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光信息综合实验中光源的选择和性能改善
蒋凌颖，张冬仙，毛小兰，郑晓东
摘要：在光信息综合实验中．在分析氦氖激光器的优缺点的基础上，阐述了半导体激光器的显著优点以及存在的
一些局限性。利用实验室现有的器件，引导学生对半导体激光器进行了光束准直和整形以提高激光器的性能，并用已优
化的半导体激光器作为光源进行了全息光栅和全息透镜的制备以及电光调制和液晶光阀等实验。结果表明，性能改善
的半导体激光器xx可以取代氦氖激光器，可满足光信息综合实验的要求。在整个设计制作过程中，培养了学生分析问
题和解决问题的能力。
光源是光信息综合实验中必不可少的关键器件⋯，其质
量和性能的好坏直接影响到实验的效果。由于激光光源在单
色性、方向性和相干性等方面的优势，因此在我们的实验中，
使用最多的光源是激光器。
氦氖激光器作为一种传统的光源幢J，输出模式稳定(单
模)，单色性、相干性好，发散角可以达到lmrad以下，易于准
直，但是外界震动以及温度和湿度的变化对其输出光功率影
响较大，如果一段时间不使用，常常会发生不能正常发光的情
况，寿命相对较短，外形尺寸庞大，需要高压激励，价格较高，
由于实验涉及的激光器数量众多，激光器的频繁故障给实验
教学的正常开展带来诸多困难，并且维修起来非常不方便。
半导体激光器(Laser diode，LD)具有体积小，重量轻、效
率高、价格低、寿命长、使用方便等一系列优点，是取代He-Ne
激光器的理想光源【卜5J。
因此，我们让学生尝试用寿命长，工作稳定的LD取代传
统的氦氖激光器，并用实验证明这种做法的可行性。
2 LD光束的整形与准直
LD由于其体积小、结构简单、重量轻、功耗低、寿命长和
可直接调制等优点，在激光雷达、激光通信、激光照明、激光测
量以及高密度信息记录和读取以及生物医学等方面得到了广
泛的应用。但由于LD采用非对称xx通道，由端面发射的
激光束具有较大的发散角，在平行及垂直方向的全角发散角
分别在10。～20。和30。～60。范围【6J，其输出光斑一般为椭圆
形。结构及特性参数决定了其快、慢轴方向上的光束质量非
常不均衡，另外，由于半导体激光器粒子数反转分布发生在由
许多能级组成的导带和价带之间，其带宽比He-Ne激光器要
宽许多，因此LD的单色性和模式的空间分布不理想，在直接
用未校正的LD进行拍摄获得的全息片上，除所需要的信息
之外，还叠加了一些不应该出现的斑点。
因此需要对光束进行整形、准直等处理。目前国内外有
各种各样的整形方案【7'8J，我们在指导学生充分了解各种技
术方法的基础上，尝试用实验室现有元器件进行设计并搭建
整个系统。
2．1椭圆型光束的整形
根据半导体激光器的特性，目前国内外报导的整形方法
主要有双平面反射镜法、阶梯反射镜法、多棱镜阵列法、棱镜
组整形法、柱面透镜整形法、微片棱镜堆整形法、衍射微透镜
法及闪耀光栅阵列等来实现光束整形。综合各种方法，我们
采用一对直角棱镜来进行整形，将半导体激光器输出的椭圆
型光斑通过两个匹配好的楔形棱镜(图1)转换为圆形光斑。
改进激光器输出光束波面的位相不均匀性。图2为未加整形
棱镜的出射光斑，图3为加整形棱镜后的出射光斑。
2．2单色性改善
光信息综合实验中光源的选择和性能改善
图1光束整形棱镜图2未加整形棱镜出射的光斑
由于半导体激光器的谱线宽度较之He-Ne激光器要宽，
因此其单色性较差。为了改善单色性，需要选择单色性好的
半导体激光器，我们曾经考虑购买单纵模半导体激光器，但由
于其价格较高而取消，所以我们在现有的条件下均衡了立体
光栅法和偏振棱镜法，最终选择偏振棱镜法去除除基模之外
的高次模(图4)，获得了性能优良的单色光。
’图3光束整形光
学系统实物图
2．3光束准直
图4偏振棱镜法
改善LD的单色性
在半导体激光器的实际
应用中，光束准直几乎是不可
缺少的步骤，综合国内外对半
导体激光器光束准直方法的
报道，可归纳为：单透镜法、组
合透镜法、渐变折射率透镜
法、液体透镜法、反射法、衍图5半导体激光器的准直
射法等，实验中学生采用的是组合透镜法(图5)，获得了满意
的效果。
3实验验证
我们用性能已经改善的LD来进行一系列光信息综合实
验。
图6为用LD制作全息光栅的实验装置图；图7为用LD
制作全息透镜装置；图8Ca)和图8(b)分别是用LD和He-Ne
激光器用图6的装置所制得的全息光栅衍射图；图9(a)和图
9(b)分别为用LD和He-Ne激光器用图6的装置制得的全息
图6用LD制作伞息图7用LD制作全息
光栅的实验装置透镜的实验装置
光栅的显微结构。从以上的8张图中可看出，用LD制作的全
息光栅和全息透镜的效果比用He—Ne激光器所制作的光栅
和透镜的效果要好。
图12是用LD进行液晶光阀的实验。
以上这些实验得到了成功实施，获得了相应的实验现象。
这说明用LD取代He-Ne激光器在光信息综合实验中是xx
可行的。
图8 图9
(a)LD制作的光栅衍(a)LD制作的光栅微
射图；(b)He-Ne 结构；(b)He-Ne
制作的光栅衍射图。制作的光栅微结构。
图10(a)和图10(b)分别是用LD和He-Ne激光器用图7
的装置制得的全息透镜衍射图；而图11Ca)和图11Cb)分别为
用LD和He-Ne激光器用图7的装置制得的全息透镜的显微
结构。
图10
(a)LD制作的透镜衍
射图；(b)He-Ne制
作的透镜衍射图。
4结论
本文详细比较了两种
常用激光光源的性能特
点。基于LD的激光器具
有其他激光器无可比拟的
一些优点，提出了用LD全
面替代He-Ne激光器进行
光信息综合实验的方法。
指导学生全面了解LD的
图11
(a)LD制作的透镜微
结构；(b)He-Ne制
作的透镜微结构。
图12用LD进行
液晶光阀实验
优缺点以及如何改善LD性能的各种方法，并在现有实验室
条件下，动手设计光路系统达到改善LD性能的目标，并用一
系列实验进行了可行性验证，获得了成功。学生在整个设计、
调整、验证过程中，兴趣很大，积极性很高，从中感受到了研究
的乐趣，也学到了分析问题、解决问题的方法。