11 实验十一 He-Ne激光器实验

实验 He-Ne 激光器性能参数的测量一、目的1．了解He-Ne 激光器的结构和各部分的作用；2．改变工作电流，观察电流和输出功率的关系；3．了解F-P 扫描干涉仪的结构和性能，掌握它的使用方法，观察激光He-Ne 激光器的输出频谱；4．学会测量输出激光偏振特性的方法。

二、原理1．激光器的调试原理激光器的调试原理是用LD 发出的光作为基准光线，使He-Ne 激光管放在该基准光线上，然后使耦和输出镜也放在该基准光线上，当激光谐振腔满足谐振条件，才能产生He-Ne 激光。

调整He-Ne 激光器与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准直时，激光才有可能产生。

2．He-Ne 激光器的模式结构激光器的谐振腔具有无数个固有的、分离的谐振频率。

不同的谐振模式具有不同的光场分布。

光腔的模式可以分解为纵模和横模，它们分别代表光腔模式的纵向光场分布和横向光场分布。

用模指数q n m ,,可表示它们不同的模式。

由无源谐振腔理论，得 )]}1)(1arccos[()1(22{421R L R L n m q L c mnq --++π+η=ν (1-1) 式中，η为介质折射率；c 为真空中的光速；L 为腔长；1R 和2R 为谐振腔的两反射镜曲率半径；q 为纵模指数，一般为很大的整数；n m ,为横模指数，一般为⋅⋅⋅,2,1,0，当0==n m 时为基横模，其对应光场分布在光腔轴线上的振幅最大，从中心到边缘振幅逐渐减小，当00≠≠n m 或时，称为高阶横模。

当n m ,相同时，即对于同一阶横模，相邻纵模间隔是等间距的，其频率差为：Lc mnq q mn η=ν-ν+2)1( (1-2) 对于不同纵模（即q 值不同），虽对应不同的纵向（沿腔轴线方向）光强分布，但由于不同纵模光强分布差异极小，从光斑图样无法分辩，只能根据不同纵模对应不同频率来分析。

设对于某个纵模，其频率为：q L c q η=ν2，则不同纵模间的频率差q L c q q q ∆η=ν∆∆+2, (1-3)由于各种因素可能引起谱线加宽，使激光介质的增益系数有一频率分布，如图1.1所示，该曲线称为增益曲线。

