7