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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。
光电子与激光系列实验讲义多谱线氦氖激光器实验多谱线氦氖激光器实验实验讲义大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印光电子与激光系列实验讲义多谱线氦氖激光器实验多谱线氦氖激光器在增益管长为1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法，在可见光区分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡。
实验要求掌握He-Ne多谱线激光线器的工作原理及腔型结构的特点；学习外腔式激光器及腔内带棱镜激光器的调节方法；测量各条激光谱线的波长；找出各条谱线的最佳放电电流及测量最大输出功率。
一、实验原理一台激光器除激励电流外主要由两部分组成，一是增益介质；二是谐振腔。
对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体，当氦氖混合气体被电流激励时，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使介质具有增益。
介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。
对谐振腔而言腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。
总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。
由于介质的增益具有饱和特性，增益随激光强度增加而减小。
初始建立激光振荡时增益大于损耗，随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。
稳定振荡时的增益叫阈值增益，初始的增益叫小信号增益。
小信号增益与阈值增益之差越大，腔内的激光强度越强，对小信号增益很低的激光谱线是否能获得激光振荡，关键在于谐振腔的损耗能降低到什么程度。
1、在可见光区激光谱线的小信号增益系数在氦氖混合气体的增益管中氖原子的3S2能级对2P i（2P i是2P1，2P2，…，2P8，2P10九个能级的简称，3S2-2P9的跃迁是违禁的）九个能级之间能够产生粒子数反转，使介质具有增益，九条谱线的小信号增益系数G0如表1所示。
测量时各谱线的放电电流值不相同；表中相对增益系数是用用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性的装置测得的，各谱线的放电电流相同。
光信息专业实验报告：氦氖激光模式实验氦氖激光器在实际应用，尤其是基础实验教育中应用非常广泛。
本实验对氦氖激光器的性质进行了测量，主要分为两个部分。
一是氦氖激光器光斑大小和发散角的测量，二是利用共焦球面扫描干涉仪与示波器对氦氖激光器的模式进行分析。
实验仪器及技术参数：1、氦氖激光器：中心波长632.8nm、谐振腔腔长246mm、谐振腔曲率半径为1m2、共焦球面扫描干涉仪：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4GHz3、示波器、光学镜若干实验一氦氖激光器光斑大小和发散角的测量氦氖激光器发出的光束为高斯光束，高斯光束是我们非常熟悉的一种光束。
我们可以从横向和纵向两个角度来理解高斯光束。
1、横向方向高斯光束之所以称为高斯光束，正是因为其基模在横向上光强的分而呈高斯分布型。
即⁄]（1）是I oo(r,z)=I oo(z)exp[−2r2w2(z)其中，下标00表示基横模，I oo(z)表示中心处的光强，r表示横截面离中心的距离，z 表示所研究的光斑所处的纵向上的位置，w(z)表示z处的光束半径。
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，或者说光强下降到中心光强1/e2的点离中心的距离。