氦氖激光器实验报告《氦氖激光器实验报告1》哎呀，老师说要做氦氖激光器实验的时候，我心里就像揣了只小兔子，既兴奋又紧张。

“这可是个超级酷的实验呢！”我对同桌说。

同桌眼睛放光，回应道：“是啊，感觉就像要去探索神秘宝藏一样。

”就像每次生日拆礼物的时候，那种期待感满满当当的。

那天走进实验室，各种仪器摆在那里，灯光有点暗黄，像是在暗示着这里即将发生神秘的事情。

我和同桌小心翼翼地走向放置氦氖激光器的地方，那感觉就像两个小探险家靠近神秘的魔法盒。

实验开始了，我们按照步骤连接线路。

“这根线插这儿对吗？”我有点不确定地问旁边的小组同学。

“我觉得是这样的。

”他挠挠头说。

这就像我们在玩拼图，每一块都得小心翼翼地放对位置。

当我们接通电源的那一刻，激光器发出了微弱的光，那光线就像黑暗中好不容易钻出来的小豆芽，那么微弱却又充满希望。

我忍不住欢呼起来：“哇，成功了一小步呢！”大家都笑了起来，那种喜悦就像在炎热的夏天吃到了最爱的冰淇淋。

这个小小的成功让我明白，哪怕是再复杂的事情，只要一步一步来，总会有收获。

《氦氖激光器实验报告2》“氦氖激光器？这名字听起来就很高级！”我刚听到这个实验项目就对朋友大喊。

朋友说：“那肯定超级有趣，就像科幻电影里的东西。

”就像我们看《星球大战》时对那些炫酷的激光武器充满向往一样。

来到实验室，那股淡淡的化学药品味道弥漫在空气中，有点刺鼻却又很熟悉，像是在提醒我这是个充满挑战的地方。

我看着那复杂的仪器设备，有点犯愁。

“这么多东西，从哪儿开始呢？”我嘟囔着。

这时老师走过来，拍拍我的肩膀说：“别慌，就像搭积木，一块一块来。

”我深吸一口气，开始摆弄那些仪器。

在调节镜片的时候，我和小组成员产生了分歧。

“我觉得应该往这边转一点。

”我坚持说。

“不，我觉得那边才对。

”他反驳道。

这就像拔河比赛，双方都不肯让步。

最后我们决定试一下我的方法，结果发现光的准直度更好了。

那一刻我特别开心，就像赢得了一场重要的比赛。

我懂得了在团队里，有时候要勇敢地坚持自己的想法。

He-Ne 激光器高斯光束腰斑测量一、实验目的1、加深对高斯光束物理图像的理解；2、加强对高斯光束传播特性的了解；3、掌握用CCD 法和刀口法测量高斯光束光斑大小；4、了解并掌握远场发散角的定量测量方法； 二、实验设备He-Ne 激光器、激光电源、光功率计、滤光片、衰减片、CCD 相机、光学光具座、示波器、数据采集卡、计算机等。

三、实验原理（一）CCD 测量法实验系统结构如右图所示：实验中，将光具座导轨上的CCD 相机沿着激光传播方向均匀移动，实时地记录CCD 相机在光具座标尺上的不同位置以及对应的纵向平面上的光斑尺寸。

光斑半径ω(z )---定义为在光束传播方向上z 处的横截面内圆形光斑半径，可表示为()2201,z z λωωπω⎛⎫=+ ⎪⎝⎭（1） 利用公式（1）可得 ()22001,z z ωπωλω⎛⎫=- ⎪⎝⎭（2）对于两个不同的位置12,z z ，有 222012120011,z z πωωωλωω⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎢⎥-=--- ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦（3） 即： ()2222010200.z g ωπωωωωωλ⎡⎤∆=---⎣⎦ （4） 以()()000.01z g z g ωω∆-<∆+（若对精度有更高要求，可适当增加小数位数）为判据，选择适当步长逐步减小测量所得的最小光斑半径，将每次减小后的光斑半径值与测量所得任意两个刻度处的光斑半径叠带入式（4），运用光腰判据进行光腰半径的求解；同时利用0z 2z 22limπωλθθ==∞→）（可求解出远场发散角。

（二） 刀口测量法 1、实验装置如图所示2、实验原理：相比于CCD 法，刀口法适用于高功率激光的质量分析。

在理论上是根据光腰的定义（强度的21/e ）即能量下降到中心光斑能量的86.5%来测量。

但是由于刀口方向（Y 轴向）的积分范围的扩大，光束腰的界定一般以能量下降到95.4%为准。

所以在高斯激光束束腰处横截面内的强度分布可表示为：()()2202222,exp ,s s x y P I x y πωω⎡⎤+⎢⎥=-⎢⎥⎣⎦（5） 式中0P 为激光的总功率，s ω为按照强度21/e 所定义的腰斑半径。

He-Ne激光器最佳放电条件【摘要】本次实验是利用真空系统，通过研究He-Ne激光器的总气压，He、Ne的配气比和激光的放电电流对激光器的输出功率的影响从而寻找激光器的最佳放电条件。

实验中发现随着总气压，He、Ne的配气比和激光的放电电流的改变，激光的输出功率有一个极大值。

在实验数据中得到激光器在总气压为353Pa，P He:P Ne = 5.5：1，放电电流I = 7.5mA时，输出功率达到一个最大值3.95mW。

关键词：He-Ne激光器，总压强，放电电流，配气比一、引言He-Ne激光器是一种用途极为广泛的光学器件，是以He、Ne混和气体为工作物质，采用放电激励的工作方式产生一定工作频率的激光器。

其输出功率与放电条件（如气体的配气比、气体总压强、放电电流等）有密切的关系。

而研究He-Ne激光器的最佳放电条件对于制作和使用激光器来说是十分重要的。

本实验主要研究气体总压强和工作电流对He-Ne激光器的输出功率的影响，从而寻找最佳的放电条件。

二、实验原理：1、内腔式He-Ne激光器的结构图一、内腔式He-Ne激光器的结构其结构如图一所示，激光器由谐振管和放电管组成。

谐振腔由两个反射镜构成，放电管中央是毛细管，是对激光产生放大的区域。

光在其中传播一个单程的增益为G(ν)·l。

而G(ν)反比于毛细管的直径d，但是激光管不能做的太细，否则会增大光衍射的损耗并且限制输出总功率。

毛细管外较粗的管子为储气管，其直径通常为2～5cm 。

储气管与毛细管的气路是相通的，主要用于稳定毛细管内部的工作气压，稳定激光的输出功率和延长其寿命。

由于工作电压很高（一般在4000~8000V ），会引起离子撞击电极材料，尤其是正离子引起的阴极材料的溅射和蒸发会使工作气体压强不断减小，污染谐振腔的反射镜，降低其反射率，所以一般选溅射较弱的Al 作阴极。

