基于Lab VIEW的He－Ne激光器綜合實驗系統

鄧 勇，趙世杰，楊玉萍

（南通大學 機械工程學院，江蘇 南通226019）

1 引 言

在激光教學中，已有激光橫模現象和縱模的輸出特性、頻率分裂、模競爭等激光特性綜合實驗［1－4］．但是，現有的頻率分裂和模競爭實驗系統在實驗過程中無法將頻率分裂、模競爭實驗和光強調諧實驗結合起來，只能單一地進行頻率分裂、模競爭實驗或者光強調諧實驗，也沒有將這2個實驗進行結合起來分析．因此本文設計了基于虛擬儀器軟件Lab VIEW的光強調諧系統，將模競爭、頻率分裂實驗和腔長調諧實驗結合到一起，豐富了激光實驗．

2 原 理

2．1 頻率分裂原理

通過在諧振腔內加入晶體石英應力雙折射元件等就可以產生頻率分裂．這是因為雙折射元件對兩正交偏振方向的光有不同的折射率n，可使本來唯一的諧振腔長“分裂”成2個不同的物理長度（n L），2個不同的腔長就對應著2個不同的諧振頻率，從而產生了頻率分裂，這種現象稱為激光頻率分裂．

駐波激光器諧振腔長變化量d L與激光頻率變化量dν之間滿足

式中：q為縱模序數，c為光速．

2．2 模競爭

由激光原理可知，每個激光振蕩頻率稱為1個激光縱模，相鄰2個諧振頻率的間隔定義為縱模間隔Δ，且為

當2個頻率的間隔足夠小，使其在增益曲線上的燒孔大面積地重合，導致增益不夠維持兩頻率同時振蕩，其中1個頻率就會熄滅．通過采用頻率分裂技術，使得兩頻率間隔可調．因此，容易得到所需的頻率間隔，方便觀察到模競爭．

2．3 光強調諧

圖1是激光光強調諧實驗裝置圖．當右側高反鏡沿著激光器軸線移動并使這2個頻率掃過激光增益區時，不同程度的競爭交替出現．在腔鏡移動第1個λ／8波長內強競爭使垂直光模抑制掉了平行光模；第2個λ／8波長內競爭比較平緩，使得垂直光模和平行光模可一起振蕩；第3個λ／8波長內強競爭使平行光模抑制掉了垂直光模；第4個λ／8波長內垂直光模和平行光模均不振蕩，激光器無激光輸出．4種狀態重復1次，反射鏡移動λ／2，并可通過4個區域激光偏振狀態各不相同來判斷腔鏡位移方向．利用該原理可制成精度為79．08 nm 的激光器納米測尺［5－6］．

圖1 激光光強調諧實驗裝置圖

3 基于LabVIEW的He－Ne激光器光強調諧系統的設計

3．1 系統結構與軟件設計

傳統的實驗系統中，波形顯示、數據保存都依賴于示波器，很不方便，而且數據不能夠長時間地連續保存，也不能對數據進行實時處理．對于腔長的控制也是通過外部信號發生器，使得實驗設備繁冗．人為操作也會帶入環境干擾，造成實驗現象不穩定．而Lab VIEW擁有虛擬儀器的強大功能，可以實現遠程控制實驗，因此可以很好地解決上述問題．設計如圖2所示的光路圖，利用半透半反鏡就可以將激光輸出信號分成2部分，可以分別進行頻率分裂、模競爭實驗以及光強調諧實驗．

圖2 實驗系統總裝置圖

數據采集方式設置為多通道，連續采集方式，每通道1 s采集20 000個數據點．已知采集卡采集的數據是16位，最大采集電壓為10 V，因此能夠采集的模擬信號的最小步長為（1／216）×10≈0．15 m V，完全可以滿足光強變化的輸出電壓值的精度要求．在D／A輸出方面，通過基本函數發生器產生波形數據，再通過采集卡D／A輸出后，經過放大倍數為100倍的電壓放大器來控制壓電陶瓷PZT的伸長與縮短，達到控制激光器的腔長．函數發生器可以產生三角波、鋸齒波、正弦波、方波和直流電壓．