从（1）式可以看出，高斯光束横向上光强随着离中心位置越远，光强越小，至w(z)处已基本下降为0，集中了86.5%的功率。
以上的说明可以用图1表示。
图1 高斯光束横向上振幅分布和光强分布2、纵向方向由横向方向上高斯光束的说明可以看出，整个高斯光束可以看成是横向上高斯光斑沿纵向z 轴传播形成的。
那么，纵向上光斑是如何传播的呢？理想的高斯光事假设传播过程中光的总能量不变，传播的过程只是光斑大小发生了变化。
激光器发出的激光束在空间的传播如图2所示。
光束截面最细处成为束腰。
我们将柱坐标（z, r, φ）的原点选在束腰截面的中点，z是光束传播方向。
束腰截面半径为w0,距束腰为z处的光斑半径为w(z)，则w(z)=w o[1+(λzπw o)2]12⁄（2）其中是λ激光波长。
氦氖激光器光束的模式分析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。
另一方面，在激光器中利用锁模技术可得到持续时间短到皮秒（ps＝10－12s）量级的强脉冲激光。
极强的超短脉冲光源大大促进了像非线性光学、时间分辨激光光谱学、等离子体物理等学科的发展。
氦氖激光器是常见的一种激光器，它在准直、计量、光全息处理等研究领域中有着广泛的应用，但由于普通的He-Ne激光器在功率较高时（即增益管较长时）会出现多个纵模，对于干涉、计量等一些要求单色性很强的激光研究领域不适用。
本实验分析氦氖激光器的模式并进行简单锁模。
【实验目的】1、了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法。
2、学习观测激光束横摸、纵摸的实验方法。
4学习和掌握激光锁模和声光调制原理。
5 掌握锁模激光器结构特定及调试方法。
6 观察腔长变化及调制深度对输出光脉冲的影响。
【实验原理】1共焦球面扫描干涉仪工作原理共焦球面扫描干涉仪（简写FPS ）由两个曲率半径r 相等、镀有高反膜层的球面镜M1、M2组成，两者之间的距离L 称作腔长，如图1所示。
压电陶瓷内外两面加上锯齿波电压后，驱动一个反射镜作周期性运动，用以改变腔长L 而实现光谱扫描。
由于腔长L 恰等于曲率半径r ，所以两反射镜焦点重合，组成共焦系统。
当一束波长为λ的光近轴入射到干涉仪内时，在忽略球差情况下，光线走一闭合路径，即光线在腔内反射，往返两次之后又按原路行进。
图1 共焦球面扫描干涉仪结构示意图从图1可以看出，一束入射光将有1、2两组透射光。
若m 是光线在腔内往返的次数，则1组经历了4m 次反射；2组经历了4m+2次反射。
设反射镜的反射率为R ，Harcher 给出了1、2两组的透射光强分别为： 222110222()[1()sin ]11T R I I R R β-=+-- （1）221I R I = （2）这里I0是入射光强，T 是透射率，β是往返一次所形成的位相差，即222/n L βπλ= （3）n2是腔内介质的折射率。
实验一 氦氖激光系列实验一、实验内容：1、氦氖激光器的调节 2、氦氖激光器的输出功率 3、氦氖激光器发散角测量4、用共焦球面扫描干涉仪观察、分析、判断激光器的模式组成 二、实验仪器：氦氖激光器、调节板、谐振腔反射镜、半内腔氦氖激光器、激光功率指示仪、共焦扫描仪、示波器 三、实验原理及方法次为例）10/1010∑==i i P P其中：0P 为十次测量的平均值。
激光器功率漂移=η%100/0⨯∆P P 其中2/)(min max P P P -=∆固定输出镜，调至出光，旋转输出镜俯仰倾斜旋钮，结合功率计，将其输出调至最大。
打开激光器电源并预热20～30分钟，将激光器光束对准激光功率指示仪探头中心位置，每隔10分钟记录一次，测量氦氖激光器的输出功率随时间变化曲线。
3. 用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布。
实验中使刀口平行于y 轴，沿垂直于x 轴方向移动当刀口缓慢推入光束时，设刀口挡住了a x ≤的所有点。
未被刀口挡住而通过的光功率P 用余误差函数表示为：)2(2),(0a Werfc P dxdy y x I P a==⎰⎰ 如果先用刀口把光束全部挡住，然后把刀口缓慢拉出时，未被刀口挡住而通过的光功率可用相应的误差函数表示。
