Гелий-неоновый лазер - это универсальный газовый лазерный источник, разработанный для обучения, но также может использоваться в исследованиях. Со всеми своими элементами эта система предлагает широкий спектр экспериментальных возможностей и является самой гибкой системой HeNe на рынке.

Этот учебный комплект был разработан, чтобы помочь учащимся понять взаимодействие различных компонентов газового лазера, лазерных резонаторов, модовых свойств, вплоть до воздействия селективных оптических компонентов с различной длиной волны, используемых для газовых лазеров.

Образовательные цели исследования:

• Свойства газовых лазеров
• Накачка электрическим разрядом
• Линии выбросов и уровни энергии гелия и неона
• Оптимизация выходной мощности путем выравнивания резонатора
• Лазерное излучение как функция тока лазерной трубки
• Ширина и форма лазерного луча внутри и снаружи резонатора
• Критерий стабильности работы лазера и оптимизация полости
• Свойства режима поперечного резонатора (TEM00 и выше)
• Выбор продольного режима с помощью одномодового эталона
• Лазерный выбор линии по двулучепреломляющему фильтру
• Лазерный выбор линии с помощью Литтровской призмы
• Выходная мощность с изменением выходной связи
• Определение поляризации HeNe-лазера.
• Генерация и исследование линейного, кругового и эллиптически поляризованного света
• Измерение и проверка закона Малуса

Режимы работы:

Основы газовых лазеров, такие как типы резонаторов и стабильность, когерентность и поведение мод, демонстрируются на практике с этим лазером с открытой рамой и обсуждаются во всеобъемлющем руководстве. Путем изменения зеркал резонатора (набор состоит из 5 зеркал) оцениваются свойства резонатора и его влияние на мощность и стабильность лазера. Постоянно изменяя длину резонатора и положение лазерной трубки, оценивается критерий устойчивости нескольких резонаторов.

Исследованы и описаны возможности выбора длины волны с помощью оптических компонентов, таких как Littrow Prism и двулучепреломляющего фильтра. Влияние на моды лазерного резонатора эталона внутри резонатора лазера передается студентам.

Некоторые из возможных режимов работы:

• несколько конфокальных, полусферических и концентрических резонаторов (симметричных и асимметричных) на 632,8 нм с низкой (<1 мВт) выходной мощностью
• те же резонаторы, что и выше, но с высокой (> 5 мВт) выходной мощностью
• HeNe Laser с двулучепреломляющим фильтром для настройки длины волны на 611,8 нм, 629,8 нм, 632,8 нм, 635,2 нм и 640,1 нм.
• HeNe-лазер с призмой Литтроу для настройки длины волны на 611,8 нм и 632,8 нм 
• HeNe Laser с одномодовым эталоном для одномодовой работы

Все оптические и точные механические детали для установки комплекта включены. Установленные на оптической рейке, все компоненты могут быть установлены и заменены в короткие сроки. Поставляемый электронный контроллер для лазерной трубки HeNe позволяет изменять ток трубки и содержит внутренний фотодиодный усилитель с индикацией. Быстрое выравнивание лазерного резонатора при запуске обеспечивается подачей юстировочного DPSS-лазера в держатель с собственным источником питания для определения оптической оси на плоской рейке.

Помимо полной версии (CA-1200) доступна базовая версия системы HeNe (CA-1201), включающая в себя все компоненты, необходимые для настройки и работы HeNe-лазера в различных конфигурациях резонатора. Кроме того, все эксперименты полной версии плюс измерения поляризации и кристаллооптики выполняются с расширенной версией He-Ne-лазера (CA-1202). Выбор длины волны и режима возможен только в полной версии HeNe и в расширенной версии.

Наконец, предлагается дополнительный набор зеркал с ИК-подсветкой, состоящий из двух вогнутых зеркал с ИК-покрытием для работы He-Ne-лазера на его линиях ИК-излучения (CA-1205).

Настройка и компоненты

1 плоский рельс 1500 мм, усиленный профилем со шкалой

2 Контроллер LTS 1500 для лампового и фотодиодного усилителя HeNe

3 Правый держатель кинематического зеркала на держателе

4 Левый держатель регулировки кинематического зеркала на держателе

5 Фотодетектор в держателе на кабеле BNC

6 Регулировочный лазер (зеленый модуль DPSS) в держателе на держателе с источником питания

7 Фильтр двойного лучепреломления во вращающемся держателе на несущей платформе с вращающейся вставкой (полная и расширенная версия)

8 Литровская призма в регулируемом держателе на держателе (полная и расширенная версия)

9 Одномодовый эталон в регулируемом держателе на держателе (полная и расширенная версия)

