基于多纵模自混合效应的激光器腔体温度测量实验教学研究

吕 亮，胡 俊，张 耒

(安徽大学，安徽 合肥 230601)

大学物理实验教学中，特别是“牛顿环”、“迈克尔逊干涉仪”、“单缝衍射”、“超声光栅”等相关的光学实验一直是学生掌握波动光学知识的重要组成部分。而激光器作非接触测量的重要相干光源，是大学物理实验中多个光学测量相关实验的关键设备。在大学物理实验过程中，老师一般要求激光器需开启预热一段时间方可投入实验工作，但同学们往往不太关注其背后的物理原因，老师们也常常疏于讲解。根据教育部最新要求，大学物理实验教学目标[1]应达到激发学生兴趣，巩固学生理论知识，培养学生的实践能力、想象能力、创新能力和科学研究能力。为此，需更多采用开放式的、由学生参与和主导的、以及灵活多变的教学模式[2]，即要求同学们充分发挥主观能动性和创造性，在完成实验的基础上，进一步提出拓展的创新性方案，实现学生科学探究能力的提升。开发的“基于多纵模自混合效应的激光器腔体温度测量”教学实验成本较低、可拓展性强，利用温度对激光器谐振腔体引起的光程变化与多纵模激光自混合信号波形之间的内在联系，可实现激光器谐振腔体温度的实时测量。

1 实验原理

半导体激光器作为一种高相干光源，在工业、医学等领域均得到了广泛应用。激光器的核心元件谐振腔体的温度[2]是直接影响激光器的输出稳定性、可靠性以及使用寿命的重要参数，对其腔体温度的实时准确测量，是检测激光器健康运转的重要手段。

目前，对半导体激光器的温度进行监测的方法主要包括PN结特性测温法[3,4]、热敏电阻测温法[5]以及光纤光栅测温法[6-8]等。但上述方案响应时间长、结构复杂，成本较高，考虑到大学物理实验及专业实验教学的实际情况，根据教师讲解预热时间对激光器工作健康状态和检测精度影响的客观需求设计了“基于多纵模自混合效应的激光器腔体温度测量”教学实验。

该实验通过观察多纵模激光自混合振动传感信号的波形随激光器谐振腔体温度的变化情况，对激光器谐振腔温度进行实时测量。基本原理是多纵模激光器形成的激光自混合信号是各自纵模形成的激光自混合信号的强度叠加[9]，当外腔长度满足谐振腔光程整数倍的条件时，即各纵模模式的自混合信号保持相同相位或者相位延迟为2π整数倍，强度叠加后的自混合信号不存在波形分立。

Lext=mngL0

(1)

Lext为外腔长，m为激光器的外腔模式级数，ng为谐振腔内介质的群折射率，L0为激光器谐振腔腔长。初始时，激光器的腔体温度为T0，当外腔长度满足式(1)条件，强度叠加后的激光自混合信号不存在波形分立，如图1(a)所示，而当激光器谐振腔体温度变化为T0+δT后，各纵模模式激光自混合信号的相位延迟不再是2π的整数倍，强度叠加后的自混合信号产生波形分立现象，如图1(b)所示。此时，微调外腔长度即补偿外腔长度δLext，使各纵模模式激光自混合信号相位延迟再次变为2π的整数倍，强度叠加后的自混合信号将再次保持完整(不产生波形分立，如图1(c)所示)。最终通过实时测量补偿外腔长度，可获得半导体激光器谐振腔体温度的实时变化。其中，补偿外腔长度与半导体激光器谐振腔体温度关系如式(2)所示：

Time/s

(2)

因此，通过测量补偿外腔长度δLextm可获得激光器谐振腔体的相应温度变化δT，即可实现对激光器谐振腔体温度实时测量。

2 实验装置

多纵模半导体激光器腔体温度测量实验装置如图2所示。实验装置中，多纵模半导体激光器为待测激光光源，激光器中集成了光电二极管(Photo Diode：PD)，能够将光信号的变化实时转换为电信号，可在示波器上观察到实时变化的激光自混合振动传感信号。由于反馈光过强会导致信号波形畸变，对观察信号波形造成干扰，因此在实验中，为了控制反馈光强度，在光源和外界振动物体之间加入空间光衰减器，通过改变衰减器衰减幅度，实现不同的反馈光水平。外界振动目标为扬声器并附着平面反射镜，并通过信号发生器激励扬声器做正弦振动。其中，作为振动源的扬声器被安放在一维位移台上，并固定在导轨滑块上。通过调整滑块的位置可实现较大外腔长度的调节，进一步调节一维位移台上的千分尺可实现对外腔长度的精密调节。

