專利名稱：外腔式He-Ne激光器的縱模測量系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光器的縱模測量系統(tǒng)。
背景技術：
激光因具有各種良好的光學特性已得到廣泛的應用，于是，通過物理實驗讓學生比較深入了解和掌握激光特性顯得十分必要。但內(nèi)腔式He-Ne激光器在出廠時就已經(jīng)封裝結束，人們無法了解激光器的內(nèi)部結構，更無法調節(jié)激光器的諧振腔而觀察橫模、縱模的變化。無疑，外腔式He-Ne激光器是進行光學實驗教學的最佳設備。激光各種特性中數(shù)模式理論最為難懂，激光原理所述的模式一般是通過復雜的數(shù)學推導得出，抽象、不易理解，必須借助實驗環(huán)節(jié)，通過對激光器內(nèi)部各組件的調節(jié)分析，才能深刻理解激光模式的概念。激光模式包括橫模和縱模。激光橫模就是指在諧振腔中存在的穩(wěn)定的橫向場分布，用一個屏去接收激光器輸出的光束時，可以直接用肉眼觀察橫向場的光強分布情況。激光橫模在理論上容易理解而且其很容易獲得并觀察。激光縱模是指光學諧振腔內(nèi)形成軸向穩(wěn)定的駐波場，每一列駐波稱為一個橫模，不同的駐波具有不同的頻率。光在諧振腔內(nèi)能持續(xù)振蕩的條件是2nl = πιλ，其中η為腔內(nèi)介質的折射率(外腔式He-Ne激光器η = I)，I是諧振腔的長度，m為正整數(shù)，λ為波長。凡滿足該振蕩條件的波長都叫做激光器的一個縱模。相鄰的兩縱模之間的波長差稱為激光器的縱模間隔Λ λ =λ 2/(2nl)，對于He-Ne激光器，氖原子的自發(fā)輻射中心波長為632. 8nm,于是我們可以得到He-Ne激光器的縱模間隔最大也要10_3nm量級，這就導致觀察、測量He-Ne激光器的縱模間隔比較困難。現(xiàn)有的測量外腔式He-Ne激光器的縱模的實驗系統(tǒng)由外腔式He-Ne激光器、共焦球面掃描干涉儀、示波器等三部分組成，參見附圖I。外腔式He-Ne激光器主要由He-Ne毛細放電管、全反鏡、出射鏡組成。實驗時需要手動調節(jié)出射鏡與毛細放電管的相對位置，即調節(jié)諧振腔的長度來調節(jié)縱模的數(shù)目。共焦掃描干涉儀是分辨率很高的光譜儀，主要由兩片曲率半徑相等的反射鏡、一個壓電陶瓷、一臺鋸齒波驅動器組成，參見附圖2。兩片反射鏡相對放置，間距L等于反射鏡的半徑R，于是構成了共焦腔。兩塊反射鏡中一塊固定不動，另一塊固定在壓電陶瓷上，壓電陶瓷的長度變化和所加電壓成正比。當鋸齒波電壓線性調制壓電陶瓷時，掃描干涉儀的腔長將會在L附近發(fā)生波長級的微小變化。當腔長滿足波長最大透過率時，該波長將直接通過干涉儀，而腔長在發(fā)生波長級變化，于是入射激光束中的各個激光縱模將依次通過干涉儀，這些透射光光電轉換器將光信號轉化為電信號，將該信號放大送到示波器輸入端，我們可以在示波器上看到激光器橫模的頻譜，其橫坐標為干涉儀的頻率變化。然而這種實驗系統(tǒng)具有較大的缺點，由于其外腔式He-Ne激光器諧振腔是由平凹鏡組成，其穩(wěn)定性較差，再加上諧振腔長度的調節(jié)需要手動調節(jié)出射鏡與毛細放電管的相對位置，而這個過程中又有可能破壞激光的增益導致無法出光，所以整個過程非常繁瑣而且浪費大量時間，還有可能無法調出激光以致實驗無法進行。