10 комплектов из 5 лазерных зеркал (3 зеркала в базовой версии)

11 Решетка оптической передачи (полная и расширенная версия, не показана)

12 Неотражающий суппорт (не показан)

13 пара поляризационных фильтров во вращающихся держателях на носителях (расширенная версия)

14 Половолновая пластина во вращающемся держателе на держателе (расширенная версия)

15 четвертьволновая пластина во вращающемся держателе на держателе (расширенная версия)

16 Набор для чистки оптики (не показан)

17 Руководство пользователя (не показано)

 Измерения и обработка

Некоторые из возможных измерений представлены в следующем списке:

• Выходная мощность в зависимости от тока лазерной трубки

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, как показано на рисунке. Характеристики мощности лазера можно проверить для нескольких типов зеркал (изогнутых, плоских) и резонаторов (полусферических, конфокальных).

Черные точки: значения мощности как функция тока лазерной трубки для лазерной линии 611,8 нм

Красные точки: значения мощности как функция тока лазерной трубки для лазерной линии 629,4 нм

• Область оптической устойчивости резонатора

Выходная мощность He-Ne-лазера измеряется как функция длины резонатора L. С помощью сферического резонатора с зеркалами HR (r = 850 мм) и OC (r = 700 мм) наблюдается нарушение работы лазера в нестабильный диапазон 700 мм <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 корпуса с L = 1400 мм.

• Ширина лазерного луча в резонаторе

Используя штангенциркуль, оценивается диаметр пучка как функция положения внутри резонатора. Ширина суппорта постепенно уменьшается и сохраняется в резонаторе до тех пор, пока лазер не прекратит излучать. Ширина суппорта как функция положения суппорта в резонаторе отображается (см. График). Могут быть проверены полусферические и конфокальные типы резонаторов, а результаты можно сравнить с теоретическими расчетами.

• Относительная мощность в зависимости от положения лазерной 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). Максимальная выходная мощность достигается, если трубка стоит в среднем положении. Здесь активная среда используется наиболее эффективно из-за наименьшей длины пучка в трубе. Это измерение может быть выполнено для полусферических и конфокальных резонаторов.

• Модовые структуры

Слегка смещая зеркала резонатора длинного резонатора, можно получить модовые структуры более высоких порядков, чем TEM00. Этот тест может быть выполнен с различными типами резонаторов.

Поперечные моды можно наблюдать также с помощью тонкой проволоки или волос, помещенных в лазерный луч (см. Ниже «Измерения с помощью дополнительного оборудования»).

• Работа в одном режиме с эталоном (полная версия)

Этот одномодовый эталон в своем регулировочном держателе имеет толщину 10 мм. Режимы с более высоким индексом можно отрегулировать, наклонив один из винтов точной регулировки держателя эталона. При увеличении угла наклона лазер сначала выключается, а затем снова излучает в следующем более высоком продольном режиме. Этот тест может быть выполнен до более 10 режимов заказов.

Кроме того, продольные моды и их частотное расстояние можно определить с помощью набора резонаторов Fabry-Perot от eLas или анализатора спектра (см. Ниже «Измерения с помощью дополнительного оборудования»).

• Выбор длины волны с помощью фильтра двойного лучепреломления (Lyot) (полная версия)

Диск из двулучепреломляющего кварца установлен во вращающемся блоке, который 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. По закону Брэгга длины волн можно рассчитать.

• Выбор длины волны с помощью призмы Литтроу (полная версия)

Для выбора длины волны лазера предусмотрена высококачественная призма «Littrow». Возможен выбор основной лазерной линии при 632,8 нм и оранжевой линии при 611,8 нм. Для выделения линий, близких к 632,8 нм, разрешение призмы Литтроу слишком мало. 

• Поляризационные измерения (расширенная версия)

Используя вращающийся анализатор и фотодиодный детектор, можно доказать распределение интенсивности линейного поляризованного лазерного излучения и его кос2-зависимость. По этой причине можно выполнить настройку окон Брюстера, чтобы получить точный p-поляризованный луч, необходимый для последующих экспериментов по выбору длины волны с призмой Литтроу или фильтром Лиота.

Могут быть проведены дополнительные эксперименты с основной поляризацией: (1) для генерации и исследования эллиптического и циркулярно поляризованного света с использованием дополнительно четвертьволновой пластины и (2) для поворота линейной поляризации с использованием полуволновой пластины.

Измерения с дополнительным оборудованием

В следующих дальнейших экспериментах, требующих дополнительного оборудования, перечислены. Необходимое дополнительное оборудование указано в скобках и может быть предоставлено компанией eLas.