)exp(),(2220σy x p y x I +-=)2(210σaerfc p p = 其中2/W =σ是数理统计中的标准偏差。
根据上式作出的归一化高斯分布和相对功率与刀口位置关系曲线如下图所示可以证明，相对功率为0.25和0.75的点分别位于高斯分布曲线极大值两侧，其距离σ6745.0=p e 。
所以从由实验得到的相对功率与刀口位置的关系曲线就可确定p e 的值。
算出σ值后就可计算P/0P 的理论值，进行曲线拟合。
如果拟合的好，就证明基横模光强是高斯分布。
用p e 的值可以计算光斑大小：)2(4826.1p e W = )2(7456.12/1p e D =如图所示，将刀口位于激光光斑边缘位置，并将功率计置于刀口后面来测量未被刀口挡住的激光光功率。
通信与信息工程学院氦氖激光器电源课程设计班级：电科1002班姓名：学号：指导教师：设计时间：2013.12.23 ——2014.1.3 成绩：评通信与信息工程学院一、实验目的1 、熟悉He-Ne激光器的工作原理；2 、熟悉He-Ne激光器对电源的要求；3 、熟悉He-Ne激光器电源的设计方法；二、实验仪器设备He-Ne激光器、万用表、线路板、电子元器件三、设计制作原理1、气体放电的基本原理气体激光器的激励方式一般是采用气体放电。
在平常情况下气态物质是绝缘体，当加上电压时，气体中产生的电流很微弱，但当电压升高至一定值时电流会突然增大，同时电极间电压突然减小，气体从绝缘体迅速转变为导体，？这叫做气体的击穿或“着火”。
按照气体导电的伏安特性曲线来划分，击穿后气体导电还可分为正常辉光放电和反常辉光放电区域。
由于放电管击穿后变成导体，此时放电管电压比击穿时低很多，所以整个放电电路的电压就会有相当大的一部分落到限流电阻上。
击穿气体导电性质的突变，是由于此时气体中产生许多正离子和自由电子。
在外电场的作用下，分别向阴阳、极运动，造成放大电流很大。
放电电流对于激光器的输出功率有直接的影响，既有一个最佳放电电流，这一数值在激光器生产厂家的产品说明书中。
击穿后处于正常工作的氦氖激光器，其放电属于正常激光放电。
整个放电过程由伏安特性曲线描述。
2、氦氖激光器对电源系统的要求氦氖激光器常采用直流高压辉光放电激励，此类放电的特征是：（1）传导电流的范围为10e-6~10e-1A,官压降为几百伏到几千伏，工作在小电流高电压的正常辉光放电区域；（2 ）有较高的阴极位降和较强的阴极溅射；（3）激光管的伏安特性呈负阻性。
为此在设计电源系统时，必须选择合理的外特性，使激光管处于稳定工作状态，具体要求如下：（1）激光器能进入正常激光放电状态，其空端载电压必须达到击穿电压。
对管长250~450毫米的氦氖管，击穿电压在400~6000伏特。
氦氖激光器工作原理
氦氖激光器是一种常见的气体激光器，它的工作原理基于氦氖混合气体在高电压的电场作用下产生激发态。
具体工作原理如下：
1. 激发氦气：氦氖激光器中的氦气通过电偶极矩的转变，由基态转变为激发态。
这是通过导电放电产生的电流传导能量的一种过程。
2. 能级跃迁：激发态的氦原子在经过短暂的存在后，会通过受激辐射的过程，跃迁到一个相对较低的能级。
在这个跃迁的过程中，会释放出光子。
3. 推进跃迁：激发态的氖原子在经过短暂的存在后，也会通过受激辐射的过程，跃迁到一个较低的能级。
在这个过程中，氖原子也会释放出光子。
4. 辐射耦合：氦氖激光器中的氮气分子起到了重要的作用，它们能够从氦原子和氖原子的跃迁中吸收光子，然后再通过碰撞的方式将能量传递给氦原子和氖原子，使它们能够持续地进行激发态和辐射的跃迁。
5. 碰撞放电：在氦氖激光器中，在辐射耦合的作用下，氦和氖形成的混合气体离子会通过电场的作用发生运动。
这个过程中，离子会与其他原子或离子进行碰撞，并将能量传递给它们。
这种碰撞放电的过程能够维持激发态的产生和能级的跃迁。
6. 光放大：在上述的过程中，产生的光在两个镜子之间的光学腔中来回反射。
其中一个镜子是完全反射镜，而另一个镜子是部分透射镜。
由于部分透射镜的存在，一部分的光能够逃逸出来，形成激光输出。
通过上述的工作原理，氦氖激光器能够产生出较为稳定和高功率的红光激光。
它在医疗、科研、显示技术等领域有广泛的应用。
