102 电气电子教学学报 2009年9月 “Ne激光器的装调与参数测试”实验的改进 杜戈果,白永刚 (1.深圳大学电子科学与技术学院,深圳518060;2.大恒新纪元科技股份有限公司光电研究所,北京100085) 摘要:介绍了“HeNe激光器的装调与参数测试”实验的改进。针对旧的实验系统中对固定腔长、固定腔镜曲率半径的内腔式激光器进行模 式观察与测量的情况,提出了采用变化腔长、变化腔镜曲率半径的半内腔式激光器系统来调光及观察、测量纵模,使得学生在该实验项目上有 较大的探索空间;也促进了学生对微光理论的进一步理解 词:实验教学;HeNe微光器;调光;模式;设计性实验 Improve ment of the Experiment Adjustment and Measurement of He- Ne laser D U Geguo', BAI Yong- gang (1. College of Electronic Science and Technology, Shen:hen University, Shens hen 518060, China; 2. CD HGOPTOEL ECTRON ICS, Haidian District, Beijing 100085, China Abstract An improved plan of the experiment-adjustment and measurement of He- Ne laser was presented In the old experiment, an internal cavity He- Ne laser with unchanged cavity length and radius of curvature was used. In contrast, in the new experiment, a semrinternal cavity with variable cavity length and radius of curvature are employed, thus st udents can design the He- Ne cavity with more flexibility. It is al so help- ful for students to understand the principle of lasers more easily Key words :experimental teaching; He-Ne laser; adjustment; mode; designable experiment HeNe激光器的装调与参数测试”实验是配 合激光原理课程的一个基本的专业实验,主要内容 1HNe激光器简介 包括半内腔HeNe激光器谐振腔的调节和HeNe 氦氖激光器(或HeNe激光器)由光学谐振腔 激光器纵模的观察与测量。通过该实验,学生可以(输出镜与全反镜)、工作物质(密封在玻璃管里的氦 掌握光靶调节半内腔HeNe激光器谐振腔的调节气氖气)、激励系统(激光电源)构成。二电极通过 方法,熟悉HeNe激光器的模式结构,了解共焦球毛细管放电激励激光工作物质,在氖原子的一对能 面扫描干涉仪的原理,掌握用共焦球面扫描干涉仪级间造成集居数反转,产生受激辐射。由于谐振腔 观察测量激光纵模的方法 的作用,使受激辐射在腔内来回反射,多次通过激活 为了更好地锻炼学生的动手能力,配合学校开介质而不断加强。如果单程增益大于单程损耗,即 展的综合性、设计性和研究性实验即所谓“三性实满足激光振荡的阈值条件时,则有稳定的激光输出 验”的教学改革工作,笔者对这个传统的实验进行了 内腔式HeNe激光器的腔镜封装在激光管两 改进 端,而外腔式HeNe激光器的激光管、输出镜及全 基金项目:2008年度深圳大学校级教研项目“建立与完善电子科学与技术学院本科教育质量保障体系的研究与实践”;2009年度深圳大学校级 教研项目“新形势下电子科学与技术专业课程体系的调整与构建 作者简介:杜戈果(1971-),女,博士,教授,主要从事激光技术的教学和科研工f 21994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net
