呂 亮，胡 俊，張 耒

(安徽大學，安徽 合肥 230601)

大學物理實驗教學中，特別是“牛頓環(huán)”、“邁克爾遜干涉儀”、“單縫衍射”、“超聲光柵”等相關的光學實驗一直是學生掌握波動光學知識的重要組成部分。而激光器作非接觸測量的重要相干光源，是大學物理實驗中多個光學測量相關實驗的關鍵設備。在大學物理實驗過程中，老師一般要求激光器需開啟預熱一段時間方可投入實驗工作，但同學們往往不太關注其背后的物理原因，老師們也常常疏于講解。根據(jù)教育部最新要求，大學物理實驗教學目標[1]應達到激發(fā)學生興趣，鞏固學生理論知識，培養(yǎng)學生的實踐能力、想象能力、創(chuàng)新能力和科學研究能力。為此，需更多采用開放式的、由學生參與和主導的、以及靈活多變的教學模式[2]，即要求同學們充分發(fā)揮主觀能動性和創(chuàng)造性，在完成實驗的基礎上，進一步提出拓展的創(chuàng)新性方案，實現(xiàn)學生科學探究能力的提升。開發(fā)的“基于多縱模自混合效應的激光器腔體溫度測量”教學實驗成本較低、可拓展性強，利用溫度對激光器諧振腔體引起的光程變化與多縱模激光自混合信號波形之間的內在聯(lián)系，可實現(xiàn)激光器諧振腔體溫度的實時測量。

1 實驗原理

半導體激光器作為一種高相干光源，在工業(yè)、醫(yī)學等領域均得到了廣泛應用。激光器的核心元件諧振腔體的溫度[2]是直接影響激光器的輸出穩(wěn)定性、可靠性以及使用壽命的重要參數(shù)，對其腔體溫度的實時準確測量，是檢測激光器健康運轉的重要手段。

目前，對半導體激光器的溫度進行監(jiān)測的方法主要包括PN結特性測溫法[3,4]、熱敏電阻測溫法[5]以及光纖光柵測溫法[6-8]等。但上述方案響應時間長、結構復雜，成本較高，考慮到大學物理實驗及專業(yè)實驗教學的實際情況，根據(jù)教師講解預熱時間對激光器工作健康狀態(tài)和檢測精度影響的客觀需求設計了“基于多縱模自混合效應的激光器腔體溫度測量”教學實驗。

該實驗通過觀察多縱模激光自混合振動傳感信號的波形隨激光器諧振腔體溫度的變化情況，對激光器諧振腔溫度進行實時測量。基本原理是多縱模激光器形成的激光自混合信號是各自縱模形成的激光自混合信號的強度疊加[9]，當外腔長度滿足諧振腔光程整數(shù)倍的條件時，即各縱模模式的自混合信號保持相同相位或者相位延遲為2π整數(shù)倍，強度疊加后的自混合信號不存在波形分立。

Lext=mngL0

(1)

Lext為外腔長，m為激光器的外腔模式級數(shù)，ng為諧振腔內介質的群折射率，L0為激光器諧振腔腔長。初始時，激光器的腔體溫度為T0，當外腔長度滿足式(1)條件，強度疊加后的激光自混合信號不存在波形分立，如圖1(a)所示，而當激光器諧振腔體溫度變化為T0+δT后，各縱模模式激光自混合信號的相位延遲不再是2π的整數(shù)倍，強度疊加后的自混合信號產生波形分立現(xiàn)象，如圖1(b)所示。此時，微調外腔長度即補償外腔長度δLext，使各縱模模式激光自混合信號相位延遲再次變?yōu)?π的整數(shù)倍，強度疊加后的自混合信號將再次保持完整(不產生波形分立，如圖1(c)所示)。最終通過實時測量補償外腔長度，可獲得半導體激光器諧振腔體溫度的實時變化。其中，補償外腔長度與半導體激光器諧振腔體溫度關系如式(2)所示：

Time/s

(2)

因此，通過測量補償外腔長度δLextm可獲得激光器諧振腔體的相應溫度變化δT，即可實現(xiàn)對激光器諧振腔體溫度實時測量。

2 實驗裝置

多縱模半導體激光器腔體溫度測量實驗裝置如圖2所示。實驗裝置中，多縱模半導體激光器為待測激光光源，激光器中集成了光電二極管(Photo Diode：PD)，能夠將光信號的變化實時轉換為電信號，可在示波器上觀察到實時變化的激光自混合振動傳感信號。由于反饋光過強會導致信號波形畸變，對觀察信號波形造成干擾，因此在實驗中，為了控制反饋光強度，在光源和外界振動物體之間加入空間光衰減器，通過改變衰減器衰減幅度，實現(xiàn)不同的反饋光水平。外界振動目標為揚聲器并附著平面反射鏡，并通過信號發(fā)生器激勵揚聲器做正弦振動。其中，作為振動源的揚聲器被安放在一維位移臺上，并固定在導軌滑塊上。通過調整滑塊的位置可實現(xiàn)較大外腔長度的調節(jié)，進一步調節(jié)一維位移臺上的千分尺可實現(xiàn)對外腔長度的精密調節(jié)。