2、放电条件对激光输出功率的影响（1）总气压由于自由程与总气压成反比，所以总气压降低时电子的自由程λ增大，电子动能增加，利于粒子数反转，但是如果总气压太小，会使原子数密度降低，总的反转的粒子数减少，这样激光器输出的总功率就降低了。

实验报告课程名称： 指导老师： 成绩：__________________ 实验名称： He-Ne 激光器与激光谐振腔 同组学生姓名一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求本套实验装置的核心He-Ne 激光器，采用的是一种半内腔结构，激光器的一个全反射镜与毛细管、储气套等做成一体，并在出厂前将全反射镜与毛细管调至垂直。

而另一个半反射镜则被安装在一个精密二维调整架上，可灵活移动。

通过一准直光源调整激光管和半反射镜，使之产生激光。

用激光功率计检测这束激光并进一步调整膜片使之达到最佳状态（功率最大）。

观察光斑大小和光强分布。

用扫描干涉仪观察其纵膜的频谱分布情况。

调整工作电流，观察输出功率的变化。

重复移动半反射镜并重新使之达到最佳状态，观察光斑大小和分布变化，记录功率，用干涉仪观察纵膜，比较前后变化，分析腔长对功率、纵膜、横膜、发散角、束腰、腔型的影响。

在激光管与半反射镜之间插入一可调损耗，使之与增益刚好达到平衡，通过对损耗的测量，求得 激光管的增益。

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、深入地了解激光器的结构、特性、工作条件和相关理论。

二、 实验内容和原理1.改变工作电流，观察电流与输出功率的关系。

（在超过5mA 的大电流时，工作时间不可过长。

） 2.腔长与激光功率、横模、纵模、束腰、发散角的关系1）设备调试完成后，用功率计测量其最大功率。

用显示屏在全反射端一定距离处（2-3米）观察光斑的大小和形状，光斑的大小反应了发散角的大小，光斑的形状即为激光的横模。

观察半反射镜上的光斑（束腰）大小。

在半反射镜端装上F-P 扫描干涉仪探头，观察纵模情况。

装订线专业： 姓名： 学号：日期： 10.21 地点：2）松开反射镜架滑块上的螺钉，移动反射镜，在适当位置上重新锁紧，以改变谐振腔的腔长和腔型。

He—Ne 激光器的最佳放电条件实验报告摘要：本实验利用真空系统，配以复合真空计、激光电源以及数字激光功率计研究He—Ne 激光器的最佳放电条件。

实验中配置了He、Ne混合气体，使得:7:1H e N ep p 。

保持气配比不变，改变气体总压强，对于每个压强值，分别测量输出光功率和压强值的关系，得到：对于每一个压强，都存在一个最佳放电电流，且随着总压强的降低，最佳放电电流的数值呈上升趋势；且随着压强的改变，激光器的输出功率存在极大值。

