Доступные стандартные виды измерений

Описание

  • Измерение зависимости выходной мощности от тока в He-Ne трубке: В рамках этого эксперимента ток лазерной трубки ступенчато увеличивается от минимального до максимального значения. Относительные значения выходной мощности He-Ne лазера в зависимости от тока трубки представлены на графике ниже. Характеристики мощности лазера можно проверить для нескольких типов зеркал (изогнутых, плоских) и резонаторов (полусферических, конфокальных).

Зависимость выходной мощности от тока трубки

Зависимость выходной мощности от тока трубки для линии 611.8 нм (черные) и 629.4 нм (красные).

  • Область устойчивой работы резонатора: Выходная мощность He-Ne лазера измеряется как функция длины резонатора L. При использовании сферического резонатора с зеркалами HR (r = 850 мм) и OC (r = 700 мм) наблюдается нарушение работы лазера в нестабильном диапазоне 700 < L < 850 мм. За пределами этого диапазона наблюдается стабильная работа лазера вплоть до длины резонатора L = 1500 мм. Стабильная работа лазера достигается путем расширения конфокального резонатора с зеркалами HR (r = 700 мм) и OC (r = 700 мм) до сферического с L = 1400 мм.

Область устойчивой работы резонатора

  • Ширина лазерного пучка в резонаторе: Используя лазерный штангенциркуль, оценивается диаметр пучка в зависимости от положения внутри резонатора. Ширина штангенциркуля постепенно уменьшается и сохраняется в резонаторе до тех пор, пока лазер не прекратит излучать. Ширина штангенциркуля как функция его положения в представлена на графике ниже. Могут быть проверены полусферические и конфокальные типы резонаторов, а результаты можно сравнить с теоретическими расчетами.

Ширина лазерного пучка в резонаторе

  • Относительная мощность в зависимости от положения трубки в резонаторе: В рамках этого измерения положение разрядной трубки лазера изменяется и определяется ее влияние на относительную выходную мощность. Используя сферический резонатор с зеркалами HR (r = 700 мм), OC (r = 700 мм) и длиной резонатора L = 1100 мм, исследуется выходная мощность в зависимости от положения трубки (см. график ниже). Максимальная выходная мощность достигается, если трубка стоит в среднем положении. Здесь активная среда используется наиболее эффективно из-за наименьшей длины пучка в трубке. Это измерение может быть выполнено для полусферических и конфокальных резонаторов.

Относительная мощность в зависимости от положения трубки в резонаторе

  • Исследование модовой структуры: Слегка смещая зеркала длинного резонатора, можно получить модовые структуры более высоких порядков, чем TEM00. Этот тест может быть выполнен с различными типами резонаторов.
  • Работа в одномодовом режиме с эталоном (полная версия): Одномодовый эталон имеет толщину 10 мм. Режимы с более высоким индексом моды можно отрегулировать, наклонив один из винтов регулируемого держателя эталона. При увеличении угла наклона лазер сначала выключается, а затем снова излучает в следующем более высоком продольном режиме. Этот тест может быть выполнен для более чем 10 порядков мод.

Работа в одномодовом режиме с эталоном

  • Выбор длины волны с помощью двулучепреломляющего фильтра (полная версия): Диск из двулучепреломляющего кварца установлен во вращающемся устройстве, которое позволяет настраивать различные длины волн в лазерной системе. Если двулучепреломляющий фильтр вращается вокруг своей оси, можно получить до пяти длин волн с разными коэффициентами усиления. Предусмотренная оптическая решетка позволяет различать разные длины волн по разным углам дифракции. Длины волн могут быть рассчитаны по закону Брэгга.

Выбор длины волны с помощью двулучепреломляющего фильтра

  • Выбор длины волны с помощью призмы Литроу (полная версия): Для выбора длины волны лазера предусмотрена высококачественная призма Литроу. Возможен выбор основной лазерной линии на 632.8 нм и оранжевой линии на 611.8 нм. Для выделения линий, близких к 632.8 нм, разрешение призмы Литтроу слишком мало.
  • Измерения поляризации (расширенная версия): Используя вращающийся анализатор и фотодиодный детектор, можно доказать распределение интенсивности линейного поляризованного лазерного излучения и его зависимость от cos2. Далее можно выполнить подстройку окон Брюстера, чтобы получить точный p-поляризованный луч, необходимый для последующих экспериментов по выбору длины волны с призмой Литроу или фильтром Лиота. Могут быть проведены дальнейшие эксперименты с основной поляризацией: (1) для генерации и исследования эллиптического и кругового поляризованного света с использованием дополнительной четвертьволновой пластинки и (2) для поворота линейной поляризации с использованием полуволновой пластинки.

Измерения поляризации

Опциональные виды измерений (с дополнительным оборудованием)

Необходимое дополнительное оборудование указано в скобках и может быть предоставлено компанией eLas.

  • Анализ спектров пропускания и излучения (микроспектрометр, оптоволокно, белый LED): Спектры пропускания диэлектрических лазерных зеркал измеряются с помощью микроспектрометра с оптическим волокном и галогенной лампой или светодиодом белого света. Спектр пропускания четко показывает спектральный диапазон высокой отражательной способности, а также структуры из-за многослойных помех. Кроме того, также изучаются спектры излучения чистого газового разряда и лазерной линии.

