欒中岳，王淑艷，張耀文

（中國地質(zhì)大學，北京 100083）

半導體激光器在大學物理實驗中的應用

欒中岳，王淑艷，張耀文

（中國地質(zhì)大學，北京 100083）

比較了半導體激光器（LD）與He-Ne激光器的特點及區(qū)別，將半導體激光器應用于阿貝成像原理和空間濾波實驗、邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用實驗中。通過對實驗數(shù)據(jù)分析指出：半導體激光器可以替代He-Ne激光器在大學物理實驗中使用。

半導體激光器；阿貝成像原理；邁克爾遜干涉儀

半導體激光器（LD）是以半導體材料作為激光工作物質(zhì)的激光器。它具有超小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，以及可高速工作等一系列優(yōu)點。自問世以來發(fā)展極為迅速，在計算機光盤驅(qū)動器、激光打印機、全息照相、激光準直等許多方面都獲得了重要應用［1］。He-Ne激光器作為一種單色性好、發(fā)光強度大、方向性強的光源，廣泛應用于大學物理實驗中［2］。曾金等人以LD替代He-Ne激光器作為光柵測波長實驗的光源已見報道［3］。本文分析了阿貝成像原理和空間濾波實驗、邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用實驗中對光源的要求，并比較了LD和He-Ne激光器的特點，論證了LD作為實驗光源的可行性。最終通過對實驗數(shù)據(jù)的分析加以證實。

1 實驗原理

在邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用實驗中，點光源S經(jīng)M1和M′2的反射產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，等效于沿軸向分布的兩個虛光源S′1、S′2所產(chǎn)生的干涉。因從S′1和S′2發(fā)出的球面波在相遇的空間處處相干，故發(fā)生非定域干涉［12］，見圖1。在實驗過程中，我們所關心的是能否看到干涉條紋［4］。而光線的相干性及亮度是影響干涉條紋清晰度的主要因素。阿貝認為成像過程包含了兩次衍射過程，見圖2，它表示顯微物鏡的成像系統(tǒng)。采用相干光波垂直照明物體，可以把物體看作一個復雜的衍射光柵，衍射光波在透鏡后焦面形成物體的夫瑯和費衍射圖樣。這兩次衍射過程也就是兩次傅里葉變換的過程［5］。而光的衍射是光波相干疊加的表現(xiàn)，從本質(zhì)上講，衍射與干涉并無區(qū)別［6］。因此，阿貝成像原理和空間濾波實驗中像的清晰程度也與光線的相干性及亮度有關。

圖1 邁克爾遜干涉儀等效光路圖

圖2 阿貝成像原理圖

綜合以上分析可知，半導體激光器所發(fā)出激光的相干性及亮度是否符合實驗需求，是其能否替代He-Ne激光器的關鍵。

產(chǎn)生激光的必要條件是實現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)，而為了實現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)就必須要有適合的能級系統(tǒng)的激活粒子。在這些激活粒子的能級中，首先必須要有激光上能級和下能級。半導體材料的導帶和價帶相應于二能級原子系統(tǒng)的上、下激光能級［7］。因此，適當波長的光與材料發(fā)生作用時，也有受激吸收和受激發(fā)射兩種過程同時發(fā)生。當光通過一段工作物質(zhì)時，只有受激輻射超過受激吸收，光才有可能被放大，進而才有可能產(chǎn)生激光。實現(xiàn)載流子反轉(zhuǎn)分布是結(jié)型半導體激光器產(chǎn)生激光的必要條件，但并非充要條件。為了獲得強相干激光輻射，半導體激光器與He-Ne激光器一樣，也需要光學諧振腔。一般結(jié)型Ga As激光管利用與PN結(jié)平面相互垂直的自然解理面（110面）構(gòu)成法布里－玻羅諧振腔［7，13］。由以上分析可知，LD與He-Ne激光器產(chǎn)生激光的原理相似，只是工作物質(zhì)、激勵方式和諧振腔結(jié)構(gòu)有所不同。這些差異導致了LD與He-Ne激光器光學、電學特性的差別，見表1。

表1 兩種激光器光電特性對比

由表1中數(shù)據(jù)可知，LD工作電壓遠遠小于He-Ne激光器，使用時更加安全。其輸出功率較大，可推測光束亮度較高。除此之外，LD體積（帶外殼）僅為3.4 cm3，是He-Ne激光器的六十分之一，節(jié)省空間。由于LD殼體自帶可調(diào)節(jié)透鏡，見圖3，在實驗中可直接擴束，無需增加擴束透鏡。在阿貝成像原理和空間濾波實驗中可減少兩次共軸調(diào)節(jié)，見圖4。袁霞等人已證實，減少準直透鏡后，頻譜面上的空間頻率與位置坐標的關系仍然保持不變［8］。同理，在邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用實驗中可減少一次共軸調(diào)節(jié)。

