半導(dǎo)體激光器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

欒中岳，王淑艷，張耀文

（中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083）

半導(dǎo)體激光器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

欒中岳，王淑艷，張耀文

（中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083）

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

半導(dǎo)體激光器；阿貝成像原理；邁克爾遜干涉儀

半導(dǎo)體激光器（LD）是以半導(dǎo)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(diǎn)。自問世以來發(fā)展極為迅速，在計算機(jī)光盤驅(qū)動器、激光打印機(jī)、全息照相、激光準(zhǔn)直等許多方面都獲得了重要應(yīng)用［1］。He-Ne激光器作為一種單色性好、發(fā)光強(qiáng)度大、方向性強(qiáng)的光源，廣泛應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中［2］。曾金等人以LD替代He-Ne激光器作為光柵測波長實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)、邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用實(shí)驗(yàn)中對光源的要求，并比較了LD和He-Ne激光器的特點(diǎn)，論證了LD作為實(shí)驗(yàn)光源的可行性。最終通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析加以證實(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

在邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用實(shí)驗(yàn)中，點(diǎn)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(shí)驗(yàn)過程中，我們所關(guān)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(rèn)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(fù)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(fèi)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(shí)驗(yàn)中像的清晰程度也與光線的相干性及亮度有關(guān)。

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(dǎo)體激光器所發(fā)出激光的相干性及亮度是否符合實(shí)驗(yàn)需求，是其能否替代He-Ne激光器的關(guān)鍵。

產(chǎn)生激光的必要條件是實(shí)現(xiàn)粒子束反轉(zhuǎn)，而為了實(shí)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(dǎo)體材料的導(dǎo)帶和價帶相應(yīng)于二能級原子系統(tǒng)的上、下激光能級［7］。因此，適當(dāng)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(dāng)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(jìn)而才有可能產(chǎn)生激光。實(shí)現(xiàn)載流子反轉(zhuǎn)分布是結(jié)型半導(dǎo)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(qiáng)相干激光輻射，半導(dǎo)體激光器與He-Ne激光器一樣，也需要光學(xué)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(dǎo)致了LD與He-Ne激光器光學(xué)、電學(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)中可直接擴(kuò)束，無需增加擴(kuò)束透鏡。在阿貝成像原理和空間濾波實(shí)驗(yàn)中可減少兩次共軸調(diào)節(jié)，見圖4。袁霞等人已證實(shí)，減少準(zhǔn)直透鏡后，頻譜面上的空間頻率與位置坐標(biāo)的關(guān)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(shí)驗(yàn)中可減少一次共軸調(diào)節(jié)。

除此之外，激光器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用時，還應(yīng)綜合考慮其穩(wěn)定性、成本、安全防護(hù)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(dǎo)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(kuò)束使用時）不會造成傷害。即便如此，使用LD時仍需適當(dāng)降低其輸出功率。目前，He-Ne激光器一套約1000元，而半導(dǎo)體激光器一套（自制）僅為100元，可降低成本約90%［15］。本文實(shí)驗(yàn)所采用的AL650T10型半導(dǎo)體激光器可連續(xù)工作5000 h以上，使用壽命較長。

圖3 半導(dǎo)體激光器頭部特寫圖

圖4 阿貝成像原理和空間濾波實(shí)驗(yàn)簡化裝置圖

2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)采用AL650T10型半導(dǎo)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(kuò)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(dāng)降低LD輸出功率，仍然不會影響觀察。實(shí)際試驗(yàn)中，連續(xù)使用24 h后，LD擴(kuò)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(jìn)行阿貝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 半導(dǎo)體激光器進(jìn)行阿貝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為檢驗(yàn)采用LD替換He-Ne激光器后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否具有顯著性差異，進(jìn)行F值檢驗(yàn)（置信度90%）。此處僅列出對第一級次衍射數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)為，采用LD后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精密度及準(zhǔn)確度與采用He-Ne激光器相當(dāng)。

為檢驗(yàn)采用LD后是否引起較大系統(tǒng)誤差，進(jìn)行t檢驗(yàn)（置信度99%）。波長標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 半導(dǎo)體激光器進(jìn)行邁克爾遜干涉儀實(shí)驗(yàn)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(rèn)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(xué)物理實(shí)驗(yàn)中兩個使用激光光源的實(shí)驗(yàn)，通過對阿貝成像原理和空間濾波實(shí)驗(yàn)、邁克爾遜干涉儀的調(diào)整和使用實(shí)驗(yàn)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(guān)的結(jié)論。從原理、光電性能、成本、使用安全方面比較了半導(dǎo)體激光器與He-Ne激光器，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，證實(shí)半導(dǎo)體激光器可以在以上兩個實(shí)驗(yàn)中替代He-Ne激光器，從而簡化了原有實(shí)驗(yàn)的裝置及操作步驟。半導(dǎo)體激光器作為一種新型環(huán)保激光光源已獲得廣泛應(yīng)用，其在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)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