随著雷射开机时间越久【精品文档】

随著雷射开机时间越久【精品文档】 隨著雷射開機時間越久,共振腔的熱度逐漸升高,這時,由於熱膨脹的影響,共振腔的長度及形狀均將產生變化。 為了維持共振腔長度的穩定,一般作法有二:一是選擇剛性大,膨脹係數小的材料,二是利用感測器測得共振腔變形量,再利用 PZT 帶動反射鏡片補償回來。 圖9 (A) 所示氦氖雷射系統是一種簡單光學設施 ,也是世上第一部氣體雷射之光學設施,它的前後反射鏡直接黏貼於函封活性介質的玻璃管上,一旦光軸跑離開,很難挽回,並且它的輸出光束也沒有偏極的特性。圖9 (B) 所示雷射系統則是目前常見的氦氖雷射光學設施。 圖9(A) 簡單雷射光學系統 1 圖9 (B) 目前常見的氦氖雷射光學設施。 光可視為一種電磁波,當其前進時,振動方向四面八方都有,因此光之振動方向常為大眾所忽略 ,欲使光之電磁振動方向只發生在一個平面內,通常使用引起偏振的器件,簡稱為”起偏器”或”偏光鏡”來工作,這種只在一平面內振動的光稱為偏振光 ,偏振光除了存在於通過偏光鏡後的光場中之外,同時也出現在一平面之漫射光場中、以及通過一入射角為布魯斯特角的平面之反射及穿透之光場中 。一般雷射之共振腔係採用後者之原理來獲得偏振光,它的起偏方向(polarizing direction),或起偏軸(polarizer axis) 則視布魯斯特窗的傾斜方向而有水平及垂直偏振兩種佈置, 一般載明於雷射製造商之規格手冊中。如果振動只發生在一個平面內,則在光電量測時易於用數學方程式來描述,而利於被吾人使用。 由於雷射光束在共振腔來回振盪的結果,因此只要是不符合在共振腔形成駐波的條件之光束,都將不能形成雷射光束,在圖10 中,電漿氣體管的兩端形成布魯士特窗,因此便使得只有一個偏極方向的光能夠留存下來。 2 圖10 布魯士特窗 圖11 布魯士特窗造成有偏極的特性之雷射光 圖11 中的雷射光雖然有偏極的特性,但如果活性介質本身有很多能階可以滿足居量反轉的話,則能滿足這種共振條件的波長之雷射光仍然很多,因此在雷射輸出後,放置一個三稜鏡,將看到輸出光束被分成多道光束的結果。 正由於三稜鏡本身有分光的功能,因此我們也可以把它擺在共振腔中,利用它把每道不同波長的光分開來,再利用全反射鏡來將所要求的波長反射回去,形成共振駐波,而其它的波長,則在反覆振盪中消失,如圖12 。 3 圖12 有單色的特性之雷射光 共振腔加入了稜鏡之後,雖然出現了單色光,但它在頻譜上的寬度仍然很大,這時唯有藉助 ETLON :亦即標準具: 的幫忙了,如圖13 。 ETLON 其實就是一種Fabry-Perot 干涉儀。 圖13 加上 ETLON 之後的雷射 加上 ETLON 之後,可以使得輸出的頻寬大為縮小,就好像在雷射共振腔中再加入一個小共振腔一般。如圖14 ,即是離子氣 體通常的多縱向模態(multilongitudinal mode)下的頻譜分佈,每個縱向模態之間 格為c/2L,c 為光速, L 為共振腔長度, 多縱向模態其頻寬約為5GHZ左右, 加了ETLON之後,形成單縱模狀態(singlelongitudinal mode,或 single frequency),其頻寬只有3MHZ。加 ETLON 前後,其頻寬相差數千倍,這也就是為什麼雷射加入 ETLON 後同調長度變長的原因。 雷射光場強度的操作,一般可分為電流控制和光場控制如圖15 所示,在原先的佈置中,前反射鏡片外面再加入一個分光鏡,將一小部分的光束引至一個光電(photocell) 中,如果光場強度有變化時,由光電盒將信號送入雷射的電源供應器,直接調整其電流,以達到穩定的光場強度。 4 圖14 離子氣體通常縱向模態的頻譜分佈 圖15 雷射光場強度的控制 五〃幾個實務問題 上述的光學安排由簡而繁,初看起來很難想像它們實際工作的情形, 如圖2-16 所示, 實際的雷射共振腔之光學安排令人眼花撩亂, 因此在此介紹雷射加上 ETLON 的實際安裝工作, 從ETLON 在雷射上面的安裝過程中,我們可以更清楚的了解雷射共振腔的一些光學安排。ETLON 的安裝過程如下: ,〃取下雷射蓋,將雷射安全銷裝上,使內部線路仍能保持通路。 ,〃按下雷射啟動開關,如果雷射光未出現,表示光軸跑離太多,須進行大調整動作。 5 圖16 實際的雷射共振腔之安排 ,〃先取下 ETLON 檢查共振腔後面的全反射鏡部份是有加入稜鏡的單模狀態或是多線:頻:輸出 (multi,line) 狀態。 ,〃一面掀動後面全反射鏡,使其沿垂直方向掃下來,一邊調整圖17 之水平方向調整螺絲,如果水平方向的位置是正確時,則在掀動全反射鏡垂直掃下時,將會出現光點閃動。 