• Спектры пропускания и излучения (микроспектрометр, оптоволокно, белый светодиод)

 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, исследуются спектры излучения чистого газового разряда и лазерной линии. В последнем случае, кроме того, линии газового разряда все еще находятся за пределами спектрального диапазона высокой зеркальной отражательной способности.

• Измерение талии луча (апертура, модуль объектива, апертура на сцене xy или измеритель талии)

Талия пучка, расходимости, показатели дифракции М2, качество пучка изучаются на двух разных типах резонаторов.

Сначала готовят конфокальный резонатор (HR и OC с r = 700 мм) с внутрирезонаторной апертурой для генерации TEM00. Если талия луча находится в активной среде, необходимо преобразовать гауссов луч через линзу, чтобы создать новую талию w ’вне резонатора. Измерения поперечных профилей интенсивности выполняются на разных расстояниях z за ожидаемой новой талией w ’. Для этого можно использовать измеритель талии или отверстие (диаметр около 0,2 мм) с фотодиодом большой площади. Апертура должна быть регулируемой в обоих боковых направлениях x и y. Из гаусс-фитингов измеренных боковых профилей получаются ширины в 1 / e2. Преобразованная талия w ’получается из графика 1 / e2-width против z. Теперь исходная талия w рассчитывается на основе знания w ’, расстояния между зеркалом OC и трансформирующей линзой и его фокусного расстояния.

 Во-вторых, талия полусферического резонатора с зеркалами HR (r = 700 мм), OC (плоская) и длиной L = 700 мм может быть измерена без трансформации, поскольку талия расположена на плоском зеркале. Для этого профили поперечной интенсивности пучка измеряются на разных расстояниях z за зеркалом OC. Как показано выше, график зависимости ширины 1 / e2 от расстояния z Используя квадратичную подгонку, получим талию луча на зеркале при z = 0.

Кроме того, из этих измерений расхождения, индексы дифракции M2, параметры качества пучка K получены для обоих типов резонаторов.

• Поперечные режимы (регулируемый тонкий провод в резонаторе, камера)

Слегка смещая зеркала резонатора длинного резонатора, можно получить модовые структуры более высоких порядков, чем TEM00. Также наблюдаются разные ТЕМ-моды, если в конфокальном резонаторе расположен тонкий провод (HR, OC оба r = 700 мм и L = 700 мм) недалеко от зеркала OC. Провод должен быть регулируемым в обоих направлениях - и может вращаться. Если положение провода тщательно изменяется, режимы с высоким коэффициентом усиления могут быть подавлены в пользу других режимов, таких как TEM0, n, TEM1, n, TEM2, n до n = 4. При использовании объектива изображения в улучшенных режимах TEM отображаются на Полупрозрачное стекло экрана и записано с помощью камеры. Открытые программы могут быть использованы, например, для трехмерные псевдо-цветные графики.

• Продольные моды с резонатором Фабри-Перо (сканирующий Фабри-Перо, например, эксперимент eLas «Резонатор Фабри-Перо» CA-1145)

С помощью сканирующего резонатора Фабри-Перо продольные моды лазера могут отображаться на экране осциллографа. Оценивается свободный спектральный диапазон, а также тонкость Фабри-Перо, и может быть рассчитано расстояние между модами лазера.

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

• Продольные моды (быстрый фотодиод с анализатором спектра)

Частоты биений между различными продольными модами (TEM0,0, q) измеряются быстрым фотодиодом и анализатором спектра. Здесь почти конфокальный резонатор (HR, OC оба r = 700 мм и длина L около 700 мм) с внутрирезонаторной апертурой используется только для генерации TEM0,0, q. Из числа p измеренных частот биений получают число p + 1 продольных мод, встречающихся в профиле усиления. Теперь точная длина резонатора вычисляется из соотношения L = c / 2Δf, где Δf - наименьшая частота биений, которая в примере на рисунке равна 213,92 МГц. 

• Частота биений между продольной и поперечной модами, длина резонатора и кривизна зеркал (быстрый фотодиод и анализатор спектра)

Частоты биений между продольной (TEM0,0, q) и поперечной модами (TEMm, n, q ’) измеряются быстрым фотодиодом и анализатором спектра. Здесь используется почти конфокальный резонатор (HR, OC оба r = 700 мм) с длиной L около 701 мм). Частоты биений Δf определяются как

С зеркальными параметрами

Из измеренных частот биений можно получить: (1) количество продольных мод, встречающихся в профиле усиления, (2) все участвующие TEM-моды, (3) точную длину резонатора и (4) точную кривизну зеркала.