該系統(tǒng)的另一個缺點是在示波器上可以顯示出激光模式的頻譜，但是不能直接從圖中讀出各個縱模之間的頻率值及頻率差值需要通過共焦掃描儀的自由光譜來計算，這無疑降低了實驗的直觀性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有激光器縱模測量系統(tǒng)的操作繁瑣、可靠性較差、直觀性較低的不足， 本發(fā)明提供一種簡化操作、可靠性良好，提升直觀性的外腔式He-Ne激光器的縱模測量系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種外腔式He-Ne激光器的縱模測量系統(tǒng)，包括諧振腔長度可自動調節(jié)的外腔式 He-Ne激光器、共焦球面掃描干涉儀和計算機數(shù)據(jù)處理模塊，所述外腔式He-Ne激光器包括 He-Ne毛細放電管、一個平面鏡、一個貓眼逆向反射器和電動滑軌，所述平面鏡固定放置于電動滑軌左端，所述He-Ne毛細放電管固定放置于平面鏡右端，所述貓眼逆向反射器固定于電動動滑軌的滑片上，而滑片位于毛細管右端，所述滑片可滑動地安裝在電動滑軌上；所述平面鏡的激光出射方向前端安裝所述共焦球面掃描干涉儀，所述共焦球面掃描干涉儀的電信號數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)采集卡連接，所述數(shù)據(jù)采集卡與所述計算機數(shù)據(jù)處理模塊。進一步，所述共焦球面掃描干涉儀包括兩片曲率半徑相等的反射鏡、一個壓電陶瓷和一臺鋸齒波驅動器，兩片反射鏡相對放置構成共焦腔，兩片反射鏡的間距L等于反射鏡的半徑R，兩塊反射鏡中一塊固定不動，另一塊固定在壓電陶瓷上，所述壓電陶瓷與所述鋸齒波驅動器連接。再進一步，所述滑片套裝在絲杠上，所述絲桿與所述步進電機的輸出軸連接，所述步進電機與計算機數(shù)據(jù)處理模塊連接。當然，也可以采用其他步進控制方式。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、提供了一個諧振腔長度可自動調節(jié)的He-Ne激光器，該激光器易調節(jié)、高穩(wěn)定、諧振腔長度也即縱?？勺詣诱{節(jié)。2、引進了計算機數(shù)據(jù)處理模塊，該模塊包括數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制兩大部分。該模塊使外腔式He-Ne激光器縱模的測量走向智能化、高效化、直觀化。3、激光器諧振腔的可自動調節(jié)可以使我們觀察到縱模頻譜的動態(tài)變化。


圖I是傳統(tǒng)外腔式He-Ne激光器的縱模的實驗系統(tǒng)。圖2是共焦掃描干涉儀結構圖。圖3是新型外腔式He-Ne激光器縱模測量系統(tǒng)。圖4是諧振腔長度可自動調節(jié)的外腔式He-Ne激光器。圖5是直接輸入到計算機的激光模譜圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。參照圖I 圖5，一種外腔式He-Ne激光器的縱模測量系統(tǒng)，主要由諧振腔長度可自動調節(jié)的外腔式He-Ne激光器、共焦掃描干涉儀、計算機數(shù)據(jù)處理模塊組成，是一種可自動調節(jié)諧振腔長度、智能計算縱模數(shù)目、各縱模頻率及頻率差值的實驗系統(tǒng)，見附圖3所示。諧振腔長度可自動調節(jié)的外腔式He-Ne激光器主要由He-Ne毛細放電管、一個平面鏡(即輸出鏡)、一個貓眼逆向反射器、電動滑軌、計算機數(shù)據(jù)處理模塊組成，其結構如附圖4所示。所述平面鏡固定放置于自動滑軌左端，所述He-Ne毛細放電管固定放置于平面鏡右端，所述貓眼逆向反射器固定于自動滑軌的滑片上，而滑片位于毛細管右端。所述計算機數(shù)據(jù)處理模塊控制著自動滑軌滑片的位置、移動速率。所述共焦掃描干涉儀主要由兩片曲率半徑相等的反射鏡、一個壓電陶瓷、一臺鋸齒波驅動器組成，參見附圖2。兩片反射鏡相對放置，間距L等于反射鏡的半徑R，于是構成了共焦腔。兩塊反射鏡中一塊固定不動，另一塊固定在壓電陶瓷上，壓電陶瓷的長度變化和所加電壓成正比。