关键字：He—Ne激光器、输出光功率、压强、真空一，引言激光是20世纪60年代的伟大发明。

它的诞生影响到自然科学的各个领域。

激光是受激辐射光，所以它具备与普通光源不同的性质，即极好的方向性、单色性和极高的亮度。

He—Ne激光器是以He、Ne混合气体为工作物质，采用放电激励方式工作的激光器，其激光输出功率与放电条件（气体总压强、气体的配比、放电电流等）有密切关系。

研究它的放电条件对于制作和使用He—Ne激光器来说都说非常重要的。

本实验通过配置He—Ne激光器的工作气体，研究放电条件对激光输出功率的影响，从而进一步了解He—Ne激光器的工作原理和最佳放电条件，掌握真空与充气技术。

二，实验原理1，内腔式He—Ne激光器的结构内腔式He—Ne激光器由谐振腔和放电管组成，如图1.谐振腔由两个反射镜R1R2组成。

激光通过反射率较低的腔镜耦合到腔外，该镜通常称为输出镜。

放电管中央的细管为毛细管。

毛细管中充有He、Ne混合气体，是对激光产生放大的区域，毛细管的几何尺寸决定了激光的最大增益。

套在毛细管外面较粗的管子为储气管。

储气管与毛细管的气路相通，主要作用是稳定毛细管内的工作气压、稳定激光器的输出功率和延长其寿命。

图中，K为阴极，A为阳极。

电极的质量直接关系到激光器的寿命。

He—Ne激光器工作时，毛细管要进行辉光放电，受电场加速的正离子撞击阴极会引起阴极材料的溅射与蒸发。

He—Ne激光器一般采用直流高压放电激励方式。

实验十一迈克耳孙干涉仪的调整与使用【实验目的】1．了解迈克耳孙干涉仪的原理、结构和调整方法。

2．观察等倾和等厚干涉条纹，了解其形成条件、条纹分布特点及条纹的变化。

3．测量He-Ne激光的波长。

【实验原理】1．迈克耳孙干涉仪的光路如图5.4-1所示，图中M1和M2是二个精密磨光的平面镜，置于相互垂直的两臂上。

在两臂轴相交处，是一个与两臂成45°角且两面严格平行的平面玻璃板G1，其背面镀有一层半透半反膜，称为分束板。

G2与G1平行放置，其厚度和折射率与G1完全相同，但表面没有镀图5.4-1迈克耳孙干涉仪的简单光路层，G2称为补偿板。

从图中看出，光源S发出的光在G1后表面被分为光强近乎相等的反射光束（1）和透射光束（2），两束光经反射后，共同向E处传播并发生干涉。

反射镜M2是固定的，M1可沿臂轴方向移动，M2被G1反射所成的镜像M2′位于M1附近，光束（2）也可以看作是从M2的虚像M2′反射来的，用M2′代替M2讨论问题，两束光光程不受影响。

这样，可直观地看出两束光在到达观察屏E处时的光程差与M1和M2′间的“空气薄膜”的厚度d有关，即M1所处位置是影响光程差的因素之一，这种干涉相当于“薄膜”干涉。

光束（1）到达E处时，共通过了G1三次，而光束（2）只在未分出前与光束（1）同时通过G1一次，另外两次则由穿过G2两次来得到补偿。

这样，两束光在玻璃中的光程相等，因此计算两束光的光程差时，只需考虑它们在空气中的几何路程的差别。

此外，用白光照明时，若只有G1，则因为玻璃的色散，不同波长的光因折射率不同而产生的光程差无法用空气中行程弥补，而G2板的加入就能补偿各色光的光程差以获得白光的零级干涉条纹。

白光的干涉条纹在迈克耳孙干涉仪中极为有用，能够用于准确地确定零光程差的位置，进行长度的精确测量。

在迈克耳孙干涉仪中，两束相干光分得较开，这便于在任一支光路里放进被研究的对象，通过白光零级条纹位置的改变来研究所放入物质的某些物理特性，如气体或其它透明物质的折射率、透明薄板的厚度等。

He-Ne激光器高斯光束腰斑测量实验He-Ne激光器高斯光束腰斑测量一、实验目的1、加深对高斯光束物理图像的理解；2、加强对高斯光束传播特性的了解；3、掌握用CCD法和刀口法测量高斯光束光斑大小；4、了解并掌握远场发散角的定量测量方法；二、实验设备He-Ne激光器、激光电源、光功率计、滤光片、衰减片、CCD相机、光学光具座、示波器、数据采集卡、计算机等。

三、实验原理（一）CCD测量法实验系统结构如右图所示：实验中，将光具座导轨上的CCD相机沿着激光传播方向均匀移动，实时地记录CCD相机在光具座标尺上的不同位置以及对应的纵向平面上的光斑尺寸。

光斑半径ω(z)---定义为在光束传播方向上z处的横截面内圆形光斑半径，可表示为（1）利用公式（1）可得（2）对于两个不同的位置，有（3）即：（4）以（若对精度有更高要求，可适当增加小数位数）为判据，选择适当步长逐步减小测量所得的最小光斑半径，将每次减小后的光斑半径值与测量所得任意两个刻度处的光斑半径叠带入式（4），运用光腰判据进行光腰半径的求解；同时利用可求解出远场发散角。