“He2Ne 激光器的装调与参数测试”实验的改进 杜戈果1 ,白永刚2 (1. 深圳大学电子科学与技术学院 ,深圳 518060 ;2. 大恒新纪元科技股份有限公司 光电研究所 ,北京 100085) 基金项目 :2008 年度深圳大学校级教研项目“建立与完善电子科学与技术学院本科教育质量保障体系的研究与实践”;2009 年度深圳大学校级 教研项目“新形势下电子科学与技术专业课程体系的调整与构建” 作者简介 :杜戈果(19712) ,女 ,博士 ,教授 ,主要从事激光技术的教学和科研工作。 摘 要 :介绍了“He2Ne 激光器的装调与参数测试”实验的改进。针对旧的实验系统中对固定腔长、固定腔镜曲率半径的内腔式激光器进行模 式观察与测量的情况 ,提出了采用变化腔长、变化腔镜曲率半径的半内腔式激光器系统来调光及观察、测量纵模 ,使得学生在该实验项目上有 较大的探索空间 ;也促进了学生对激光理论的进一步理解。 关键词 :实验教学 ; He2Ne 激光器 ;调光 ;模式 ;设计性实验 Improvement of the Experiment2Adjustment and Measurement of He2Ne Laser DU Ge2guo 1 , BAI Yong2gang 2 (1. College of Electronic Science and Technolog y , S henz hen Universit y , S henz hen 518060 , China; 2. CD HC2O P TO EL ECT RON ICS , Hai dian District , Beijing 100085 , China) Abstract :An imp roved plan of t he experiment2adjustment and measurement of He2Ne laser was p resented. In t he old experiment , an internal cavity He2Ne laser wit h unchanged cavity lengt h and radius of curvat ure was used. In contrast , in t he new experiment , a semi2internal cavity wit h variable cavity lengt h and radius of curvature are employed , thus st udents can design t he He2Ne cavity with more flexibility. It is also help2 f ul for students to understand t he principle of lasers more easily. Keywords :experimental teaching ; He2Ne laser ; adjustment ; mode ; designable experiment “He2Ne 激光器的装调与参数测试”实验是配 合激光原理课程的一个基本的专业实验 ,主要内容 包括半内腔 He2Ne 激光器谐振腔的调节和 He2Ne 激光器纵模的观察与测量。通过该实验 ,学生可以 掌握光靶调节半内腔 He2Ne 激光器谐振腔的调节 方法 ,熟悉 He2Ne 激光器的模式结构 ,了解共焦球 面扫描干涉仪的原理 ,掌握用共焦球面扫描干涉仪 观察、测量激光纵模的方法。 为了更好地锻炼学生的动手能力 ,配合学校开 展的综合性、设计性和研究性实验即所谓“三性实 验”的教学改革工作 ,笔者对这个传统的实验进行了 改进。 1 He2Ne 激光器简介 氦氖激光器 (或 He2Ne 激光器) 由光学谐振腔 (输出镜与全反镜) 、工作物质(密封在玻璃管里的氦 气、氖气) 、激励系统 (激光电源) 构成。二电极通过 毛细管放电激励激光工作物质 ,在氖原子的一对能 级间造成集居数反转 ,产生受激辐射。由于谐振腔 的作用 ,使受激辐射在腔内来回反射 ,多次通过激活 介质而不断加强。如果单程增益大于单程损耗 ,即 满足激光振荡的阈值条件时 ,则有稳定的激光输出。 内腔式 He2Ne 激光器的腔镜封装在激光管两 端 ,而外腔式 He2Ne 激光器的激光管、输出镜及全 102 电气电子教学学报 2009 年 9 月
第31卷增刊 电气电子教学学报 反镜是安装在调节支架上的。调节支架能调节输出中未显示)。该实验装置存在以下缺点:1腔镜的曲 镜与全反镜之间平行度,使激光器工作时处于输出率半径不能选择;2、调光只能在前输出镜端调整,眼 镜与全反镜相互平行且与放电管垂直的状态。 睛直视输出激光非常不安全,不利于学生反复练习 在半内腔结构的HeNe激光器中,全反射镜与也不应该让学生在短时间内反复练习;3、调节架使 毛细管、储气套等做成一体,并在出厂前已将全反射用不方便,4、腔长虽然可变化,但每变化一次,要重 镜与毛细管调至垂直,另一个输出镜则被安装在精新调光 密二维调整架上,可灵活移动。通过调整激光管和 输出镜,使之产生激光。放电管前端用布儒斯特窗 口密封,最后得到线偏振光。