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。
5-1 氦氖激光器的模式分析实验报告.doc
氦氖激光器是一种重要的气体激光器。
它具有色散小、谐振结构简单、工作可靠等优点，广泛应用于科研、医疗、通信、仪器等领域。
本次实验的目的是通过对氦氖激光器的模式分析，了解它的工作原理和特性。
实验中，我们采用干涉仪、功率计等仪器，对氦氖激光器的基模和高阶模进行了实验研究。
首先，我们将氦氖激光器放置在干涉仪中，调整干涉仪的角度，观察干涉条纹的变化。
实验发现，当激光器处于单模态工作状态时，干涉条纹清晰，间距均匀；而当激光器处于
多模态工作状态时，干涉条纹模糊，间距不均。
这表明，氦氖激光器存在基模和高阶模两
种工作状态，对应于单模态和多模态。
接着，我们利用功率计对氦氖激光器输出功率进行了测量。
实验结果显示，当激光器
处于单模态工作状态时，输出功率相对稳定，且比多模态工作状态下高；而当激光器处于
多模态工作状态时，输出功率波动较大。
这表明，氦氖激光器的基模优先模式稳定性好，
输出功率高；而高阶模存在竞争关系，波动大，输出功率低。
最后，我们对氦氖激光器的激光束分布进行了分析。
实验中，我们采用热像仪对激光
束的纵向和横向分布进行了测量。
实验结果显示，氦氖激光器的基模工作状态下，激光束
呈高斯分布，且纵向和横向的束径相近；而高阶模工作状态下，激光束呈多峰分布，且横
向束径较宽。
多谱线氦氖激光器实验实验讲义大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印多谱线氦氖激光器在增益管长为1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法，在可见光区分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡。
实验要求掌握He-Ne多谱线激光线器的工作原理及腔型结构的特点；学习外腔式激光器及腔内带棱镜激光器的调节方法；测量各条激光谱线的波长；找出各条谱线的最佳放电电流及测量最大输出功率。
一、实验原理一台激光器除激励电流外主要由两部分组成，一是增益介质；二是谐振腔。
对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体，当氦氖混合气体被电流激励时，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使介质具有增益。
介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。
对谐振腔而言腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。
总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。
由于介质的增益具有饱和特性，增益随激光强度增加而减小。
初始建立激光振荡时增益大于损耗，随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。
稳定振荡时的增益叫阈值增益，初始的增益叫小信号增益。
小信号增益与阈值增益之差越大，腔内的激光强度越强，对小信号增益很低的激光谱线是否能获得激光振荡，关键在于谐振腔的损耗能降低到什么程度。
1、在可见光区激光谱线的小信号增益系数在氦氖混合气体的增益管中氖原子的3S2能级对2P i（2P i是2P1，2P2，…，2P8，2P10九个能级的简称，3S2-2P9的跃迁是违禁的）九个能级之间能够产生粒子数反转，使介质具有增益，九条谱线的小信号增益系数G0如表1所示。
测量时各谱线的放电电流值不相同；表中相对增益系数是用用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性的装置测得的，各谱线的放电电流相同。
表1 He-Ne 3S2-2P i谱线的小信号增益系数2、谐振腔的稳定条件激光器的谐振腔是由两块相距为L ，曲率半径分别为球面的反射镜组成。