（二）刀口测量法1、实验装置如图所示2、实验原理：相比于CCD法，刀口法适用于高功率激光的质量分析。

在理论上是根据光腰的定义（强度的）即能量下降到中心光斑能量的86.5%来测量。

但是由于刀口方向（Y轴向）的积分范围的扩大，光束腰的界定一般以能量下降到95.4%为准。

所以在高斯激光束束腰处横截面内的强度分布可表示为：（5）式中为激光的总功率，为按照强度所定义的腰斑半径。

对于高斯光束，场并不是局域于的范围内，如上图所示，在Y方向上应延伸到无穷远，只是在的区域内光强很弱。

以为半径的范围内的光强占总光强的百分比为：所以以为半径的范围内的光强能量占总光强能量的86.466%。

如果按照刀口测量时的实际范围，则由此可见，实际测量时测出的光强与总光强能量的比值为95.44%，比原来的比值要大得多。

四、实验内容（1）用刀口法确定高斯光束束腰在不同位置所对应的光斑半径并计算远场发散角（2）用CCD法观察高斯光束图样五、实验步骤（一）刀口测量法1.在刀口未切割光束情况下，调整激光在光具座上的方向及位置；2.将光束对准功率计；并调整，根据功率计的读数最大值来确定光功率计处于最佳接收状态；3.在激光和光功率计之间放一个微型小孔（针孔挡片），让挡片在光束传播方向来回移动，通过光功率计的读数，找到最大值处，即该处为光束束腰位置（测量时，该处也是刀口位置），并固定好光功率计；4.取走挡片，记录功率计的最大读数，此为激光光束的总功率；5.用刀口代替挡片，旋动刀口测微螺母，让刀口切割光束，直至光功率计的读数为，记录该处测微螺母的读数；再继续选装测微螺母至处，并记录该处读数为，得出（高斯激光束束腰在该处的直径）.6.移动刀口位置，并记下不同位置所对应的束腰直径ΔX待数据记录好后整理实验仪器并惊醒数据的分析与处理。

He —Ne 激光器的调试物理系 光学 赵婷 0811130052引言：He —Ne 激光器的调试有两种方法，十字叉丝法和激光准直法，这次实验就是体会一下这两种调试方法，然后调整激光的最大输出功率实验原理：He —Ne 激光器的结构如图所示：图1：He —Ne 激光器的结构示意图其中，1R ，2R 为反射镜，另外在激光器工作时放电管两侧还加了磁场，磁场的作用是保证打出的光是632.8nm 波长的光，限制其他波长光的产生。

在放电管里通以额定电流使之放电，则放电管内就会产生稠密等离子体，由于等离子体的自由电子与氦原子发生碰撞使氦原子激发，在氦氖能级中，氦有亚稳态32s （19.8电子伏）和12s （20.6电子伏），氦原子被分别激发到这两个态上，由于氖存在比这些能级稍微低一点的能级2s 与3s ，所以被激发的氦原子一方面在进行热运动，一方面在进行高效率的能量交换，氖就被激发到亚稳态2s 或3s 态上，这是氦又一次回到激态，氦的作用就是通过放电为氖提供激发能量。

从氖的2p 到1s 的跃迁强，所以2p 的能级寿命短，在2s 与2p ，3s 与3p 之间建立粒子数反转分布，所以当采用与振荡地波长相适合的光学共振腔时，就可得到2s —2p 和3s —3p 的振荡或者产生3s —2p 的跃迁，这种跃迁产生波长是632.8nm的近红外光。

另外，因为处在1s能级上的氖原子必须迅速返回到基态，所以把放电管做的细一些，让氖原子与管壁发生碰撞而使能量猝灭。

2：激光发生示意图实验步骤：（一）十字叉丝法1．调整激光器电压约为12伏特，用能让光透过的中心有小孔的十字叉丝座来观察阴极激光，这时一般会看到直径相当于放电管直径的蓝色斑点。

2．调节十字叉丝的位置，直到蓝色斑点的中心出现一较小直径的亮蓝色斑点。

反复调节反射镜，使亮蓝色斑点正好位于十字叉丝的中心。

3．用同样的方法调节阳极端。

4．在激光器的出光端对十字叉丝所在范围通过调整反射镜进行扫描，直到看到红色的激光射出。

大学物理实验第二版迈克尔逊干涉实验测he-ne激光器的波长实
验报告
二、实验目的：了解和研究He-Ne激光器的波长特性
三、实验原理：He-Ne激光器的波长可以用迈克尔逊干涉实验来测定，这是一种双光束干涉实验，由直接光束和反射光束组成。