图2 多纵模半导体激光器腔体温度测量实验装置图

具体实验操作流程图如图3所示，半导体激光器开启后，调节外腔长度至信号波形不发生分立，随着开启时间增加谐振腔腔体温度会逐渐上升，此时腔体温度变化会导致腔体长度、输出波长及增益介质折射率的变化，造成不同模式激光自混合振动传感信号相位延迟发生改变，进而造成叠加后的信号产生波形分立现象。此时，可通过微调激光器外腔长度即补偿外腔长度保证不同模式的振动信号再次恢复到等相位，使叠加形成的振动信号恢复成可观测的重合波形，记录外腔长度的变化量。最终，温度达到稳定状态，实验结束，根据完整自混合信号下对应的不同补偿外腔长度获得相应激光器腔体温度变化情况。

图3 多纵模半导体激光器腔体温度测量实验流程图

3 实验数据采集与处理

实际的谐振腔体温度测量中，叠加后激光自混合信号如图4所示，其中图4(a)为信号发生器的驱动信号，用以驱动反馈物振动。激光器的开启(初始温度为T1)，通过调节外腔距离(初始外腔长为286.00 mm)使初始激光自混合振动传感信号保持完整波形，如图4(b)所示。当开启一段时间后，激光器的温度升高为T1+δT，外腔长保持不变时，自混合振动传感信号发生了明显的波形分立现象，如图4(c)所示。实验操作人员微调节外腔的长度，将腔长改变成286.16 mm后，振动传感信号又从分立状态恢复为初始波形，如图4(d)所示。循环上述过程，通过对不同时刻的激光自混合振动传感信号完整波形进行实时追踪，调节补偿外腔长度，结合公式(2)，即可获得相应的激光器谐振腔体温度变化过程。

Time/s

在实验中，不同的m值会影响谐振腔体测量灵敏度和分辨率。所以，在实验思考和拓展部分，分别选取了m=66和m=140的不同外腔模式下，让同学们分别在上述外腔模式下对激光器的谐振腔体温度进行测量，测量结果如下图5所示。

Time/s

从图5可以看出多纵模半导体激光器腔体温度测量系统测量的温度变化区间大约为5K，同时，对于不同的m值而言，m值较大时，测温结果变化相对更加灵敏，温度分辨率较高，更符合半导体激光器开启后温度变化的真实情况。

4 分析与讨论

同学通过对基于多纵模自混合效应的激光器腔体温度测量实验的理解，结合相关基础知识以及软硬件操作，可验证m值对多纵模半导体激光器自混合信号测量激光器谐振腔体温度的影响及该温度传感方案的外腔变化灵敏度。在实际测温过程中，同学们可根据谐振腔温度测量系统的灵敏度需求选取合适的m值大小，以及选取微米平移台和纳米平移台等工具，重新设计实验，提高谐振腔的温度分辨率。此外，通过掌握测量腔体温度的实验原理，可以更改不同的传感材料以及测量环境，实现对其他相关物理量的测量，如液体浓度、电压强度等。

5 结 语

本文提出了一种基于多纵模激光自混合效应测量激光器谐振腔体温度的新方法，该方法结构紧凑，成本较低，操作简便，能够准确反映半导体激光器谐振腔内部真实温度。同学们可通过实时改变传感系统外腔的补偿长度，跟踪激光器谐振腔体温度所引起的激光自混合振动传感信号的波形变化，实现对激光器腔体温度的实时测量，掌握实验系统搭建，数据处理及实验结果分析等能力，实现科研基本素质以及创新能力的共同提升。同时该方法可推广应用于氦氖激光器、红宝石激光器、光纤激光器等不同类型激光器的谐振腔体温度测量，具有较广泛的应用前景。