圖2 多縱模半導體激光器腔體溫度測量實驗裝置圖

具體實驗操作流程圖如圖3所示，半導體激光器開啟后，調節(jié)外腔長度至信號波形不發(fā)生分立，隨著開啟時間增加諧振腔腔體溫度會逐漸上升，此時腔體溫度變化會導致腔體長度、輸出波長及增益介質折射率的變化，造成不同模式激光自混合振動傳感信號相位延遲發(fā)生改變，進而造成疊加后的信號產生波形分立現(xiàn)象。此時，可通過微調激光器外腔長度即補償外腔長度保證不同模式的振動信號再次恢復到等相位，使疊加形成的振動信號恢復成可觀測的重合波形，記錄外腔長度的變化量。最終，溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)，實驗結束，根據(jù)完整自混合信號下對應的不同補償外腔長度獲得相應激光器腔體溫度變化情況。

圖3 多縱模半導體激光器腔體溫度測量實驗流程圖

3 實驗數(shù)據(jù)采集與處理

實際的諧振腔體溫度測量中，疊加后激光自混合信號如圖4所示，其中圖4(a)為信號發(fā)生器的驅動信號，用以驅動反饋物振動。激光器的開啟(初始溫度為T1)，通過調節(jié)外腔距離(初始外腔長為286.00 mm)使初始激光自混合振動傳感信號保持完整波形，如圖4(b)所示。當開啟一段時間后，激光器的溫度升高為T1+δT，外腔長保持不變時，自混合振動傳感信號發(fā)生了明顯的波形分立現(xiàn)象，如圖4(c)所示。實驗操作人員微調節(jié)外腔的長度，將腔長改變成286.16 mm后，振動傳感信號又從分立狀態(tài)恢復為初始波形，如圖4(d)所示。循環(huán)上述過程，通過對不同時刻的激光自混合振動傳感信號完整波形進行實時追蹤，調節(jié)補償外腔長度，結合公式(2)，即可獲得相應的激光器諧振腔體溫度變化過程。

Time/s

在實驗中，不同的m值會影響諧振腔體測量靈敏度和分辨率。所以，在實驗思考和拓展部分，分別選取了m=66和m=140的不同外腔模式下，讓同學們分別在上述外腔模式下對激光器的諧振腔體溫度進行測量，測量結果如下圖5所示。

Time/s

從圖5可以看出多縱模半導體激光器腔體溫度測量系統(tǒng)測量的溫度變化區(qū)間大約為5K，同時，對于不同的m值而言，m值較大時，測溫結果變化相對更加靈敏，溫度分辨率較高，更符合半導體激光器開啟后溫度變化的真實情況。

4 分析與討論

同學通過對基于多縱模自混合效應的激光器腔體溫度測量實驗的理解，結合相關基礎知識以及軟硬件操作，可驗證m值對多縱模半導體激光器自混合信號測量激光器諧振腔體溫度的影響及該溫度傳感方案的外腔變化靈敏度。在實際測溫過程中，同學們可根據(jù)諧振腔溫度測量系統(tǒng)的靈敏度需求選取合適的m值大小，以及選取微米平移臺和納米平移臺等工具，重新設計實驗，提高諧振腔的溫度分辨率。此外，通過掌握測量腔體溫度的實驗原理，可以更改不同的傳感材料以及測量環(huán)境，實現(xiàn)對其他相關物理量的測量，如液體濃度、電壓強度等。

5 結 語

本文提出了一種基于多縱模激光自混合效應測量激光器諧振腔體溫度的新方法，該方法結構緊湊，成本較低，操作簡便，能夠準確反映半導體激光器諧振腔內部真實溫度。同學們可通過實時改變傳感系統(tǒng)外腔的補償長度，跟蹤激光器諧振腔體溫度所引起的激光自混合振動傳感信號的波形變化，實現(xiàn)對激光器腔體溫度的實時測量，掌握實驗系統(tǒng)搭建，數(shù)據(jù)處理及實驗結果分析等能力，實現(xiàn)科研基本素質以及創(chuàng)新能力的共同提升。同時該方法可推廣應用于氦氖激光器、紅寶石激光器、光纖激光器等不同類型激光器的諧振腔體溫度測量，具有較廣泛的應用前景。