要使腔内近轴传播的光线多次来回反射不会逸出腔外，腔镜的曲率半径级腔长必须满足111021<⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-<R L R L （1）对平凹腔来说，若R 2＝∞，稳定条件为0<(1-L /R 1)<1，则凹面镜的曲率半径必须大于腔长。
对于对称腔，R 1＝R 2＝R ，稳定条件为(1-L /R )2<1，则反射镜的曲率半径必须大于腔长的一半。
由于相对小的曲率半径对应相对大的发射角，通常反射镜的曲率半径选择2～5倍腔长。
3、激光振荡条件建立激光振荡必须满足光在增益介质中来回运行一次得到的增益足以补偿运行中的损耗，用公式表示为12exp 21=-a a G L r r α （2）式中r 1和r 2分别为谐振腔两镜片上的反射率，L a 为增益介质长度，G 为建立稳定激光时介质单位长度的增益，叫阈值增益系数。
a a 为增益介质内的损耗，包括衍射损耗。
两镜片总的反射率r 与投射率t 及吸收散射损耗a s 的关系有s t r α--=1（3） 4、谐振腔反射镜谐振腔反射镜镀有多层光学介质膜。
实验使用反射率高达99.9％。
而损耗小于0.1％的高质量介质膜，使低增益激光谱线实现振荡成为可能。
介质膜反射率带宽（即波长范围）通常为1000A 左右，实验中涉及的九条激光谱线覆盖的波长范围约2000 A ，需使用两种或三种不同波长范围的反射膜片。
5、腔内棱镜在谐振腔中插入色散棱镜P ，如图1所示。
由于棱镜分光作用，对不同波长其偏向角不同，谐振腔只能对其中一条谱线满足振荡条件，而其它波长由于偏离谐振腔光轴，损耗大于增益不能起振。
若要改变振荡谱线，需把棱镜和谐振腔调准到使该谱线满足振荡条件的位置。
棱镜调谐波长的方式基本上有两种，一种是棱镜的入射角不变，不同波长对应不同出射角，调谐波长时，棱镜保持不动，只改变谐振腔反射镜的方位，使相应波长的光束沿原路返回实现振荡。
另一种是棱镜出射角不变，反射镜相对棱镜不动，当改变波长时，使棱镜和反射相对入射光做整体转动。
后一种也可采用半棱镜结构，在半棱镜的出射面上镀有全反射介质膜，取代谐振腔反射镜。
用半棱镜优点是调节元件损耗小，缺点是棱镜的角色散和角分辨减小了一半。
本实验采用第二种方式的全棱镜结构。
图1 色散棱镜的作用（1） 关于棱镜材料与加工在可见光波段He-Ne 激光谱线的增益是很小的，每厘米约为10-3～10-5量级。
在谐振腔内插入色散棱镜必然会增加腔内损耗，因此在选择棱镜材料和加工时要尽可能减少损耗。
棱镜材料要求透明度高，色散大，熔石英的透明度很好，在可见光区每厘米长度的吸收率小于0.001，但色散不理想，可用在增益小而谱线间隔相对大的短波长区。
重火石玻璃在可见光区吸收比熔石英大好几倍，但色散也比熔石英大几倍，可用在6328A 附近谱线间隔密集而增益系数相对大的光谱区。
棱镜表面加工光洁度在顶角A 附件要求达到I 级。
（2） 棱镜顶角的设计为了减少光束在棱镜界面上的反射损耗，光束在棱镜界面上的入射角应是布儒斯特角θb ，同样从棱镜出射的光束也是布儒斯特角，如图2所示。
从图中光线的几何关系可知棱镜顶角A 应满足01arctan 22n A b ='=θ （5） 式中bθ'为棱镜材料内的布儒斯特角，n 0为棱镜所用波段中心波长的折射率。
实验中提供了两块棱镜供选用，一块为熔石英，棱镜顶角为A ＝68º55′，另一块为重火石玻璃，棱镜顶角为A ＝61º52′，中心波长均为6328 A ，各种波长都以6328 A 的布儒斯特角θb ,633为出射角，各种波长相应的入射角θλ可用下式求得：⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=633,sin 1arcsin sin arcsin b n A n θθλλλ （6） 式中n λ表示相应波长的折射率，其数值是根据文献【2】给出的特征波长折射率，用内插法求得。
两块棱镜的数据分别由表2和表3给出。
图2 棱镜光路表2 重火石玻璃棱镜激光波长与入射角的关系（A＝61º52′）表3 熔石英棱镜激光波长与入射角关系（A＝68º55′）二、实验装置实验装置如图3所示，图中Las是氦氖气体放电管，增益区长1m，氦氖比例为5:1，总气压为250Pa，内径2.5mm，放电管两端封窗为熔石英材料。