當鋸齒波電壓線性調制壓電陶瓷時，掃描干涉儀的腔長將會在L附近發(fā)生波長級的微小變化。 所述計算機數(shù)據(jù)處理模塊主要由激光縱模智能識別(數(shù)據(jù)處理)及激光器諧振腔自動調節(jié)(系統(tǒng)控制)兩大功能性模塊組成。如圖3所示為外腔式He-Ne激光器縱模測量系統(tǒng)，其主要由諧振腔長度可自動調節(jié)的外腔式He-Ne激光器、共焦球面掃描干涉儀、計算機數(shù)據(jù)處理模塊等三部分組成。外腔式He-Ne激光器平面鏡所發(fā)出的光首先經(jīng)過共焦掃描干涉儀，由于共焦球面掃描干涉儀是一個精度極高的光譜儀，所以激光的各縱模會依次通過共焦腔，在共焦腔后面有一光電轉化器即PIN管，它會將通過共焦腔的各縱模依次由光信號轉換為電信號，這些電信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集，再將它們輸入到計算機中，而計算機中有個用LabView編寫的一個界面， 它可以智能地顯示激光的縱模數(shù)目、各縱模頻率、各縱模間隔。另一方面，計算機中有個控制諧振腔長度可自動調節(jié)的外腔式He-Ne激光器的界面，它主要通過控制諧振腔長度及滑片移動速度來達到控制外腔式He-Ne激光器輸出光的縱模這一目的。如圖4所示為諧振腔長度可自動調節(jié)的外腔式He-Ne激光器，它主要由He-Ne毛細放電管、一個平面鏡(即輸出鏡)、一個貓眼逆向反射器、電動滑軌、計算機數(shù)據(jù)處理模塊組成。傳統(tǒng)的外腔式He-Ne激光器由He-Ne毛細放電管、一個平面鏡(即輸出鏡)、一個凹面鏡組成，由于其諧振腔準直條件苛刻，造成調光困難、穩(wěn)定條件差等缺點。而貓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貓眼逆向反射器時會沿同方向出射，而一束平行光以較小角度斜入射到貓眼逆向反射器是，它仍然會沿原方向射出。這就使具備貓眼逆向反射器的外腔式He-Ne激光器具有調光容易、穩(wěn)定性好等特點。貓眼逆向反射器由鍍雙面增透膜的凸透鏡和鍍?nèi)茨さ陌济骁R組成，并且保證凸透鏡焦距、凹面鏡曲率半徑和凸透鏡與凹面鏡的間距三者相等。本發(fā)明創(chuàng)造性地提出將He-Ne毛細放電管、 平面鏡(即輸出鏡)、貓眼逆向反射器放置在電動滑軌上，而且將貓眼逆向反射器放置在電動滑軌的滑片上以達到實現(xiàn)外腔式He-Ne激光器的諧振腔長度可自動調節(jié)這一目的。滑片連接著絲桿，而絲桿的轉動由步進電機所控制，步進電機的轉向及轉速由計算機數(shù)據(jù)處理模塊控制。通過編程，只需在計算機的控制界面中輸入諧振腔長度的一個具體數(shù)值就可以實現(xiàn)外腔式He-Ne激光器的諧振腔的實際長度與該數(shù)值相符?；囊苿舆^程中不可避免的會產(chǎn)生震動及貓眼逆向反射器的傾斜，但由于貓眼逆向反射器具有良好的逆向平行反射性，因此無論貓眼逆向反射器處于哪個位置、以何速度的移動，外腔式He-Ne激光器始終處于工作狀態(tài)即始終有激光出射。
由激光器發(fā)出的光將輸入到共焦球面掃描干涉儀中以檢測該激光束的模式特征。 如圖2所示，共焦球面掃描干涉儀是由兩片曲率半徑相等的反射鏡、一個壓電陶瓷、一臺鋸齒波驅動器組成。兩片反射鏡相對放置，間距L等于反射鏡的半徑R，于是構成了共焦腔。 兩塊反射鏡中一塊固定不動，另一塊固定在壓電陶瓷上，壓電陶瓷的長度變化和所加電壓成正比。當鋸齒波電壓線性調制壓電陶瓷時，掃描干涉儀的腔長將會在L附近發(fā)生波長級的微小變化。當莫某一波長為λ的光束近軸入射到干涉儀時，可以證明光線在共焦腔內(nèi)經(jīng) 4次反射恰好閉合，該光線與起始光線的光程差為4nL，其中η為共焦腔內(nèi)德介質折射率，而當光程差滿足4nL = m λ時，該波長的光具有最大透過率，于是改變腔長就可實現(xiàn)了對光譜的掃描。