鄧 勇，趙世杰，楊玉萍

（南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通226019）

1 引 言

在激光教學(xué)中，已有激光橫模現(xiàn)象和縱模的輸出特性、頻率分裂、模競爭等激光特性綜合實(shí)驗(yàn)［1－4］．但是，現(xiàn)有的頻率分裂和模競爭實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中無法將頻率分裂、模競爭實(shí)驗(yàn)和光強(qiáng)調(diào)諧實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，只能單一地進(jìn)行頻率分裂、模競爭實(shí)驗(yàn)或者光強(qiáng)調(diào)諧實(shí)驗(yàn)，也沒有將這2個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合起來分析．因此本文設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器軟件Lab VIEW的光強(qiáng)調(diào)諧系統(tǒng)，將模競爭、頻率分裂實(shí)驗(yàn)和腔長調(diào)諧實(shí)驗(yàn)結(jié)合到一起，豐富了激光實(shí)驗(yàn)．

2 原 理

2．1 頻率分裂原理

通過在諧振腔內(nèi)加入晶體石英應(yīng)力雙折射元件等就可以產(chǎn)生頻率分裂．這是因?yàn)殡p折射元件對(duì)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(gè)不同的物理長度（n L），2個(gè)不同的腔長就對(duì)應(yīng)著2個(gè)不同的諧振頻率，從而產(chǎn)生了頻率分裂，這種現(xiàn)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(shù)，c為光速．

2．2 模競爭

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

當(dāng)2個(gè)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(dǎo)致增益不夠維持兩頻率同時(shí)振蕩，其中1個(gè)頻率就會(huì)熄滅．通過采用頻率分裂技術(shù)，使得兩頻率間隔可調(diào)．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(qiáng)調(diào)諧

圖1是激光光強(qiáng)調(diào)諧實(shí)驗(yàn)裝置圖．當(dāng)右側(cè)高反鏡沿著激光器軸線移動(dòng)并使這2個(gè)頻率掃過激光增益區(qū)時(shí)，不同程度的競爭交替出現(xiàn)．在腔鏡移動(dòng)第1個(gè)λ／8波長內(nèi)強(qiáng)競爭使垂直光模抑制掉了平行光模；第2個(gè)λ／8波長內(nèi)競爭比較平緩，使得垂直光模和平行光?？梢黄鹫袷帲坏?個(gè)λ／8波長內(nèi)強(qiáng)競爭使平行光模抑制掉了垂直光模；第4個(gè)λ／8波長內(nèi)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(tài)重復(fù)1次，反射鏡移動(dòng)λ／2，并可通過4個(gè)區(qū)域激光偏振狀態(tài)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(qiáng)調(diào)諧實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 基于LabVIEW的He－Ne激光器光強(qiáng)調(diào)諧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，波形顯示、數(shù)據(jù)保存都依賴于示波器，很不方便，而且數(shù)據(jù)不能夠長時(shí)間地連續(xù)保存，也不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理．對(duì)于腔長的控制也是通過外部信號(hào)發(fā)生器，使得實(shí)驗(yàn)設(shè)備繁冗．人為操作也會(huì)帶入環(huán)境干擾，造成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不穩(wěn)定．而Lab VIEW擁有虛擬儀器的強(qiáng)大功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，因此可以很好地解決上述問題．設(shè)計(jì)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(hào)分成2部分，可以分別進(jìn)行頻率分裂、模競爭實(shí)驗(yàn)以及光強(qiáng)調(diào)諧實(shí)驗(yàn)．

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總裝置圖

數(shù)據(jù)采集方式設(shè)置為多通道，連續(xù)采集方式，每通道1 s采集20 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)．已知采集卡采集的數(shù)據(jù)是16位，最大采集電壓為10 V，因此能夠采集的模擬信號(hào)的最小步長為（1／216）×10≈0．15 m V，完全可以滿足光強(qiáng)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(shù)發(fā)生器產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)，再通過采集卡D／A輸出后，經(jīng)過放大倍數(shù)為100倍的電壓放大器來控制壓電陶瓷PZT的伸長與縮短，達(dá)到控制激光器的腔長．函數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生三角波、鋸齒波、正弦波、方波和直流電壓．