调出激光后,用功率指 示计和扫描干涉仪观察和测量一系列光学参数 2实验改进方案 在旧的实验中,练习调光采用一个半内腔He Ne激光器,观察与测量纵模则采用一个内腔He 图1旧的实验装置 Ne激光器,也就是说,后者所用的HeNe激光器与 在提出实验改进方案后,与大恒新纪元科技股 前者所用的HeNe激光器是不同的。即传统实验份有限公司进行了交流,由他们提供了新的实验装 中观察与测量纵模所用的He-Ne激光器的谐振腔置。新的实验装置克服了旧的实验系统中的问题 参数是已经确定的,从而其频谱结构也基本固定,每1、外腔镜曲率半径可调,他们提供了若干片曲率半 个学生观察到的频谱结构大致是相同的,学生无法径不同的腔镜2、利用背向光调光,后腔激光输出强 控制 度大大降低,对人眼没有任何伤害。改进后的激光 改进后本实验中谐振腔的参数是可变的,要求器学生可以随意练习,安全性方面得到了提高3、 学生自己设计腔长和反射镜的曲率半径(限于实验在背向光一侧,采用一段小的光具座,使腔长连续可 条件,反射镜的曲率半径只能提供几组固定值供选调,且易于调节,在移动输出镜前后位置时不影响激 择,不能连续变化),然后根据自己设计的参数,调节光输出。改进后的实验装置如图2所示 He-Ne激光器产生激光后,测量其纵模和横模特 性。这样每个学生观察到的频谱结构就不同了,学 生可以通过对腔型的设计(腔长、曲率),去改变并控 制激光模式和发散角。改进后的实验除了能满足原 来的实验要求外,更涉及了《激光原理》课程中谐振 10.°a 腔理论的一些基本知识,如共轴球面腔的稳定性条 件、开腔模式的物理概念等。由于需要学生自己设 计谐振腔参数和调节激光器,这就使得学生在该实 图2改进后的实验装置 验项目上有较大的探索空间,可以帮助学生掌握激 在新的实验装置下,学生调光方便,且安全性 光器谐振腔的设计方法,训练学生综合运用激光原高;每个人自己设计腔长与选择腔镜曲率半径然后 理基本知识设计、调试激光器的能力,老师只需要做进行纵模横模的测量根据测量结果求出腔长,与 适当的指导即可。 最初自己设计的谐振腔长度对比。 在2009年4月,学院组织了光学技能大赛,其 3仪器设备 中一项内容是HeNe激光器的调节。学生踊跃参 原来的实验系统所用仪器设备为天津某公司生加,经常练习,个别同学在不到1分钟的时间内完成 产的HeNe激光器模式分析实验装置,其中用来练调光,最短甚至达15秒。 习调光的半内腔HeNe激光器如图1所示(进行模 更重要的是,利用新的实验装置,可以在后腔使 式观察与测量的为另一台全内腔HeNe激光器图用光斑模式分析仪对激光横模进行分析,同时在前 201994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
反镜是安装在调节支架上的。调节支架能调节输出 镜与全反镜之间平行度 ,使激光器工作时处于输出 镜与全反镜相互平行且与放电管垂直的状态。 在半内腔结构的 He2Ne 激光器中 ,全反射镜与 毛细管、储气套等做成一体 ,并在出厂前已将全反射 镜与毛细管调至垂直 ,另一个输出镜则被安装在精 密二维调整架上 ,可灵活移动。通过调整激光管和 输出镜 ,使之产生激光。放电管前端用布儒斯特窗 口密封 ,最后得到线偏振光。调出激光后 ,用功率指 示计和扫描干涉仪观察和测量一系列光学参数。 2 实验改进方案 在旧的实验中 ,练习调光采用一个半内腔 He2 Ne 激光器 ,观察与测量纵模则采用一个内腔 He2 Ne 激光器 ,也就是说 ,后者所用的 He2Ne 激光器与 前者所用的 He2Ne 激光器是不同的。即传统实验 中观察与测量纵模所用的 He2Ne 激光器的谐振腔 参数是已经确定的 ,从而其频谱结构也基本固定 ,每 个学生观察到的频谱结构大致是相同的 ,学生无法 控制。 改进后 ,本实验中谐振腔的参数是可变的 ,要求 学生自己设计腔长和反射镜的曲率半径 (限于实验 条件 ,反射镜的曲率半径只能提供几组固定值供选 择 ,不能连续变化) ,然后根据自己设计的参数 ,调节 He2Ne 激光器产生激光后 ,测量其纵模和横模特 性。这样每个学生观察到的频谱结构就不同了 ,学 生可以通过对腔型的设计(腔长、曲率) ,去改变并控 制激光模式和发散角。改进后的实验除了能满足原 来的实验要求外 ,更涉及了《激光原理》课程中谐振 腔理论的一些基本知识 ,如共轴球面腔的稳定性条 件、开腔模式的物理概念等。由于需要学生自己设 计谐振腔参数和调节激光器 ,这就使得学生在该实 验项目上有较大的探索空间 ,可以帮助学生掌握激 光器谐振腔的设计方法 ,训练学生综合运用激光原 理基本知识设计、调试激光器的能力 ,老师只需要做 适当的指导即可。 3 仪器设备 原来的实验系统所用仪器设备为天津某公司生 产的 He2Ne 激光器模式分析实验装置 ,其中用来练 习调光的半内腔 He2Ne 激光器如图 1 所示(进行模 式观察与测量的为另一台全内腔 He2Ne 激光器 ,图 中未显示) 。