其中，一束来自一个干涉仪，另一束与相同的干涉仪一起经过另一个干涉仪发射出来的光束。

两束光经过一个干涉仪的转向器后，在另一个干涉仪上形成干涉纹。

由于这两束光的反射镜形式不同，所以两束光的衍射峰也是不同的，所以会形成双重干涉实验。

在双光束干涉实验中，根据迈克尔逊干涉定律可以算出两束光的波长，这两束光上的衍射峰是不一样的，我们可以得到两束光的波长。

四、实验仪器：微机及软件，He-Ne激光器，双光束干涉仪，转向器
五、实验流程：
（1）设置实验仪器：将He-Ne激光器安装在双光束干涉仪的激光孔上，然后调整转向器的位置，使其正好位于干涉仪的凝聚光范围内；
（2）检查仪器：检查电源，确保仪器端口与电源端口之间有良好的连接；
（3）设置微机：使用微机加载相应的控制软件，确保仪器正常运行；
（4）观测干涉图像：通过观察微机上的干涉图像，确定两束光的衍射峰，以及衍射峰的位置和大小；
（5）测量波长：根据迈克尔逊干涉定律，对衍射峰位置和大小的测量值，计算出两束光的波长。

六、实验结果：通过实验，我们测量出He-Ne激光器的波长为632.8nm。

氦氖激光器实验袁庆勇 081273018 信息工程一、实验仪器氦氖激光器、光功率指示仪、硅光电池接收器、狭缝、微动位移台、扫描干涉仪、高速光电接收器及其电源、锯齿波发生器、示波器、氦氖激光器及其电源。

氦氖激光器技术参数：谐振腔曲率半径 1m ∞中心波长 632.8nm共焦球面扫描干涉仪技术参数：腔长20mm凹面反射镜曲率半径20mm凹面反射镜反射率99%精细常数>100自由光谱范围4GHz二、实验目的Ⅰ、氦氖激光束光斑大小和发散角1、掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法。

2、深入理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及激光束发散角的意义。

Ⅱ、共焦球面扫描干涉仪与氦氖激光束的模式分析1、了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法。

2、学习观测激光束横模、纵模的实验方法。

三、实验原理激光束的发散角和横向光斑大小是激光应用中的两个重要参数，激光束虽有方向性好的特点，但它不是理想的平行光，而具有一定大小的发散角。

在激光准直和激光干涉测长仪中都需要设置扩束望远镜来减小激光束的发散度。

1、激光束的发散角θθ为激光束的发散角，()()0=2/2/z z θλπωω=,z 很大只要我们测得离束腰很远的z 处的光斑大小2 w(z)，便可算出激光束发散角。

2、激光束横向光场分布将光束半径w(z)定义为振幅下降到中心振幅1/e 的点离中心的距离，光束半径w(z)也可定义为光强下将为中心光强e -2倍的点离中心点的距离。

3、光束半径和发散角的测量束腰处的光斑半径为由这个值，也可从算出激光束的发散角θ4、纵模频率差△ν=c/2n 2L ，L 为激光器腔长5、不同横模之间的频率差6、自由光谱范围△λ：7、精细常数F：()F=1-R 四、实验内容1、光强横向分布的测量移动微动平台，使狭缝和硅光电池接收器同时扫过光束，移动的方向应与光传播方向垂直。

每隔0.1~0.2mm ，记录光功率指示仪的读值，重复测量三次，进行激光束的光强横向分布测量，测量Z 值。

氦氖激光器模式分析实验氦氖激光器模式分析实验在激光器的生产与应用中，我们常常需要先知道激光器的模式状况，如精密测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光器稳频和激光测距等不仅要基横模而且要求单纵模运行的激光器。

因此，进行模式分析是激光器的一项基本又重要的性能测试。

一、实验目的1．了解氦氖激光模式的基本原理；2．掌握氦氖激光模式分析整套仪器的光路调节，理解光谱精度，光谱分辨率的计算；3. 根据氦氖激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。

二、基本原理1．激光器模的形成我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔、激励能源。

如果用某种激励方式，将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，将有一定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，见图1。

被传播的光波绝不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是指中心波长而已）。

因能级有一定宽度，加之粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱线宽度是由自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽叠加而成。

不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。

例如低气压、小功率的He-Ne激光器6328埃谱线，以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz。

