邁克爾遜干涉儀專用He-Ne激光光源的自制與應(yīng)用

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(合肥學(xué)院 數(shù)學(xué)與物理系，安徽 合肥 230601)

0 引 言

自制儀器在彌補商品教具的不足，緩解教學(xué)資源短缺方面，有著不可替代的價值[1]。

邁克爾遜干涉儀是根據(jù)光的干涉原理制成的一種精密光學(xué)儀器，在近代物理和計量技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。用邁克爾遜干涉儀可以測量光波的波長、微小光程差、光源的相干長度[2]，還可以研究如溫度、壓強、電場、磁場及媒質(zhì)運動等物理因素對光的傳播的影響[3～6]。由于該儀器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在應(yīng)用中調(diào)節(jié)方法比較繁瑣且易受到外界干擾，為了讓使用者能快速的將光路調(diào)整至等高、共軸狀態(tài)，嘗試研制出一種單光纖He-Ne激光光源并將其應(yīng)用于大學(xué)物理實驗。該激光源于2016年參加安徽省首屆高等學(xué)校自制實驗教學(xué)儀器展評活動并獲電類設(shè)備三等獎[7]。

1 原 理

1.1 實驗裝置及光路圖

邁克爾遜干涉儀干涉原理圖如圖1所示[8]。從光源S發(fā)出的—束光，入射到分束板G1上，入射光分成振幅(或光強)近乎相等的透射光①和反射光②。光線①和光線②分別近乎垂直的入射到平面鏡M1、M2上被反射回來后，透過G1到達E處。這兩條光線是由一條光線分束而成，所以它們是相干光，因此可在E處觀察到干涉條紋。在上述光路中，使M1和M2嚴格垂直是觀察到非定域干涉條紋和等傾干涉條紋的關(guān)鍵。

圖1 邁克爾遜干涉原理圖

1.2 調(diào)節(jié)方法

傳統(tǒng)中常用的光源為平面擴展光源如鈉光燈，其調(diào)節(jié)方法有兩種：小孔光闌法、加指針或帶尖黑紙片法。這兩種方法操作繁瑣，通常需要耗費大量的時間，且調(diào)節(jié)的準確性不高，不利于進行課堂實驗教學(xué)[9]。另外一種調(diào)節(jié)方法是使用激光器做光源[10]，但需配合擴束鏡進行輔助調(diào)節(jié)，這種方法的準確性較高，但其缺陷在于：邁克爾遜干涉儀和激光器、擴束鏡之間相互分離，實驗時需要組合使用，每次均需調(diào)節(jié)這三者之間的高度、距離、共軸和入射角等因素，因此花費時間也較多。

2 單束激光光源設(shè)計

為了嘗試解決上述問題，設(shè)計出邁克爾遜干涉儀專用單束激光光源，如圖2所示。氦氖激光器由以下部件組成：放電管、輸出鏡及全反鏡(光學(xué)諧振腔)、電源(激勵裝置)等。放電管形成密閉的空間， 內(nèi)部充入氦氖混合氣體作為激光器的增益介質(zhì)。激光放電毛細管為激光的增益區(qū)和光束的通道[11]。為了克服傳統(tǒng)實驗室使用的多束激光源電光轉(zhuǎn)化效率低、位置固定、不易移動的缺點，自制光源應(yīng)具有重量小、動力較強和適應(yīng)移動的要求,同時為了便于日后的維修其電源參數(shù)和結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成統(tǒng)一標準，元部件具有互換性。

圖2 自制單束激光光源

具體設(shè)計內(nèi)容擬從以下幾個方面開展。

2.1 激光管選取

氦氖激光器按照連接方式的不同可分為外腔式氦氖激光器、內(nèi)腔式氦氖激光器和半外腔式氦氖激光器三種?？紤]到實際應(yīng)用，內(nèi)腔式氦氖激光器(圖3)由輸出鏡、放電管、外套管和全反鏡組成，它具有價格低、使用方便和諧振腔免調(diào)節(jié)等優(yōu)點，因此激光裝置采用規(guī)格為250mm的中功率內(nèi)腔式氦氖激光管。

圖3 內(nèi)腔式氦氖激光管

2.2 激光器電源設(shè)計

氦氖激光器電源電路有多種形式，如倍壓整流式、變壓器電源和開關(guān)電源等[12]。無論采用何種形式電路都要保證電源的外特性和氣體放電的非線性伏安特性匹配，其次保證氣體放電間隙的點火條件[13]。

