栾中岳，王淑艳，张耀文

（中国地质大学，北京 100083）

半导体激光器在大学物理实验中的应用

栾中岳，王淑艳，张耀文

（中国地质大学，北京 100083）

比较了半导体激光器（LD）与He-Ne激光器的特点及区别，将半导体激光器应用于阿贝成像原理和空间滤波实验、迈克尔逊干涉仪的调整和使用实验中。通过对实验数据分析指出：半导体激光器可以替代He-Ne激光器在大学物理实验中使用。

半导体激光器；阿贝成像原理；迈克尔逊干涉仪

半导体激光器（LD）是以半导体材料作为激光工作物质的激光器。它具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜，以及可高速工作等一系列优点。自问世以来发展极为迅速，在计算机光盘驱动器、激光打印机、全息照相、激光准直等许多方面都获得了重要应用［1］。He-Ne激光器作为一种单色性好、发光强度大、方向性强的光源，广泛应用于大学物理实验中［2］。曾金等人以LD替代He-Ne激光器作为光栅测波长实验的光源已见报道［3］。本文分析了阿贝成像原理和空间滤波实验、迈克尔逊干涉仪的调整和使用实验中对光源的要求，并比较了LD和He-Ne激光器的特点，论证了LD作为实验光源的可行性。最终通过对实验数据的分析加以证实。

1 实验原理

在迈克尔逊干涉仪的调整和使用实验中，点光源S经M1和M′2的反射产生的干涉现象，等效于沿轴向分布的两个虚光源S′1、S′2所产生的干涉。因从S′1和S′2发出的球面波在相遇的空间处处相干，故发生非定域干涉［12］，见图1。在实验过程中，我们所关心的是能否看到干涉条纹［4］。而光线的相干性及亮度是影响干涉条纹清晰度的主要因素。阿贝认为成像过程包含了两次衍射过程，见图2，它表示显微物镜的成像系统。采用相干光波垂直照明物体，可以把物体看作一个复杂的衍射光栅，衍射光波在透镜后焦面形成物体的夫琅和费衍射图样。这两次衍射过程也就是两次傅里叶变换的过程［5］。而光的衍射是光波相干叠加的表现，从本质上讲，衍射与干涉并无区别［6］。因此，阿贝成像原理和空间滤波实验中像的清晰程度也与光线的相干性及亮度有关。

图1 迈克尔逊干涉仪等效光路图

图2 阿贝成像原理图

综合以上分析可知，半导体激光器所发出激光的相干性及亮度是否符合实验需求，是其能否替代He-Ne激光器的关键。

产生激光的必要条件是实现粒子束反转，而为了实现粒子束反转就必须要有适合的能级系统的激活粒子。在这些激活粒子的能级中，首先必须要有激光上能级和下能级。半导体材料的导带和价带相应于二能级原子系统的上、下激光能级［7］。因此，适当波长的光与材料发生作用时，也有受激吸收和受激发射两种过程同时发生。当光通过一段工作物质时，只有受激辐射超过受激吸收，光才有可能被放大，进而才有可能产生激光。实现载流子反转分布是结型半导体激光器产生激光的必要条件，但并非充要条件。为了获得强相干激光辐射，半导体激光器与He-Ne激光器一样，也需要光学谐振腔。一般结型Ga As激光管利用与PN结平面相互垂直的自然解理面（110面）构成法布里－玻罗谐振腔［7，13］。由以上分析可知，LD与He-Ne激光器产生激光的原理相似，只是工作物质、激励方式和谐振腔结构有所不同。这些差异导致了LD与He-Ne激光器光学、电学特性的差别，见表1。

表1 两种激光器光电特性对比

由表1中数据可知，LD工作电压远远小于He-Ne激光器，使用时更加安全。其输出功率较大，可推测光束亮度较高。除此之外，LD体积（带外壳）仅为3.4 cm3，是He-Ne激光器的六十分之一，节省空间。由于LD壳体自带可调节透镜，见图3，在实验中可直接扩束，无需增加扩束透镜。在阿贝成像原理和空间滤波实验中可减少两次共轴调节，见图4。袁霞等人已证实，减少准直透镜后，频谱面上的空间频率与位置坐标的关系仍然保持不变［8］。同理，在迈克尔逊干涉仪的调整和使用实验中可减少一次共轴调节。