3．2 數(shù)據(jù)讀取與截取

實(shí)驗(yàn)過程中可以保存大量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)直接記錄了實(shí)驗(yàn)過程的波形情況．在按下開始保存按鍵后，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存在D盤的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文件夾下，并以當(dāng)前時(shí)間命名，數(shù)據(jù)長度為15 s內(nèi)的數(shù)據(jù)，超過15 s就創(chuàng)建新文件，保證了單個(gè)文件不至于過大．實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由于采集的數(shù)據(jù)多為數(shù)字，沒有直觀的感覺，可以用數(shù)據(jù)回顯面板進(jìn)行靜態(tài)的顯示．通過本系統(tǒng)可讀取數(shù)據(jù)，恢復(fù)成波形．在程序中，有時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)其中一部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有很好描述，就可以將這小部分?jǐn)?shù)據(jù)截?。畬?duì)于截取的數(shù)據(jù)，可以保存為文本格式，也可以通過創(chuàng)建調(diào)用節(jié)點(diǎn)，直接存儲(chǔ)為圖片形式，如圖3所示．

圖3 截取波形圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4．1 光強(qiáng)調(diào)諧

實(shí)驗(yàn)中，設(shè)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(xù)輸出．同時(shí)將采集的光強(qiáng)信號(hào)通過顯示控件實(shí)時(shí)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(qiáng)信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)．

圖4 光強(qiáng)調(diào)諧面板執(zhí)行圖

4．2 縱模觀察與頻率分裂

圖5表示通過在腔內(nèi)插入石英晶體的方法，進(jìn)行頻率分裂實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過程．圖5（a）顯示的是在2個(gè)自由光譜區(qū)內(nèi)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(shí)都沒有產(chǎn)生頻率分裂．放入石英晶體后，就會(huì)產(chǎn)生頻率分裂，如圖5（d）所示，左邊1個(gè)縱模分裂成了2個(gè)，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(jì)算

在數(shù)據(jù)回顯面板中，可以粗略地計(jì)算縱模間隔．如圖6所示，在回放波形中，游標(biāo)1和游標(biāo)2之間表示1個(gè)自由光譜區(qū)ΔνF，同時(shí)將這段波形截取到下面的截取顯示控件中，設(shè)它們之間的時(shí)間間隔為TΔνF．游標(biāo)1和游標(biāo)3表示1個(gè)縱模間隔Δ，它們之間的時(shí)間間隔TΔ．已知掃描干涉儀自由光譜區(qū)為1 800 MHz，可得縱模間隔Δ＝ΔνFTΔ／TΔνF．可以計(jì)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(jì)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(jì)算

5 結(jié)束語

基于虛擬儀器技術(shù)，建立了光強(qiáng)調(diào)諧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以應(yīng)用到激光器頻率分裂和模競爭實(shí)驗(yàn)與光強(qiáng)調(diào)諧中，而且同以前的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相比有了如下的改進(jìn)：首先，不再依賴于示波器的顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，利用Lab－VIEW的各種控件可以很好地觀察實(shí)驗(yàn)波形，儲(chǔ)存和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；其次，該系統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)平臺(tái)，因此可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)，避免人為擾動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；最后，該系統(tǒng)將光強(qiáng)調(diào)諧實(shí)驗(yàn)和頻率分裂模競爭實(shí)驗(yàn)結(jié)合在了一起，同時(shí)也可以應(yīng)用其他相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，如激光回饋現(xiàn)象的觀察實(shí)驗(yàn)．該系統(tǒng)對(duì)于激光基本特性的實(shí)驗(yàn)觀察有實(shí)際意義．

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

［2］ 任成，周魯飛，郭宏．基于貓眼腔鏡損耗調(diào)節(jié)的激光橫模演示系統(tǒng)［J］．應(yīng)用光學(xué)，2007，28（4）：385－388．

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［8］ 陳錫輝，張銀鴻．Lab VIEW8．20程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2007：87－89．