该实验装置存在以下缺点 :1、腔镜的曲 率半径不能选择 ;2、调光只能在前输出镜端调整 ,眼 睛直视输出激光非常不安全 ,不利于学生反复练习 , 也不应该让学生在短时间内反复练习 ;3、调节架使 用不方便 ;4、腔长虽然可变化 ,但每变化一次 ,要重 新调光。 图 1 旧的实验装置 在提出实验改进方案后 ,与大恒新纪元科技股 份有限公司进行了交流 ,由他们提供了新的实验装 置。新的实验装置克服了旧的实验系统中的问题 : 1、外腔镜曲率半径可调 ,他们提供了若干片曲率半 径不同的腔镜 ;2、利用背向光调光 ,后腔激光输出强 度大大降低 ,对人眼没有任何伤害。改进后的激光 器 ,学生可以随意练习 ,安全性方面得到了提高 ;3、 在背向光一侧 ,采用一段小的光具座 ,使腔长连续可 调 ,且易于调节 ,在移动输出镜前后位置时不影响激 光输出。改进后的实验装置如图 2 所示。 图 2 改进后的实验装置 在新的实验装置下 ,学生调光方便 ,且安全性 高 ;每个人自己设计腔长与选择腔镜曲率半径 ,然后 进行纵模、横模的测量 ;根据测量结果求出腔长 ,与 最初自己设计的谐振腔长度对比。 在 2009 年 4 月 ,学院组织了光学技能大赛 ,其 中一项内容是 He2Ne 激光器的调节。学生踊跃参 加 ,经常练习 ,个别同学在不到 1 分钟的时间内完成 调光 ,最短甚至达 15 秒。 更重要的是 ,利用新的实验装置 ,可以在后腔使 用光斑模式分析仪对激光横模进行分析 ,同时在前 第 31 卷 增刊 电气电子教学学报 103
电气电子教学学报 2009年9月 腔使用共焦球面扫描干涉仪对激光纵模进行分析,生掌握激光原理的基础知识、基本分析方法和设计 两项分析同步进行。学生可以通过观察激光纵模的方法。通过本实验的锻炼有利于培养学生的动手能 变化,对应观察激光横模的形式,将比较抽象的纵模力和科学精神,为将来更深入一步地学习其它专业 概念和形象的横模概念联系起来。 课程和从事相关工作奠定坚实的基础。 结语 参考文献 通过对“HeNe激光器的装调与参数测试”实周炳琨,高以智陈倜嵘等.激光原理M].北京:国防工业出 验项目的改进,针对“激光原理”课程的要求,通过独 版社,2004 立完成一个较复杂的设计题目,训练学生综合运用 [2]高以智主编.激光实验选编[M].北京:电子工业出版社 激光原理基本知识设计、调节激光器的能力,可使学 (上接第91页罗胜钦等文) 5存在的问题 都比较重视学生写作能力的培养,通过设置写作课 或口头/文字表达能力训练课,使学生在描述学术思 我国大多数研究型大学在制订本科培养方案想或技术方案方面得到较好的训练。而我国大多数 时,都己按照教育部的有关要求,贯彻实施了拓宽高校在这方面都没有得到足够的重视,以致相当多 基础、加强素质教育和能力培养的教育理念,将知的本科生毕业论文表述水平低下,甚至导致研究生 识、能力素质的培养相结合,尤其重视学生创新能的学术论文也存在类似的问题。 力的培养。这对培养适应能力强的高层次科技人才 参考文献 无疑具有非常积极的作用,但在实际操作过程中也 出现了一些问题。以我校为例,存在以下几个方面教育部普通高等学校本科专业目录[ Eb/ol ]. Http! 的问题值得我们思考及改进 1)按专业大类招生后,基础课一般采用大班授 [2]教育部.关于做好普通高等学校本科学科专业结构调整工作 的若干原则意见[E/OL]htp:/lwww.moe.edu.cn 课方式,教学效果较差,直接影响了学生对后续课程11同济大学,关于制订204级本科培养计划的原则意见B 知识的接受和理解。此外,学生入学二年后再分专 Ol.http://www.tongjiedu.cn 业,弱化了同专业学生之间的联络,加上跨校区管理[41]卢晓东.中美大学本科专业设置比较[].北京:比较教育研 等因素,使得对一、二年级学生的管理趋于松弛; 究,2001(2) 2)实践性教学环节的效果有待加强。虽然在 [5 Handbook for undergraduate engineering programs 2008-2009 [eb/ol].http:/www.stardord.edu 培养方案中设置了较多的实践性教学环节,但因电 [6] General Catalog 2007-2008, University of California at Berke- 子学科的实践性教学需要较高的软硬件条件,一般 ley[eb/ol].http://catalog.berkeleyedugethtml 很难让所有学生都有足够多的机会参与其中。尤其(7]叶红.美国高校电子工程类专业本科培养方案浅析J]兰州: 在强调重视基础教学的背景下,具一定专业深度的 等理科教育,2007(6):64-67 知识较少涉及,这在一定程度上也限制了学生在创 8]于歆杰,王树民,陆文娟.麻省理工学院教育教学考察报告 新能力方面的发展 (二)—培养方案与课程设置篇[].南京:电气电子教学学 报 2004(5) 3)表述能力的培养存在一定差距。从对美国(91 Bulletin for undergraduate education [ EB/OL]I.htpW 三所大学培养方案的分析可以看出,这些大学一般 mit. edu/ 201994-2010ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.cnki.net