6 圖17 雷射共振腔後面水平方向及垂直方向整螺絲 ,〃接著調整波長選擇鈕: 令反射鏡之反射面恰使某道波長循原方向反射回共振腔:,直至雷射光出現。 ,〃繼續調整水平方向螺絲,直至雷射輸出功率最大。 ,〃在前面雷漿氣體管之布魯斯特窗前下方放一張白紙,將光點調整至中央,且使其收斂在一處。 ,〃裝上 ETLON, ETLON 上面有恆溫控制的裝備,因此必須注意其接頭之方向。 ,〃利用原先那張白紙,再繼續調整至光軸出現,用扳手裝ETLON 調至雷射輸出功率最強處,此時之功率應該與未裝 ETLON 時相差不多。 ,,〃接著按著使用手冊的說明,旋轉ETLON:例如逆轉3/4圈:,此時ETLON開使作用,雷射能量減少約一半,但其共同調長度則大增。 在此要附帶說明的是,如果在第,動的光點調整未在中央,則光強度會衰減很多,而在調整的過程中,如有”嗶”的一聲,可能是離子雷射中之高壓氣體管 7 正自動向雷漿氣體管內充氣,”嗶”聲音為雷磁閥開啟的聲音。 在實驗上,紅寶石脈衝雷射有極高的峰值輸出功率,經聚焦後之雷射功率密度足可造成針孔之損傷,因此一般不使用空間濾波器,而改用負焦距之透鏡組以擴束雷射光。至于脈衝雷射輸出功率測量計也與一般功率測量計不同,用來測量 ,, 雷射的功率計大都使用矽光電池加上電流放大器來操作,而測量脈衝雷射的功率計需使用積分器以求取在 nano second 數量級之時間內脈衝雷射的輸出能量。 在從事光電量測實驗時,有必要先對量測實驗中所使用的雷射光束從事GAUSS 分佈測定及擴束角測定,以瞭解雷射光束之能量分佈狀況,以及明白雷射光束之發散角情形。如前所述 ,雷射共振腔中產生的光束具有特殊的結構。它既不同於點光源發出的球面波,也不同於平行光的平面波,而是一種特殊的高斯光束( Guassian Beam ),它在共焦腔的中心處是強度為高斯分佈的平面波,在其它地方則是強度為高斯分佈的球面波。 TEM雷射光束的高強度高斯分佈曲線 ,因為光束的強度在邊緣部份逐漸 00 減小,所以要詳細的指出光強度到零值點的光束直徑是不切實際的。所以通常就 1定義 ”光束直徑(beam diameter)” 值為 ”在邊緣光強度為最大強度時的2e值時,光束兩邊緣間的距離”。並定義光束的”斑點大小 (Spotsize)”(w) 值 1為 ”從最大光強度點到強度點的距離”,這兩個定義提供雷射光束大小的一2e 般量測標準。一個連續雷射光束的發散程度,可以經由測量雷射共振腔外之光束上任意兩點的光束直徑來代入下面方程式獲得雷射全發散角:圖18 :: 8 圖18(A) 雷射光束的半發散角 圖18(B) 雷射光束的全發散角 D2,D1,, L2,L1 D=點1的光束直徑 D=點2的光束直徑 L=點1到雷射的距離 L=點2到雷射的距離 ,, 的單位為rad,的單位只要一致即可,對很小的值時此方程式才適合, ,但大部份的雷射的值均很小。 接著談到了量測系統選擇何種雷射作為光源的問題,檢測器典型的響應是從波長350到1100nm,響應峰值是在700至900nm左右 。檢測器的響應特性使 我們可選擇多種光源,如氦氖雷射:波長632〃8nm)、半導體雷射:常見的波長780nm以上:等,長距離測量用氦氖雷射做光源,如圖2-19,由於氦氖雷射之輸出頻譜遠比半導體雷射優良,因此雖然半導體雷射越來越便宜,仍有許多場合非氦氖雷射不可。若做其他測量:如短距離測量:則用半導體雷射,特殊大面積或長距離的量測用離子雷射,動態量測用紅寶石(Ruby)雷射。茲將各種光源應用之例作一比較,如下所示: 因此,可歸納出量測系統之應用範圍及其所使用之光源: 9 圖19氦氖雷射與半導體雷射之輸出頻譜 刀具安裝 使用紅外線半導體雷射 旋轉物監測 使用紅外線半導體雷射 振動 使用紅外線半導體雷射 雷射安裝及偏移測量 使用紅外線半導體雷射 10 表面輪廓量測 使用紅外線半導體雷射 導引系統 使用氦氖雷射 百公尺數量級以上之校直 使用氦氖雷射 機器人全像檢測 使用離子雷射 熱流場分析 使用紅寶石雷射 如果諸君對於光電量測的實驗有興趣,不妨考慮購入一部氦氖雷射:中古的、便宜的約只有3000-4000元新台幣:或是教學用的雷射指示器(laser pointer) :新的一部便宜的約1000-1500元新台幣:,那便可以從事許多量測研究了,諸如麥克森(Michelson)干涉儀、麥克詹達(Mach-Zehender)干涉儀、三角(Triangular)干涉儀、單狹縫及光柵繞射、光譜儀、細線的外徑量測設備以及光學應變規〃〃〃〃〃〃等等既經濟又會感到很有收穫的研究。 11