只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放大。

但只有单程放大，还不足以图1：纵模和纵模间隔图1中,增益线宽内虽有五个纵模满足谐振条件,但只有三个纵模地增益大于损耗,能有激光输出,对于纵模的观测,由于q值很大,相邻纵模频率差异很小,眼睛不能分辨,必须借用一定的检测仪器才能观测到.谐振腔对光多次反馈,在纵向形成不同的场分布,那么对横向是否也会产生影响呢?回答是肯定的.这是因为光每经过放电毛细管反馈一次,就相当于一次衍射,多次反复衍射,就在横向的同一波腹处形成一个或者多个稳定的衍射分布,称为一个横模,我们见到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加.图4中,我们介绍了几种常见的基本横模光斑图样.图2：常见的横模光斑图总之,任一个模,既是纵模,又是横模,它同时有两个名称,不过是对两个不同方向的观测结果分开称呼而已.一个模由三个量子数来表示,通常写作,q是纵模标记,m和n是横模标记.对方形镜来说，m是沿x轴场强为零的节点数,n是沿y轴场强为零的节点数.前面已知,不同的纵模对应不同的频率,那么同一纵模序数内的不同横模又如何呢?同样,不同横模也是对应不同的频率.横模序数越大,频率越高.通常我们也不需要求出横模频率,关心的是不同横模间的频率差,经推导得()2m n c v m n L ηπ∆+∆∆=∆+∆（4）其中, m ∆,n ∆分别表示x ,y 方向上横模模序差, 1R ,2R 为谐振腔的两个反射镜的曲率半径,由（3）和（4）可知相邻的横模频率间隔和相邻的纵模频率间隔的关系：()m n q m n v v π∆+∆∆+∆∆=∆（5）从上式中还可以看出,相邻的横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数,例如图5.图3: 在增益线宽内，纵模和横模分布图分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定.腔长与曲率半径的比值越大,分数值越大.当腔长等于曲率半径时(12L R R ==,即共焦腔),分数值达到极大,即横模间隔是纵模间隔的1/2,横模序数相差为2的谱线频率正好与纵模序数相差为1的谱线频率兼并.激光器中能产生的横模个数,除前述增益因素外,还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关.一般说来,放电管直径越大,可能出现的横模个数越多.横模序数越高的,衍射损耗越大,形成稳定的振荡越困难.但是激光器输出光中横模的强弱决不能仅从衍射损耗一个因素考虑,而是由多种因素共同决定的,这是在模式分析实验中,辨认哪一个是高阶横模时易出错的地方.因仅从光的强弱来判断横模阶数的高低,即认为光最强的谱线一定是基横模,这是不对的,而应根据高阶横模具有高频率来确定.横模频率间隔的测量同纵模间隔一样,需借助展现的频谱图进行计算.但阶数m和n的确定仅从频谱图上是不够的,因为频谱图上只能看到有几个不同的+的差值,然而不同的m和n可对应相同的m n+，即简并,在+,可以测出m nm n频谱图上则是相同的,因此要确定m和n各是多少,还需结合激光器输出的光斑图形进行.当我们对光斑进行观察时,看到的应是它全部横模的叠加图(即图2中一个或几个单一态图形的组合).当只有一个横模时,很易辨认.如果横模个数比较多,或基横模很强,掩盖了其他的横模,或者高阶模太弱,都会给分辨带来一定的难度.但由于我们有频谱图,知道了横模的个数及彼此强度上的大致关系,就可缩小考虑的范围,从而能准确地确定出每个横模的m和n。

He-Ne 激光器模式分析一、实验目的1、了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；2、通过测试分析，掌握模式分析的基本方法；3、了解实验使用的共焦球面扫描干涉仪的工作原理及性能，学会正确使用。

二、实验原理1.激光模式的一般分析稳定腔的输出频率特性： L C V mnq η2=[)1(1+++n m q π]cos -1[(1—1R L )(1—2R L )]1/2（1）其中：L —谐振腔长度； R 1、R 2—两球面反射镜的曲率半径；q —纵横序数； m 、n —横模序数； η—腔内介质的折射率。

（1）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为：)(12'':n m L C n m mn ∆∆πηυ∆+=cos -1[（1－1R L ）(1－2R L )]1/2 （其中Δm=m －m ′；Δn=n －n ′） （2） 对于相同的横模，不同纵模间的频差为q LC q q ∆ηυ∆2':= （Δq=q －q ′） 相邻两纵模的频差为 F 2C ηυ=∆q （3） 由（2）、（3）式看出，稳定球面腔有如图2—1的频谱。

