基于Lab VIEW的He－Ne激光器综合实验系统

邓 勇，赵世杰，杨玉萍

（南通大学 机械工程学院，江苏 南通226019）

1 引 言

在激光教学中，已有激光横模现象和纵模的输出特性、频率分裂、模竞争等激光特性综合实验［1－4］．但是，现有的频率分裂和模竞争实验系统在实验过程中无法将频率分裂、模竞争实验和光强调谐实验结合起来，只能单一地进行频率分裂、模竞争实验或者光强调谐实验，也没有将这2个实验进行结合起来分析．因此本文设计了基于虚拟仪器软件Lab VIEW的光强调谐系统，将模竞争、频率分裂实验和腔长调谐实验结合到一起，丰富了激光实验．

2 原 理

2．1 频率分裂原理

通过在谐振腔内加入晶体石英应力双折射元件等就可以产生频率分裂．这是因为双折射元件对两正交偏振方向的光有不同的折射率n，可使本来唯一的谐振腔长“分裂”成2个不同的物理长度（n L），2个不同的腔长就对应着2个不同的谐振频率，从而产生了频率分裂，这种现象称为激光频率分裂．

驻波激光器谐振腔长变化量d L与激光频率变化量dν之间满足

式中：q为纵模序数，c为光速．

2．2 模竞争

由激光原理可知，每个激光振荡频率称为1个激光纵模，相邻2个谐振频率的间隔定义为纵模间隔Δ，且为

当2个频率的间隔足够小，使其在增益曲线上的烧孔大面积地重合，导致增益不够维持两频率同时振荡，其中1个频率就会熄灭．通过采用频率分裂技术，使得两频率间隔可调．因此，容易得到所需的频率间隔，方便观察到模竞争．

2．3 光强调谐

图1是激光光强调谐实验装置图．当右侧高反镜沿着激光器轴线移动并使这2个频率扫过激光增益区时，不同程度的竞争交替出现．在腔镜移动第1个λ／8波长内强竞争使垂直光模抑制掉了平行光模；第2个λ／8波长内竞争比较平缓，使得垂直光模和平行光模可一起振荡；第3个λ／8波长内强竞争使平行光模抑制掉了垂直光模；第4个λ／8波长内垂直光模和平行光模均不振荡，激光器无激光输出．4种状态重复1次，反射镜移动λ／2，并可通过4个区域激光偏振状态各不相同来判断腔镜位移方向．利用该原理可制成精度为79．08 nm 的激光器纳米测尺［5－6］．

图1 激光光强调谐实验装置图

3 基于LabVIEW的He－Ne激光器光强调谐系统的设计

3．1 系统结构与软件设计

传统的实验系统中，波形显示、数据保存都依赖于示波器，很不方便，而且数据不能够长时间地连续保存，也不能对数据进行实时处理．对于腔长的控制也是通过外部信号发生器，使得实验设备繁冗．人为操作也会带入环境干扰，造成实验现象不稳定．而Lab VIEW拥有虚拟仪器的强大功能，可以实现远程控制实验，因此可以很好地解决上述问题．设计如图2所示的光路图，利用半透半反镜就可以将激光输出信号分成2部分，可以分别进行频率分裂、模竞争实验以及光强调谐实验．

图2 实验系统总装置图

数据采集方式设置为多通道，连续采集方式，每通道1 s采集20 000个数据点．已知采集卡采集的数据是16位，最大采集电压为10 V，因此能够采集的模拟信号的最小步长为（1／216）×10≈0．15 m V，完全可以满足光强变化的输出电压值的精度要求．在D／A输出方面，通过基本函数发生器产生波形数据，再通过采集卡D／A输出后，经过放大倍数为100倍的电压放大器来控制压电陶瓷PZT的伸长与缩短，达到控制激光器的腔长．函数发生器可以产生三角波、锯齿波、正弦波、方波和直流电压．