3．2 數據讀取與截取

實驗過程中可以保存大量的數據，而這些數據直接記錄了實驗過程的波形情況．在按下開始保存按鍵后，數據會自動保存在D盤的實驗數據文件夾下，并以當前時間命名，數據長度為15 s內的數據，超過15 s就創建新文件，保證了單個文件不至于過大．實驗結束后，由于采集的數據多為數字，沒有直觀的感覺，可以用數據回顯面板進行靜態的顯示．通過本系統可讀取數據，恢復成波形．在程序中，有時候會發現其中一部分數據對實驗現象有很好描述，就可以將這小部分數據截取．對于截取的數據，可以保存為文本格式，也可以通過創建調用節點，直接存儲為圖片形式，如圖3所示．

圖3 截取波形圖

4 實驗結果

4．1 光強調諧

實驗中，設置D／A輸出為：三角波，幅值范圍為0～2 V，偏移量為0 V，周期為1 Hz，并且連續輸出．同時將采集的光強信號通過顯示控件實時地顯示在屏幕上．如圖4所示，曲線分別表示D／A輸出三角波的波形、垂直光模和平行光模的相互競爭的光強信號通過光電轉換后的電壓信號．

圖4 光強調諧面板執行圖

4．2 縱模觀察與頻率分裂

圖5表示通過在腔內插入石英晶體的方法，進行頻率分裂實驗的實驗過程．圖5（a）顯示的是在2個自由光譜區內激光器是單縱模輸出，圖5（b）和（c）分別是雙縱模和多縱模，此時都沒有產生頻率分裂．放入石英晶體后，就會產生頻率分裂，如圖5（d）所示，左邊1個縱模分裂成了2個，而圖5（e）雙縱模都頻率分裂了．

圖5 掃描干涉圖

4．3 縱模間隔計算

在數據回顯面板中，可以粗略地計算縱模間隔．如圖6所示，在回放波形中，游標1和游標2之間表示1個自由光譜區ΔνF，同時將這段波形截取到下面的截取顯示控件中，設它們之間的時間間隔為TΔνF．游標1和游標3表示1個縱模間隔Δ，它們之間的時間間隔TΔ．已知掃描干涉儀自由光譜區為1 800 MHz，可得縱模間隔Δ＝ΔνFTΔ／TΔνF．可以計算出縱模為417．78 MHz．而激光器的諧振腔長L為355 mm，因此利用式（2）計算縱模間隔為422．24 MHz．兩者也是基本吻合的．

圖6 縱模間隔計算

5 結束語

基于虛擬儀器技術，建立了光強調諧實驗系統．實驗結果表明，所設計的系統可以應用到激光器頻率分裂和模競爭實驗與光強調諧中，而且同以前的實驗系統相比有了如下的改進：首先，不再依賴于示波器的顯示和數據存儲，利用Lab－VIEW的各種控件可以很好地觀察實驗波形，儲存和處理實驗數據；其次，該系統基于計算機平臺，因此可實現遠程控制實驗，避免人為擾動影響實驗結果；最后，該系統將光強調諧實驗和頻率分裂模競爭實驗結合在了一起，同時也可以應用其他相關的實驗，如激光回饋現象的觀察實驗．該系統對于激光基本特性的實驗觀察有實際意義．

［1］ 張書練，唐麗英，李春苓，等．頻率分裂與模競爭現象教學實驗 He－Ne激光器［J］．物理實驗，1993，13（1）：7－10．

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［5］ Fu Jie，Zhang Shulian，Han Yanmei，et al．Mode suppression phenomenon in a mode splitting He－Ne laser［J］．Chinese Journal of Lasers，2000，B9（6）：499－503．

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