除此之外，激光器在大学物理实验中应用时，还应综合考虑其稳定性、成本、安全防护等问题。根据激光产品对使用者的安全程度，国内外均把激光产品的安全等级划分为四级［14］。He-Ne激光器输出功率5 m W左右，属于3a级激光，通常用肉眼短时间观察不会产生危害。半导体激光器输出功率10 m W左右，属于3b级激光，若长时间直视激光，会对眼睛造成伤害。但因其功率相对较小，漫反射光（扩束使用时）不会造成伤害。即便如此，使用LD时仍需适当降低其输出功率。目前，He-Ne激光器一套约1000元，而半导体激光器一套（自制）仅为100元，可降低成本约90%［15］。本文实验所采用的AL650T10型半导体激光器可连续工作5000 h以上，使用寿命较长。

图3 半导体激光器头部特写图

图4 阿贝成像原理和空间滤波实验简化装置图

2 实验及数据分析

实验采用AL650T10型半导体激光器，DN-1型He-Ne激光器，WDG-3型光栅光谱仪，FZ-A型辐照计，迈克尔逊干涉仪，20 L／mm一维透射光栅，焦距为190 mm的透镜。

图5 两种激光器产生激光的光谱图

此外，通过辐照计测量，LD产生的激光经扩束后，在一米外的辐照度约为He-Ne激光器产生激光的三倍（约为7.89 m W／cm2），光屏上可形成更加清晰的干涉图样，见图6。因此，即使出于安全考虑适当降低LD输出功率，仍然不会影响观察。实际试验中，连续使用24 h后，LD扩束光线辐照度基本保持不变。

图6 干涉图样

表1 He-Ne激光器进行阿贝实验数据

表2 半导体激光器进行阿贝实验数据

为检验采用LD替换He-Ne激光器后，实验数据是否具有显著性差异，进行F值检验（置信度90%）。此处仅列出对第一级次衍射数据的检验过程［9，10］：

He-Ne激光器

查置信度95%时的F值表，f1＝f2＝2，F表＝19，F＜F表，说明采用两种激光测得的数据精密度没有显著性差异，求得合并标准偏差为：查置信度90%的tα，1值表，f＝n1＋n2- 2＝4时，t0.1，4＝2.13。t＜t0.1，4，故两种方法间不存在显著性差异。即有90%的把握认为，采用LD后实验数据的精密度及准确度与采用He-Ne激光器相当。

为检验采用LD后是否引起较大系统误差，进行t检验（置信度99%）。波长标准值（以光栅光谱仪测量值代替）为λLD＝660.0 nm［9，10］。

表3 He-Ne激光器进行迈克尔逊干涉仪实验数据

表4 半导体激光器进行迈克尔逊干涉仪实验数据

查置信度99%的tα，1值表，f＝5时，t0.01，5＝4.03。t＜0.01，5，固¯λ与μ之间不存在显著性差异。即有99%的把握认为，采用LD后没有引起明显的系统误差。

3 结 论

本文分析了大学物理实验中两个使用激光光源的实验，通过对阿贝成像原理和空间滤波实验、迈克尔逊干涉仪的调整和使用实验的原理讨论后，得出成像的清晰程度与光源的相干性及亮度有关的结论。从原理、光电性能、成本、使用安全方面比较了半导体激光器与He-Ne激光器，通过对实验数据的分析，证实半导体激光器可以在以上两个实验中替代He-Ne激光器，从而简化了原有实验的装置及操作步骤。半导体激光器作为一种新型环保激光光源已获得广泛应用，其在大学物理实验中的应用指日可待。

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Application of Semiconductor Lasers in University Physics Experiment

LUAN Zhong－yue，WANG Shu-yan，ZHANG Yao-wen

（China University of Geosciences，Beijing 100083）

Comparing the characteristics and differences between semiconductor lasers（LD）and He-Ne laser，apply semiconductor lasers to the Abbe-Poter principle of image formation and spatial filtering experiment and the experiment of Michelson interferometer.Through analyzing the experiment data，we point out that semiconductor laser can replace He-Ne lasers in university physics experiment.

semiconductor lasers；Abbe-Poter principle；Michelson interferometer

O 441.1

A

1007-2934（2011）05-0039-05

2011-04-27