Анализ спектров пропускания и излучения

  • Измерения диаметра перетяжки (диафрагма, набор линз, диафрагма на предметном столике или измеритель перетяжки): Перетяжки, расходимость, показатель дифракции M2 и качество пучка изучаются на двух разных типах резонаторов. Сначала используется конфокальный резонатор (HR и OC зеркала с r = 700 мм) с внутрирезонаторной диафрагмой для генерации TEM00. Если перетяжка находится в активной среде, то необходимо преобразовать гауссов пучок через линзу, чтобы создать новую перетяжку w’ вне резонатора. Измерения поперечных профилей интенсивности выполняются на разных расстояниях z за ожидаемой новой перетяжкой w’. Для этого можно использовать измеритель перетяжки или диафрагму (диаметр около 0.2 мм) с фотодиодом большой площади. Апертура диафрагмы должна быть регулируемой в обоих боковых направлениях x и y. Из гауссовых приближений измеренных боковых профилей получается ширина в 1/e2. Преобразованная перетяжка w' получается из графика зависимости 1/e2 от z. Далее исходная перетяжка w рассчитывается исходя из величины w’, расстояния между выходным зеркалом OC и преобразующей линзой и ее фокусного расстояния. 

Далее может быть измерена перетяжка полусферического резонатора с зеркалами HR (r = 700 мм), OC (плоское) и длиной L = 700 мм без преобразования, поскольку перетяжка расположена на плоском зеркале. Для этого профили поперечной интенсивности пучка измеряются на разных расстояниях z за зеркалом OC. Как и ранее, далее получают график зависимости ширины 1/2 от расстояния z. Используя квадратичное приближение, получается перетяжка пучка на зеркале при z = 0. 

Также из проведенных измерений можно получить данные о расходимости, показателе дифракции 2 и качестве пучка для обоих типов резонаторов.

Измерения диаметра перетяжки

Измерения диаметра перетяжки

Измерения диаметра перетяжки

  • Анализ поперечных мод резонатора (регулируемый тонкий провод внутри резонатора, камера): Слегка смещая зеркала длинного резонатора, можно получить модовые структуры более высоких порядков, чем TEM00. Также наблюдаются различные ТЕМ-моды, если в конфокальном резонаторе расположен тонкий провод (HR, OC зеркала (r = 700 мм) и L = 700 мм) недалеко от зеркала OC. Провод должен быть регулируемым в обоих направлениях – и иметь возможность вращаться. Если положение провода тщательно изменяется, моды с высоким коэффициентом усиления могут быть подавлены в пользу других мод, таких как TEM0,n, TEM1,n, TEM2,n до n = 4. С помощью линзы изображения улучшенных TEM мод отображаются на полупрозрачном экране и записываются с помощью камеры. Далее могут использоваться сторонние программы, например, для построения трехмерных псевдо-цветных графиков.

Анализ поперечных мод резонатора

  • Анализ продольных мод с помощью резонатора Фабри-Перо (сканирующий резонатор Фабри-Перо): С помощью сканирующего резонатора Фабри-Перо продольные моды лазера могут отображаться на экране осциллографа. Оценивается свободный спектральный диапазон, а также устройство самого резонатора Фабри-Перо, и может быть рассчитано расстояние между модами лазера.

Особенно может быть продемонстрировано различие между одно- и многомодовым режимом работы He-Ne-лазера с помощью внутрирезонаторного одномодового эталона (включен в полную версию He-Ne лазера).

Анализ продольных мод с помощью резонатора Фабри-Перо

  • Анализ продольных мод (быстрый фотодиод с анализатором спектра): Частотные интервалы между различными продольными модами (TEM0,0,q) измеряются с помощью быстрого фотодиода и анализатора спектра. В данном эксперименте используется почти конфокальный резонатор (HR, OC зеркала (r = 700 мм) и длина L около 700 мм) с внутрирезонаторной диафрагмой для генерации только TEM0,0,q. Из p измеренных частотных интервалов получают p+1 продольных мод, встречающихся в профиле усиления. Далее точная длина резонатора вычисляется по формуле L = c/2Δf, где Δf – наименьший частотный интервал, который составляет 213.92 МГц (см. пример на рисунке).

Анализ продольных мод (быстрый фотодиод с анализатором спектра)

  • Определение частотных интервалов между продольными и поперечными модами, длины резонатора и кривизны зеркал (быстрый фотодиод с анализатором спектра): Частотные интервалы между различными продольными (TEM0,0,q) и поперечными (TEMm,n,q’) модами измеряются с помощью быстрого фотодиода и анализатора спектра. В данном эксперименте используется почти конфокальный резонатор (HR, OC зеркала (r = 700 мм)) с длиной L около 701 мм. Частотный интервал между модами определяется следующим уравнением:

где gi = 1 – L/Ri­ - это параметр зеркала.

Из измеренного значения частотного интервала можно получить: (1) количество продольных мод в профиле усиления, (2) все участвующие -моды, (3) точную длину резонатора и (4) точную кривизну зеркала.