%
故具有畸变像差量的透镜，对以等角速度偏转的入射光，在焦平面上的扫描速度就是等速的。由于此镜头的像高等于 · ，故常简称为F- 透镜。
四、实验内容与步骤
1、CO2激光器工作特性
1）开启水冷系统；
2）将功率计探测面置于激光器输出光路；
3）将激光电源的电流旋钮逆时针旋至零位；
4）开启激光电源；
5）顺时针微调激光电源电流旋钮；
半导体激光器驱动电流的确定是通过测量串联在电路中的R上电压值。电路中的驱动电流在数值上等于R两端电压与电阻值之比。
步骤：
1）用万用表测出滑动变阻器R的精确值；
2）按如图所示电路联结驱动源、滑动变阻器R和LD；
3）用万用表测量滑动变阻器R两端电压UR，；
4）根据电路中电流I=UR/R计算得出半导体激光器的驱动电流；
半导体激光器由于有源层模截面的不对称和很小的线度，其远场光斑既不对称，又具有很大的光束发散角，这是因其发射区域小，引起了衍射效应所致。图4是一个半导体激光器的典型远场辐射图，两个半功率强度点处的全角宽分别记为θ⊥和θ〃，为光束发散角。
图4边发射半导体激光束光场特性
四、实验内容与步骤
1、半导体激光器P-I曲线和V-I曲线测量
图2注入型半导体激光器的基本结构图3面发射半导体激光器基本结构
P-I特性是选择半导体激光器的重要依据。在选择时，应选阈值电流Ith尽可能小，Ith对应P值小，而且没有扭折点的半导体激光器，这样的激光器工作电流小，工作稳定性高，而且不易产生光信号失真。并且要求P-I曲线的斜率适当。斜率太小，则要求驱动信号太大，给驱动电路带来麻烦；斜率太大，则会出现光反射噪声及使自动光功率控制环路调整困难。一般用注入电流值来标定阈值条件，也即阈值电流Ith，当输入电流小于Ith时，其输出光为非相干的荧光，当电流大于Ith时，输出光为激光，且输入电流和输出光功率成线性关系。
2、激光扫描工作原理
激光打标是基于f-theta镜的原理，将扫描振镜的转角信息转换成位移信息。设F- 透镜焦距为 ，总扫描角度为2 ，扫描场的覆盖长度为L。
在普通照相物镜中，如果校正了畸变，其像高为：
H= .tg
将此式两边对时间微分得：
=
可见，对等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度不是一定的。
3.掌握半导体激光器的光场特性；
4.了解半导体激光器温漂特性；
5.掌握半导体激光器的使用方法。
二、实验器材
边发射和面发射半导体激光器各1支，功率计1台，TEC温控器1台，万用表1台，光谱仪1台，光场分布显示仪1台，连接导线20根，滑动变阻器1只
三、实验原理
半导体激光器(激光二极管，Laser Diode)的具有波长可控、体积小、重量轻、结构简单、使用方便、效率高和寿命长等优点。半导体激光器的工作特质主要是III-V族化合物半导体、IV-VI族化合物半导体以及II-VI族化合物半导体。其振荡波长覆盖范围很宽，约从30μm（PbSnTe）的红外波段到320nm（ZnS）的紫外波段。目前应用最多的材料是GaAs-AlGaAs（0.8-0.9μm）InP-InGaAsP(1.3-1.35μm)和InP-InGaAs(1.5-1.65μm)材料。半导体激光器的激励方式有：p-n结注入电流激励、电子束激励、光激励、碰撞电离激励等。
图1声光调Q激光器原理示意图图2声光调Q激光脉冲建立过程
在简化的二能级系统中，高能级的载流子数大于低能级的载流子数就实现了载流子的反转分布，受激辐射将大于受激吸收而产生光学增益。在半导体激光器中受激跃迁发生在被占据的导带电子态和价带空穴态之间，其跃迁发生在能量分布较广的能级之间，这时载流子反转分布的条件有所不同。
在一定温度T时，电子占据导带和价带中某一能级E的几率fe(E)和fv(E)满足费米-狄拉克分布，分别为
对F- 透镜，为得到一定的扫描速度，像高必须为：
H= .