图3 实验装置示意P为色散棱镜，SP为棱镜转台，转台的最小分度为1′。
M1，M2，M3为谐振腔反射镜，分别装在两个调节自由度的镜架上。
如图4所示，图中M表示装在镜架上的反射镜，a，b为把镜架支撑在基座上的弹簧螺丝，A，B，C为镜架微调螺丝，一般不调C，调节A钮时镜片M以CB连线为水平轴作微小转动，调B钮时M以CA为垂直轴作微小转动。
图4 反射镜调节架M1，M2组成辅助腔，M1为凹面全反射镜，曲率半径一般选择2～3m，M2为平面镜，反射率要求不严格，一般大于97％。
首先在M1和M2之间调出6328A激光，为调整棱镜P和反射镜M3提供准直光线。
M1和M3构成带棱镜的可调谐波长的谐振腔。
M3的曲率半径一般选择3m 以上。
反射率取决于谱线增益及对输出功率的要求，反射率大于99.7％的镜片，适用于波长大于6118 A 的谱线，对波长最短的三条谱线，反射率要求达到99.9％，尤其是5433 A 谱线增益最低，对调节精度的要求也是最高的。
W 表示激光功率计，最小量程10μW ，最大量程50mW 。
WDG 表示WDG-30型光栅单色仪，用来鉴别激光波长。
波长精度为1 A ，入缝处用毛玻璃减光，出缝处可用目镜直接观测。
三、 实验内容及要求1、谐振腔的调整（1） 谐振腔的调整偏差谐振腔的调整要使腔的光轴与放电毛细管的管轴基本重合，其偏差直接影响激光功率的大小。
为了便于分析，把谐振腔的调整偏差分解为平行度偏差δ1和垂直度偏差δ2两部分。
以对称腔为例，腔镜M 1，M 2的曲率中心，其连线为谐振腔的光轴，光轴相对管轴的距离为r ，假设允许的最大偏差r m 为毛细管直径D 的1/10，则平行度偏差δ1可用M 1或M 2镜的偏斜角表示1110-⨯==R D R r m δ （7） 腔镜的曲率半径R 越大，允许的平行度偏差越小，对调节的精度要求越高。
图5 平行度偏差示意图6 垂直度偏差示意图6给出垂直度δ2的示意，镜M 1，M 2的曲率中心分别为21,C C ''，分布在管轴的两侧，位移量为r ′，新的光轴为21C C ''连线，这时M 1与M 2是相互平行的，只是光轴与管轴有一交角，假设毛细管长等于腔长L ，光轴允许的最大偏差在镜片上用r m 表示，由图中几何关系可知。
2/2/L R r L r m m -'= （8） 谐振腔垂直度偏差δ2可用镜片的偏角θ表示R r m/2'==θδ （9） 用（8）式中的mr '代入（9）式得 ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=121212L R L R R r m δδ （10） （10）式表明当腔镜的曲率半径比腔长大时，允许的垂直度偏差比平行度偏差大。
如果腔镜的调节感量（或精度）比允许的垂直度偏差小，当激光器调出激光后，还可以经过精心的调节使垂直度偏差减小，从而使激光功率增强。
（2） 直腔激光器的调节方法直腔指腔内没有插入色散棱镜的激光腔（如图7(a)所示），调节时用到一种叫光靶的调整工具。
光靶的结构是一个带手柄的平面光屏，在屏的中部刻有十字线并有小灯照明，十字线的中心开有直径约为0.8mm 的小孔。
调整时让刻有十字线的一面对着激光器的一端，让眼睛从光靶的背面通过小孔观察处于放电状态的毛细管，能够看见在反射镜膜片透光的背景上有一个直径约为2－3mm的放电毛细管截面，颜色比周围背景亮。
如果小孔处在毛细管轴线附近，在毛细管的截面内还应看见一个更亮的只有针尖大的亮点，这就是放电毛细管的轴心。
如图 4.7(b)所示，上下左右调整光靶的位置，使小亮点处在毛细管截面的中心，这是光靶的小孔就处在毛细管的轴线上了。
图7 直谐振腔的调节下一步的调节要使反射镜的光轴与这条轴线重合，如果反射镜的法线与管轴偏离不远，在视场内就可以看见通过反射镜的十字线虚像。
调节反射镜架上两个俯仰A和偏转B螺丝（见图4），使十字像的中心与毛细管截面中心亮点重合。
这时反射镜的法线与放电管轴线重合。
用同样的方法调节另一端反射镜。
如果上述步骤操作准确，激光就会出现。
若不出激光可多次重复上述步骤。
仍无效时可如下操作，来回微调A钮使十字线沿毛细管轴心上下扫描，当两镜片接近时可观察到轴心亮点变亮，把A钮固定在使轴心最亮的位置上，用同样的方法调B钮。