經(jīng)共焦球面掃描干涉儀掃描得到的激光束由光電二極管即PIN管轉化為電信號， 該光譜電信號將由數(shù)據(jù)采集卡采集，再將其輸入到計算機中進行處理。如圖5所示，其為直接輸入到計算機的激光模譜圖，從圖中我們可以看出縱模數(shù)目，但我們無法知道各個脈沖所代表的頻率值及各個模式之間的頻率差。進一步，我們通過LabView編程可以直接從圖中可以讀出諧振腔長度、縱模數(shù)目、各縱模的具體波長、以及各模式所占據(jù)的相對能量。本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也及于本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明構思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求
1.一種外腔式He-Ne激光器的縱模測量系統(tǒng)，其特征在于所述縱模測量系統(tǒng)包括諧振腔長度可自動調節(jié)的外腔式He-Ne激光器、共焦球面掃描干涉儀和計算機數(shù)據(jù)處理模塊，所述外腔式He-Ne激光器包括He-Ne毛細放電管、一個平面鏡、一個貓眼逆向反射器和電動滑軌，所述平面鏡固定放置于電動滑軌左端，所述He-Ne毛細放電管固定放置于平面鏡右端，所述貓眼逆向反射器固定于電動動滑軌的滑片上，而滑片位于毛細管右端，所述滑片可滑動地安裝在電動滑軌上；所述平面鏡的激光出射方向前端安裝所述共焦球面掃描干涉儀，所述共焦球面掃描干涉儀的電信號數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)采集卡連接，所述數(shù)據(jù)采集卡與所述計算機數(shù)據(jù)處理模塊。
2.如權利要求I所述的外腔式He-Ne激光器的縱模測量系統(tǒng)，其特征在于所述共焦球面掃描干涉儀包括兩片曲率半徑相等的反射鏡、一個壓電陶瓷和一臺鋸齒波驅動器，兩片反射鏡相對放置構成共焦腔，兩片反射鏡的間距L等于反射鏡的半徑R，兩塊反射鏡中一塊固定不動，另一塊固定在壓電陶瓷上，所述壓電陶瓷與所述鋸齒波驅動器連接。
3.如權利要求I或2所述的外腔式He-Ne激光器的縱模測量系統(tǒng)，其特征在于所述滑片套裝在絲杠上，所述絲桿與所述步進電機的輸出軸連接，所述步進電機與計算機數(shù)據(jù)處理模塊連接。
全文摘要
一種外腔式He-Ne激光器的縱模測量系統(tǒng)，包括諧振腔長度可自動調節(jié)的外腔式He-Ne激光器、共焦球面掃描干涉儀和計算機數(shù)據(jù)處理模塊，外腔式He-Ne激光器包括He-Ne毛細放電管、平面鏡、貓眼逆向反射器和電動滑軌，平面鏡固定放置于電動滑軌左端，He-Ne毛細放電管固定放置于平面鏡右端，貓眼逆向反射器固定于電動動滑軌的滑片上，而滑片位于毛細管右端，滑片可滑動地安裝在電動滑軌上；平面鏡的激光出射方向前端安裝共焦球面掃描干涉儀，共焦球面掃描干涉儀的電信號數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)采集卡連接，數(shù)據(jù)采集卡與計算機數(shù)據(jù)處理模塊。本發(fā)明簡化操作、可靠性良好，提升直觀性。
文檔編號G01M11/02GK102607808SQ20121006375
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權日2012年3月12日
發(fā)明者樂孜純, 何茂林, 王東旭, 索凱華, 黃孫港 申請人:浙江工業(yè)大學