这样：
其中， 是扫描元件恒定的角速度。这样即可实现在L=2H=2 . 范围内的等速扫描。这即是要求F- 透镜故意产生正的畸变，当扫描角度 增大时实际像高比几何光学确定的理想像高小，是它的 倍，其线畸变为：
H= .tg - . = tg ）
其相对畸变为：
2）N2分子共振能量转移
电子碰撞激发N2的振动能级的总截面很大。N2和CO2的基态分子发生碰撞时，N2将激发能量转移给CO2分子，使之激发到0001能级。N2作用类似He-Ne中的He。激光下能级衰变慢，不利于抽空，He与该能级CO2分子碰撞使其衰变加快，利于下能级抽空，He热导率高，利于把放电区剩余热量带走，避免热效应造成的下能级粒子数积累。
6）仔细观察放电管中的现象；
7）在不同电流状态记录功率计功率显示，并画出P-I曲线；
8）测量完毕后，将激光电源旋钮逆时针缓慢旋至零位；
9）关闭激光电源；
10）关闭水冷系统。
2、激光扫描实验
1）开启计算机；
2）打开激光打标软件；
3）开启水冷机；
4）在工作台上放置纸板击打标；
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R(Ω)
UR(V)
I(mA)
V(V)
P(mW)
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R(Ω)
UR(V)
I(mA)
V(V)
P(mW)
2、半导体激光器光场特性观测
步骤：
1)开启半导体激光器；
2)打开光场显示仪；
3)将半导体激光发射的光束照射到光场显示仪的探测面上；
4)从显示器上观测半导体激光的光场分布；
气体中一般还需要加入N2气，利用其v＝1能级与CO2分子的001能级相差较小，可以实现共振转移，选择性激励co2分子进入001态，特别由于N2气的v=1态不能通过自发辐射跃迁回带到基态，故增大了共振转移的几率。泵浦过程：
1）电子碰撞激发
e*+CO2(0000) CO2(0001)+e
受到电子碰撞的CO2分子被激发到高振动激发态通过振动模间能量交换，被能级0001收集。
7）观测扫描振镜的变化情况及纸板上打出的标记。
五、思考题
1、CO2激光器工作物质中N2的作用？
2、f-theta镜是一个有畸变的光学系统，为什么能利用f-theta镜在一个平面内打出一个理想的标记？
实验
一、实验目的
1.了解半导体激光器的基本原理、结构、分类和基本特性；
2.了解半导体激光器P与I、V与I的关系；
5)改变半导体激光器与光场显示仪间距离，观测光场变化情况。
五、思考题
1.试说明半导体激光器发光工作原理。
2.环境温度的改变对半导体激光器P-I特性有何影响？
3.试说明注入半导体激光器电功率对半导体激光光束特性的影响。
4.简述边发射半导体激光器光束整形的意义。
5.简述边发射半导体激光器与面发射半导体激光器的区别。
CO 分子反对称振动
图1 CO 分子振动模型
图2 CO2分子能级跃迁过程
其中前两个过程进行得很快，而后两个过程进行得很慢，故分子堆积在010能级上，形成瓶颈效应，而使粒子数反转减小，特别是温度升高时，由热激发而使010能级上分子增加，造成粒子数反转的严重下降，甚至停振，最后一个式子中的M代表辅助气体。如果选择恰当的气体(常见的如H2O和H2)作为辅助气体，可促进010能级上分子的弛豫过程。另外由于010能级上的分子扩散到管壁上会引起消激发，这就使器件的管壁不能太粗。另外，为了增加气体的热导率，通过在气体中加入He气，可实现对放电管的冷却，同样使气体流动，都是降低温的好办法。
CO2激光器的工作气体是CO2、N2和He的混合气体。波长9-11um间，处于大气传输窗口（吸收小，2-2.5um;3-5um;8-14um）。利用同一电子态的不同振动态（对称、弯曲和反对称振动）的转动能级间的跃迁。
图1 CO2激光器典型结构
CO2激光器由工作气体、放电管、谐振腔和电源等组成。放电管大多采用硬质玻璃(如 )制成，放电管的内径和长度变化范围很大。为了防止内部气压和气压比的变化而影响器件寿命，放电管外加有贮气管。为了防止发热而降低输出功率，加有水冷装置。激光器的输出功率随着放电管长度加长而增大。
PN结在外加电压V=Eg/e时，平衡态破坏，多数载流子分别流入对方而变为少数非平衡载流子，（e从N区的导带注入到P区与其中空穴复合，空穴从P区的价带注入到N区）非平衡载流子间的复合以光辐射形式放出即自发发射，自发发射光对腔模起到“种子”的作用，价带电子吸收自发发射光子后跃迁到导带即受激吸收，若导带中电子在自发发射光子作用下与价带空穴复合发射出光子即受激辐射。要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大（如30000A/cm2）。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。
实验
一、实验目的
1、了解CO2激光器的工作原理及典型结构；
2、掌握CO2激光器的输出特性；
3、掌握CO2激光器的使用方法；
4、掌握激光扫描及F-Theta镜的工作原理。
二、实验器材
CO2激光管1支，激光电源1台，功率计1台，水冷系统1套，扫描系统1套，控制器1套，计算机1台
三、实验原理
1、CO2激光器工作原理
5）然后用光功率计测得在此驱动电流下半导体激光器发出激光的功率P；
6）改变滑动变阻器电阻值，重复步骤1）-5）测量不同电流情况下光功率，从而完成P-I特性的测试，找出半导体激光器阈值电流Ith的大小，并可根据P-I特性得出半导体激光器的斜率效率。
图7测量电路
图8 LD半导体激光器P-I和V-I曲线
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在激光器开始泵浦时，声光Q开关的射频驱动源产生的高频振荡信号加在电声换能器上，产生超声波场，超生波场作用于声光介质后在其中形成等效相位光栅，光束通过该光栅发生衍射，光波偏离出腔外，谐振腔处于高损耗低Q值状态,腔内无法实现激光振荡，即提高振荡阈值使振荡不能形成，上能级的反转粒子数就可以大量积累（可储存时间决定于上能级寿命）。当积累到饱和值时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立起来，即当高频信号作用停止，声光介质中的光栅消除，腔内激光振荡输出，谐振腔处于低损耗高Q值状态,相当于Q开关打开。高频振荡信号的加载和消除导致Q值变化一次,输出一个调Q激光脉冲。