腔使用共焦球面扫描干涉仪对激光纵模进行分析 , 两项分析同步进行。学生可以通过观察激光纵模的 变化 ,对应观察激光横模的形式 ,将比较抽象的纵模 概念和形象的横模概念联系起来。 4 结语 通过对“He2Ne 激光器的装调与参数测试”实 验项目的改进 ,针对“激光原理”课程的要求 ,通过独 立完成一个较复杂的设计题目 ,训练学生综合运用 激光原理基本知识设计、调节激光器的能力 ,可使学 生掌握激光原理的基础知识、基本分析方法和设计 方法。通过本实验的锻炼有利于培养学生的动手能 力和科学精神 ,为将来更深入一步地学习其它专业 课程和从事相关工作奠定坚实的基础。 参考文献 [ 1 ] 周炳琨 ,高以智 ,陈倜嵘等. 激光原理[ M]. 北京 :国防工业出 版社 , 2004 [ 2 ] 高以智主编. 激光实验选编[ M ]. 北京 :电子工业出版社 , 1988 (上接第 91 页罗胜钦等文) 5 存在的问题 我国大多数研究型大学在制订本科培养方案 时 ,都已按照教育部的有关要求[2 ] ,贯彻实施了拓宽 基础、加强素质教育和能力培养的教育理念 ,将知 识、能力、素质的培养相结合 ,尤其重视学生创新能 力的培养。这对培养适应能力强的高层次科技人才 无疑具有非常积极的作用 ,但在实际操作过程中也 出现了一些问题。以我校为例 ,存在以下几个方面 的问题值得我们思考及改进 : 1) 按专业大类招生后 ,基础课一般采用大班授 课方式 ,教学效果较差 ,直接影响了学生对后续课程 知识的接受和理解。此外 ,学生入学二年后再分专 业 ,弱化了同专业学生之间的联络 ,加上跨校区管理 等因素 ,使得对一、二年级学生的管理趋于松弛 ; 2) 实践性教学环节的效果有待加强。虽然在 培养方案中设置了较多的实践性教学环节 ,但因电 子学科的实践性教学需要较高的软硬件条件 ,一般 很难让所有学生都有足够多的机会参与其中。尤其 在强调重视基础教学的背景下 ,具一定专业深度的 知识较少涉及 ,这在一定程度上也限制了学生在创 新能力方面的发展 ; 3) 表述能力的培养存在一定差距。从对美国 三所大学培养方案的分析可以看出 ,这些大学一般 都比较重视学生写作能力的培养 ,通过设置写作课 或口头/ 文字表达能力训练课 ,使学生在描述学术思 想或技术方案方面得到较好的训练。而我国大多数 高校在这方面都没有得到足够的重视 ,以致相当多 的本科生毕业论文表述水平低下 ,甚至导致研究生 的学术论文也存在类似的问题。 参考文献 [ 1 ] 教育部. 普通高等学校本科专业目录 [ EB/ OL ]. http :/ / www. moe. edu. cn/ [2 ] 教育部. 关于做好普通高等学校本科学科专业结构调整工作 的若干原则意见[ EB/ OL ]. http :/ / www. moe. edu. cn/ [ 3 ] 同济大学. 关于制订 2004 级本科培养计划的原则意见[ EB/ OL ]. http :/ / www. tongji. edu. cn [ 4 ] 卢晓东. 中美大学本科专业设置比较[J ]. 北京 :比较教育研 究 ,2001 (2) :18223 [ 5 ] Handbook for undergraduate engineering programs 200822009 [ EB/ OL ]. http :/ www. stardord. edu/ [6 ] General Catalog 200722008 , University of California at Berke2 ley [ EB/ OL ]. http :/ / catalog. berkeley. edu/ get . html [ 7 ] 叶红. 美国高校电子工程类专业本科培养方案浅析[J ]. 兰州 : 高等理科教育 ,2007 (6) : 64267 [ 8 ] 于歆杰 ,王树民 ,陆文娟. 麻省理工学院教育教学考察报告 (二) ———培养方案与课程设置篇[J ]. 南京 :电气电子教学学 报 ,2004 (5) : 125 [ 9 ] Bulletin for undergraduate education [ EB/ OL ]. http :/ / www. mit . edu/ 104 电气电子教学学报 2009 年 9 月