除此之外，激光器在大學物理實驗中應用時，還應綜合考慮其穩(wěn)定性、成本、安全防護等問題。根據(jù)激光產(chǎn)品對使用者的安全程度，國內(nèi)外均把激光產(chǎn)品的安全等級劃分為四級［14］。He-Ne激光器輸出功率5 m W左右，屬于3a級激光，通常用肉眼短時間觀察不會產(chǎn)生危害。半導體激光器輸出功率10 m W左右，屬于3b級激光，若長時間直視激光，會對眼睛造成傷害。但因其功率相對較小，漫反射光（擴束使用時）不會造成傷害。即便如此，使用LD時仍需適當降低其輸出功率。目前，He-Ne激光器一套約1000元，而半導體激光器一套（自制）僅為100元，可降低成本約90%［15］。本文實驗所采用的AL650T10型半導體激光器可連續(xù)工作5000 h以上，使用壽命較長。

圖3 半導體激光器頭部特寫圖

圖4 阿貝成像原理和空間濾波實驗簡化裝置圖

2 實驗及數(shù)據(jù)分析

實驗采用AL650T10型半導體激光器，DN-1型He-Ne激光器，WDG-3型光柵光譜儀，F(xiàn)Z-A型輻照計，邁克爾遜干涉儀，20 L／mm一維透射光柵，焦距為190 mm的透鏡。

圖5 兩種激光器產(chǎn)生激光的光譜圖

此外，通過輻照計測量，LD產(chǎn)生的激光經(jīng)擴束后，在一米外的輻照度約為He-Ne激光器產(chǎn)生激光的三倍（約為7.89 m W／cm2），光屏上可形成更加清晰的干涉圖樣，見圖6。因此，即使出于安全考慮適當降低LD輸出功率，仍然不會影響觀察。實際試驗中，連續(xù)使用24 h后，LD擴束光線輻照度基本保持不變。

圖6 干涉圖樣

表1 He-Ne激光器進行阿貝實驗數(shù)據(jù)

表2 半導體激光器進行阿貝實驗數(shù)據(jù)

為檢驗采用LD替換He-Ne激光器后，實驗數(shù)據(jù)是否具有顯著性差異，進行F值檢驗（置信度90%）。此處僅列出對第一級次衍射數(shù)據(jù)的檢驗過程［9，10］：

He-Ne激光器

查置信度95%時的F值表，f1＝f2＝2，F(xiàn)表＝19，F(xiàn)＜F表，說明采用兩種激光測得的數(shù)據(jù)精密度沒有顯著性差異，求得合并標準偏差為：查置信度90%的tα，1值表，f＝n1＋n2- 2＝4時，t0.1，4＝2.13。t＜t0.1，4，故兩種方法間不存在顯著性差異。即有90%的把握認為，采用LD后實驗數(shù)據(jù)的精密度及準確度與采用He-Ne激光器相當。

為檢驗采用LD后是否引起較大系統(tǒng)誤差，進行t檢驗（置信度99%）。波長標準值（以光柵光譜儀測量值代替）為λLD＝660.0 nm［9，10］。

表3 He-Ne激光器進行邁克爾遜干涉儀實驗數(shù)據(jù)

表4 半導體激光器進行邁克爾遜干涉儀實驗數(shù)據(jù)

查置信度99%的tα，1值表，f＝5時，t0.01，5＝4.03。t＜0.01，5，固ˉλ與μ之間不存在顯著性差異。即有99%的把握認為，采用LD后沒有引起明顯的系統(tǒng)誤差。

3 結(jié) 論

本文分析了大學物理實驗中兩個使用激光光源的實驗，通過對阿貝成像原理和空間濾波實驗、邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用實驗的原理討論后，得出成像的清晰程度與光源的相干性及亮度有關的結(jié)論。從原理、光電性能、成本、使用安全方面比較了半導體激光器與He-Ne激光器，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，證實半導體激光器可以在以上兩個實驗中替代He-Ne激光器，從而簡化了原有實驗的裝置及操作步驟。半導體激光器作為一種新型環(huán)保激光光源已獲得廣泛應用，其在大學物理實驗中的應用指日可待。

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Application of Semiconductor Lasers in University Physics Experiment

LUAN Zhong－yue，WANG Shu-yan，ZHANG Yao-wen

（China University of Geosciences，Beijing 100083）

Comparing the characteristics and differences between semiconductor lasers（LD）and He-Ne laser，apply semiconductor lasers to the Abbe-Poter principle of image formation and spatial filtering experiment and the experiment of Michelson interferometer.Through analyzing the experiment data，we point out that semiconductor laser can replace He-Ne lasers in university physics experiment.

semiconductor lasers；Abbe-Poter principle；Michelson interferometer

O 441.1

A

1007-2934（2011）05-0039-05

2011-04-27