3．2 数据读取与截取

实验过程中可以保存大量的数据，而这些数据直接记录了实验过程的波形情况．在按下开始保存按键后，数据会自动保存在D盘的实验数据文件夹下，并以当前时间命名，数据长度为15 s内的数据，超过15 s就创建新文件，保证了单个文件不至于过大．实验结束后，由于采集的数据多为数字，没有直观的感觉，可以用数据回显面板进行静态的显示．通过本系统可读取数据，恢复成波形．在程序中，有时候会发现其中一部分数据对实验现象有很好描述，就可以将这小部分数据截取．对于截取的数据，可以保存为文本格式，也可以通过创建调用节点，直接存储为图片形式，如图3所示．

图3 截取波形图

4 实验结果

4．1 光强调谐

实验中，设置D／A输出为：三角波，幅值范围为0～2 V，偏移量为0 V，周期为1 Hz，并且连续输出．同时将采集的光强信号通过显示控件实时地显示在屏幕上．如图4所示，曲线分别表示D／A输出三角波的波形、垂直光模和平行光模的相互竞争的光强信号通过光电转换后的电压信号．

图4 光强调谐面板执行图

4．2 纵模观察与频率分裂

图5表示通过在腔内插入石英晶体的方法，进行频率分裂实验的实验过程．图5（a）显示的是在2个自由光谱区内激光器是单纵模输出，图5（b）和（c）分别是双纵模和多纵模，此时都没有产生频率分裂．放入石英晶体后，就会产生频率分裂，如图5（d）所示，左边1个纵模分裂成了2个，而图5（e）双纵模都频率分裂了．

图5 扫描干涉图

4．3 纵模间隔计算

在数据回显面板中，可以粗略地计算纵模间隔．如图6所示，在回放波形中，游标1和游标2之间表示1个自由光谱区ΔνF，同时将这段波形截取到下面的截取显示控件中，设它们之间的时间间隔为TΔνF．游标1和游标3表示1个纵模间隔Δ，它们之间的时间间隔TΔ．已知扫描干涉仪自由光谱区为1 800 MHz，可得纵模间隔Δ＝ΔνFTΔ／TΔνF．可以计算出纵模为417．78 MHz．而激光器的谐振腔长L为355 mm，因此利用式（2）计算纵模间隔为422．24 MHz．两者也是基本吻合的．

图6 纵模间隔计算

5 结束语

基于虚拟仪器技术，建立了光强调谐实验系统．实验结果表明，所设计的系统可以应用到激光器频率分裂和模竞争实验与光强调谐中，而且同以前的实验系统相比有了如下的改进：首先，不再依赖于示波器的显示和数据存储，利用Lab－VIEW的各种控件可以很好地观察实验波形，储存和处理实验数据；其次，该系统基于计算机平台，因此可实现远程控制实验，避免人为扰动影响实验结果；最后，该系统将光强调谐实验和频率分裂模竞争实验结合在了一起，同时也可以应用其他相关的实验，如激光回馈现象的观察实验．该系统对于激光基本特性的实验观察有实际意义．

［1］ 张书练，唐丽英，李春苓，等．频率分裂与模竞争现象教学实验 He－Ne激光器［J］．物理实验，1993，13（1）：7－10．

［2］ 任成，周鲁飞，郭宏．基于猫眼腔镜损耗调节的激光横模演示系统［J］．应用光学，2007，28（4）：385－388．

［3］ 金永兴，沈为民，邵中兴．基于共焦腔的激光器纵模测量实验装置［J］．物理实验，2007，27（7）：31－33．

［4］ 许勇，胡朝晖，张书练．基于猫眼谐振腔激光器的激光基本特性综合实验系统［J］．物理实验，2008，28（4）：6－9．

［5］ Fu Jie，Zhang Shulian，Han Yanmei，et al．Mode suppression phenomenon in a mode splitting He－Ne laser［J］．Chinese Journal of Lasers，2000，B9（6）：499－503．

［6］ 张书练．激光纳米测尺原理［J］．中国工程科学，2005，7（3）：27－34．

［7］ 侯国屏．Lab VIEW7．1编程与虚拟仪器设计［M］．北京：清华大学出版社，2005：166－172．

［8］ 陈锡辉，张银鸿．Lab VIEW8．20程序设计从入门到精通［M］．北京：清华大学出版社，2007：87－89．