激光電源采用的是倍壓整流電路，這種電源用220V交流電直接倍壓整流，該電路具有嚴格的對稱性，電源輸入下端為倍壓電路，輸入端兩側(cè)為儲能回路。高壓輸出端與220V交流電無需隔離，主要工作部件是整流二極管與電解電容，用電阻限流，電路簡單,制作成本低，電路單元如圖4所示。在第n個脈沖期間(C2充電過程)，下列方程(式1、2)始終成立，充電電流在ωt=0 時出現(xiàn)，在ωt=π/2 -φn時終止。充電過程結(jié)束時C2上的電壓為外加電壓的2 倍。

(1)

(2)

由公式1、2可以得出對第n個充電時刻有式3成立，其中K為積分常量由邊界條件決定。

(3)

圖4 倍壓電路單元

為了使激光器能進入正常激光放電狀態(tài)，在設(shè)計電源系統(tǒng)時，必須使激光管處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，具體要求是：激光器能進入正常激光放電狀態(tài)，其空端載電壓必須達到擊穿電壓。對管長為250mm的氦氖管，擊穿電壓在5000V至6000V，因此對220V交流電壓必須進行23～27倍升壓；擊穿后電源應(yīng)能保證供給激光管正常工作電壓和工作電流，在正常輝光放電區(qū)，其伏安特性呈負阻性，因此必須采取一定的限流措施使工作電流穩(wěn)定在5～10mA之間[14]。

為了使工作電流在此區(qū)間必須加載一定的限流電阻，限流電阻阻值既不能太大也不能過小。電阻太大會造成功率損耗增加，從而降低激光器的能量轉(zhuǎn)換效率；太小會導(dǎo)致放電不夠穩(wěn)定。為了得到合理的限流電阻值，采取以下步驟獲得：首先，測量激光管最大輸出功率所對應(yīng)的放電電流(Imax);第二，測量激光管伏安特性曲線；第三，在伏安特性曲線找到最大輸出功率放電電流(Imax)對應(yīng)的電壓U0，由此限流電阻阻值可確定為Ropt=U0/Imax。為了使激光管穩(wěn)定工作，一般把限流電阻稍微取大一些，取R=1.2Ropt[13]。

2.3 功能設(shè)計

為了滿足邁克爾遜干涉儀實驗教學(xué)要求，改變傳統(tǒng)的透射光點重合法的不足，該激光源配備了高傳輸性光纖，可通過激光管將光源分配至單光纖，每束光纖長約1m。在邁克爾遜干涉儀左端配有光纖固定支架，可以將光纖輸出端固定在支架上方，使激光源與干涉儀的位置相對固定，做到光源和干涉儀高度、距離和入射角等因素合適，排除外界干擾，從而能夠快速、準確地將邁克爾遜干涉儀調(diào)整至工作狀態(tài)。

2.4 測量數(shù)據(jù)與結(jié)果

使用自制He-Ne激光源和傳統(tǒng)Na光源在型號為WSM-200的同一邁克爾遜干涉儀進行光波波長測量實驗，沿同一方向轉(zhuǎn)動干涉儀微動手輪，觀察等傾干涉圓心干涉級數(shù)的變化情況，每變化50個圓環(huán)記錄平面鏡M2所在位置坐標di,連續(xù)測量500個圓環(huán)，實驗數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 干涉條紋圓心變化環(huán)數(shù)—位置坐標di

由逐差法可得波長測量公式為[8,15]：

實驗結(jié)果和擬合參數(shù)如表1所示，數(shù)據(jù)表明自制激光光源裝置可以提高測量結(jié)果的精度，減小相對誤差(E)；線性擬合結(jié)果表明自制He-Ne激光光源的線性相關(guān)系數(shù)R以及確定性系數(shù)R2均優(yōu)于傳統(tǒng)Na光源。

表1 實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)擬合參數(shù)

3 結(jié) 語

邁克爾遜干涉儀專用激光光源的自制方法，針對傳統(tǒng)光源和調(diào)節(jié)方法的不足，詳細介紹了激光管的選取、激光電源電路的設(shè)計和功能實現(xiàn)的過程。該裝置已經(jīng)制作完成并應(yīng)用于實驗教學(xué)，它實現(xiàn)了光源的小型化和集成化，解決了儀器的穩(wěn)定性問題，節(jié)約了實驗場地；通過單束光纖的使用，避免了外加擴束鏡，省去了很多繁瑣的操作，使邁克爾遜干涉儀的調(diào)節(jié)速度和測量精度得到提高。

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