（2）式除以（3）式得cos )(1'':n m n m mn q ∆∆πν∆∆+=-1[(1－1R L )(1－2R L )]1/2 （4） 设：q n m mn υ∆υ∆∆'':= ； S=π1cos -1[(1－)]1)(21R L R L -1/2 Δ表示不同的两横模（比如υ00与υ10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之比，于是（4）式可简写作： S )(∆=∆+∆n m （5）2. 共焦球面扫描干涉仪的工作原理（1）共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图2-2所示，反射镜的曲率半径R 1=R 2=L 。

图 2-2（2）正入射时，干涉相长条件为：ληm L =4 （η为折射率；L 为腔长）（3）通常情况下，R 1固定，而R 2装在一块管状压电陶瓷上。

一、实验目的1. 了解氦氖激光器的原理及结构；2. 掌握氦氖激光器的工作原理和产生过程；3. 熟悉氦氖激光器的应用领域；4. 通过实验验证氦氖激光器的工作原理。

二、实验原理氦氖激光器（He-Ne激光器）是一种气体激光器，主要由氦气和氖气混合气体作为工作物质。

在放电管中，当氦气和氖气被电离后，氖原子在外加电场的作用下，由基态跃迁到激发态，然后通过受激辐射跃迁回到基态，释放出特定波长的光子，从而产生激光。

氦氖激光器的工作原理如下：1. 氦气和氖气在放电管中混合，形成等离子体；2. 在外加电场的作用下，电子从阴极向阳极运动，与氦原子发生碰撞，将氦原子激发到激发态；3. 激发态的氦原子通过碰撞将能量传递给氖原子，使氖原子跃迁到激发态；4. 激发态的氖原子通过受激辐射跃迁回到基态，释放出特定波长的光子，形成激光。

三、实验仪器与材料1. 氦氖激光器；2. 光谱仪；3. 光电探测器；4. 放大器；5. 计时器；6. 计算器；7. 实验台；8. 实验指导书。

四、实验步骤1. 将氦氖激光器放置在实验台上，确保激光器稳定；2. 连接光谱仪、光电探测器和放大器，设置好相应的参数；3. 打开氦氖激光器，观察放电管中的光束输出情况；4. 通过光谱仪测量激光器的输出波长；5. 通过光电探测器测量激光器的输出功率；6. 记录实验数据，进行分析和讨论。

五、实验结果与分析1. 实验过程中，氦氖激光器的输出波长为632.8纳米，符合理论值；2. 通过光电探测器测量，激光器的输出功率约为5毫瓦，符合理论值；3. 在实验过程中，观察到放电管中的光束输出稳定，无明显的跳模现象。

实验结果表明，氦氖激光器能够产生特定波长的激光，输出功率稳定，符合理论预期。

六、实验结论1. 氦氖激光器是一种气体激光器，通过氦气和氖气混合气体在外加电场的作用下产生激光；2. 实验结果表明，氦氖激光器能够产生稳定、高单色性的激光，输出功率符合理论值；3. 本实验验证了氦氖激光器的工作原理，为进一步研究和应用提供了基础。

氦氖（He-Ne）激光器实验实验讲义黑龙江大学物理科学与技术学院【实验目的】1、 了解激光器的结构、特性、工作条件和工作原理；2、 掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法；3、 理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及激光束发散角的意义；4、 了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法；5、 学习观测激光束横模、纵模的实验方法。

【实验原理】 一、激光原理概述1、 普通光源的发光——受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等的发光）是由于物质在收到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。

激发的过程是一个“受激吸收”过程。

处在高能级E 2的电子寿命很短（一般为10-8~10-9s ），在没有外界作用时会自发地向低能级（E 1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。

辐射光子能量为h ν = E 2 –E 1 (1)这种辐射称为自发辐射。

原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。

由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。

在通常热平衡条件下，处于高能级E 2上的原子数密度N 2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E 的原子数密度N 的大小随能级E 的增加而指数减小，即()kT /E exp N -∝ (2)这是著名的玻尔兹曼分布规律。

于是在上、下两个能级上的原子数密度比为()[]kT /E E exp N /N 1212--∝ (3)式中k 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度。

因为E 2>E 1，所以N 2<N 1。

例如，已知氢原子基态能量为E 1 = -13.6 eV ，第一激发态能量为 E 2 = -3.4eV ，在20o C 时，k T ≈0.025eV ，则[]040012≈-∝exp N /N (4)可见，在20oC 时，全部氢原子几乎都处于基态，要使原子发光，必须外界提供能量使原子达到激发态，所以普通广义的发光是包含了受激吸收和自发辐射两个过程。