方波信号发生器一．实验目的
通过实验，掌握激光调谐的原理和技巧，验证谐振腔理论和有关增益的概念，全面、深入的了解激光器的结构、特性、工作条件和相关理论。二．实验仪器 1.光学实验导轨：1000毫米一根
2.准直光源：二维可调半导体激光器，650纳米
3.5mW 一个
3.小孔光栏屏一个
4.激光管调整架：由两个二维调整架组成，可完成4个自由度的调整。 一个
5.半内腔氦氖激光管：波长633nm，最大输出功率≥2mW（硬封长寿命管）
一个
6.激光电源：稳流，电流可调，范围4.5-8毫安一个
7.二维反射镜架：精密细牙调整螺钉（含硬膜半反射镜）。一付 8.二维可调扩束镜一付高压智能环网柜
9.激光功率指示计：3位半数子表头，测量范围：200微瓦、2、20、200
毫瓦、可调档，含半导体激光电源。一套
10.显示屏：80毫米×100毫米一块三．实验原理
1、半导体发光原理
a.我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1 000 nm 以上的白连续光谱。
b.发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。 c.在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。这时发出的光，其波长基本上由能带
差所决定。
光的自发辐射、受激发射和吸收
补充知识与举例：
1)自发辐射---LED工作原理
a.如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子中占据低能带的电子被激
励到高能带后；
射锚杆挡墙
b.当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为 hv。
c.电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的器件叫 LED。
e.当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。因此，
这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。
f.同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不
同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。
因此，自发辐射的光是一种非相干光。
2)光接收器件原理
硬质合金车刀a.如果把光照射到占据低能带的电子上；则该电子吸收光子能量后，激励而跃迁到较高的能带上。
b.在半导体结上外加电场后（反向电压），可以在外电路上取出处于高能带上的电子，使光能转变为电流。这就是光接收器件原理。
受激发射和受激吸收(LD原理)
a.受激发射----能量等于导带和价带能级差的光所激发而发出与之同频率、同相位的光；
b.受激吸收----当晶体中有光场存在时，处在低能带某能级上的电子在入射光场的作用下，吸收一个光子而跃迁到高能带某能级上。在这个过程中能量保持守恒。
c.受激吸收的概率与受激发射的概率相同。
分析：
a.当有入射光场存在时，受激吸收过程与受激发射过程同时发生，哪个过程是主要的，取决于电子密度在两个能带上的分布。
b.若高能带上电子密度高于低能带上的电子密度，则受激发射是主要的，反之受激吸收是主要的。
c.激光器工作在正向偏置下，当注入正向电流时，高能带中的电子密度增加，这些电子自发地由高能带跃迁到低能带发出光子，形成激光器中初始的光场。
d.在这些光场作用下，受激发射和受激吸收过程同时发生，受激发射和受激吸收发生的概率相同。
LD 发射激光的首要条件---粒子数反转
若注入电流增加到一定值后，使v c N N >，受激发射占主导地位，光场迅速增强，此时的P-N 结区成为对光场有放大作用的区域(称为有源区)，从而形成激光发射。
半导体材料在通常状态下，总是v c N N <，因此称v c N N >的状态为粒子数反转。使有源区产生足够多的粒子数反转，这是使半导体激光器发射激光的首要条件。
LD 发射激光的第二个条件---光学谐振腔
a.另一个条件是半导体激光器中必须存在光学谐振腔，并在谐振腔里建立起稳定的振荡。
b.有源区里实现了粒子数反转后，受激发射占据了主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发辐射，频谱较宽，方向也杂乱无章。
c.为了得到单性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔。
LD 发射激光的第二个条件---受激发射使腔体得到的增益=腔体损耗
四．实验步骤
按实验讲义做好实验仪器安装。设备的调试主要是调整He-Ne激光器与半反射镜的相对位置关系，只有当谐振腔的两个反射镜均以激光器毛细管相垂直时激光才有可能产生。本实验的调试过程主要是用另一束半导体激光作为基准，用自准直的方法使激光振腔达到谐振条件，产生He-Ne激光。
1）打开功率指示计的电源，LD发生激光。
2）松开激光管调整架上的6个调整螺钉，使激光管处于自由悬挂状态。
3）调整LD的高度和方向，同时调整小孔屏高度和位置，使通过小孔的可打在He-Ne激光管的布氏窗中心区域。
4）将He-Ne激光器的半反射镜连同二维精密调整架放置的He-Ne激光管前的滑块上调整反射镜架的高度使激光大致打在反射镜的中心位置上，锁紧反射镜架。
5)前后滑动半反射镜，并注意光斑在半反射镜上的位置，并反复调整LD和小
孔光栏屏方向和位置，以使半反射镜在前后滑动的过程中，光斑始终位于半反射镜膜片的中心区域。这时LD激光束基本上与导轨平行，我们将以这条激光束作为基准来调整谐振腔。在实验过程中这个基准不应再变动。
6)取下He-Ne激光器反射架，这时LD激光束又会落在He-Ne激光器的布氏窗
上，通过激光器的玻璃外壳我们会看到这束LD激光是否进入毛细管（这时，He-Ne激光器光源应该处于“关”状态，以便于观察）。调整布氏窗这端的二维调整架，使LD光束进入毛细管，这时我们应可在小孔光栏屏上看见从He-Ne激光器的另一个反射镜回来的光，一般为环形。尽量使之明亮。
脱硫装置7)调整He-Ne激光器全反射镜端的二维调整架，小孔光栏屏上的反射光强度
和形状也随之变化，尽量使这个环形光斑变小、变强并成为一个亮点。
8）反复调整He-Ne激光器前后的两个二维调整架，使反射到小孔光栏屏的亮点尽可能对称、明亮，并重合于小孔，此时可认为毛细管基本以LD激光束（基准）相重合，全反射镜与LD激光束垂直
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