实验3 氦氖激光器的偏振与发散特性测试数据处理与分析

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。

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。

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。

He －Ne 激光参数测量实验氦氖激光束光斑大小和发散角测量实验目的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。

实验仪器用具氦氖激光器、光功率指示仪、硅光电池接收器、狭缝、微动位移台。

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 θ激光器发出的激光束在空间的传播如图 1-1 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0w ，距束腰为 z 处的光斑半径为 w(z)，则 2/1220])(1[)(w z w z w πλ+= 其中λ是激光波长。

上式可改写成双曲线方程1]/[])([22020=-λπw z w z w 双曲线的形状已画在1-1 中。

我们定义双曲线渐近线的夹角θ为激光束的发散角，则有z z w w /)(2)/(20==πλθ (z 很大）（1.1）由式（1.1）可知，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如图 1-1，激光束沿 z 轴传播，其基模的横向光场振幅00E 随柱坐标值 r 的分布为高斯分布的形式)](/exp[)()(220000z w r z E r E -= （1.2）式中)(00z E 是离束腰z 处横截面内中心轴线上的光场振幅， w (z)是离束腰z 处横截面的光束半径，)(00r E 则是该横截面内离中心r 处的光场振幅。

由于横向光场振幅分布是高斯分布，故这样的激光束称为高斯光束。

当量值r =w(z) 时，则)(00r E 为)(00z E 的1/e 倍。

前面的讨论中，我们并未对光束半径下定义。

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由于实验者将实际硅油柱高度下降数与总压力下降数混淆，以下分析以实际实验数据来进行，即每次下降5mm油柱高度差进行测量，相当于每次下降总气压大约0.41Torr，所得实验结果影响不大。
***********
油柱高度差/cm
5.7
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
气体总气压/T电毛细管、管壳等）、零部件的加工处理（包括凹、平面反射镜、布儒斯特窗片）、电极装配、排气充气封口等等。
4.为什么存在最佳气压值使激光器达到最大功率？
答：因为Ne的2P4能级的粒子数密度n2通常比Ne的3S2能级的粒子数密度n3小得多，故反转粒子数密度△n主要取决于n3.当He、Ne气压比和放电电流一定时，如果总气压较低，n0和n1将减少。n3也随之减少。总气压很高时，虽n0和n1增加，但电子与原子碰撞次数也增加，使电子的动能减少，电子温度Te降低，电子就不能有效地把He和Ne激发到上能级去，使n3下降。因此，有最佳总气压，使粒子数最高。
答：激光管中原子受外场电能激发产生电离，电子跃迁，而产生光。某一级受激辐射和粒子能级差之间是一一对应的。对应于632.8nm的激光谱线是Ne能级3S2和2P4之间的差值。激光器中氦气为辅助气体，氖气为工作气体。产生激光的是氖原子，不同能级的受激辐射跃迁将产生不同波长的激光。
3.气体激光器的制造过程中渗透着哪些真空技术的应用？
数据处理
1.实验前计算
根据公式： 、
其中，K=12.26 0.06，N= ，n=7：1
计算不同的总压下，充入的氦气、氖气的分压如下表
总压力/Torr
4.5
4
3.5
3
2.5
2
/mm硅油柱

1
1 2
0.61GHz 0.1652 0.10GHz
横模频率间隔误差
2
0.11 0.10 0.10 100% 10%
根据高阶横模具有高频率
随时间增长，锯齿波电压变大，干涉仪的谐振腔变长。
4la ka
在K序中，峰3对应的波长大于峰2对应的波长，所以峰3对应的 频率小于峰2对应的频率。 峰2对应的模式是TEM01k （或是TEM10k ） 峰3对应的模式是TEM00k .
c 其中 F 3.75GHz ,l 20 mm 该实验取4GHz 4l
其理论值为 c / 2L ≈ 0.61GHz .其中c为真空光速， L是激光器谐振腔的长度, L=246mm.
纵模频率间隔误差
0.61 0.67 0.61
1
100% 9.8%
在同一个纵模序中的两个不同横模的频率间隔为
氦氖激光器模式分析
实验数据处理
2
6
7 3 4
8
1 5
K序
K+1序
• 读出各个的峰的横坐标值分别是:
t1=0.21775 t3=0.21824 t5=0.22019 t7=0.22067 t2=0.21817 t4=0.21857 t6=0.22060 t8=0.22102
自由光谱由光Δν F 对应的时间间隔为
t 5 t1 t6 t 2 t7 t 3 t 8 t 4
4 2.4375 10 3
同一干涉序K中 ,纵模频率间隔
t1 - t 4 q 1 ( /2.4375 10-3 ) F 2 0.21775 0.21857 ( /2.4375 10-3 ) 4GHz 2 0.67GHz

1. 了解氦氖激光器的工作原理及特点；2. 掌握氦氖激光器输出光斑的形成原理；3. 通过实验，观察氦氖激光器输出光斑的大小、形状及发散角；4. 分析影响氦氖激光器输出光斑的因素。

二、实验原理氦氖激光器是一种气体激光器，由氦气和氖气混合气体作为工作物质，通过放电激发产生激光。

激光器输出光斑的形成主要与激光器的谐振腔结构、工作物质以及放电参数等因素有关。

1. 谐振腔结构：谐振腔由一对反射镜组成，反射镜之间的距离决定了激光器的波长和频率。

根据谐振腔的长度，可以将激光器分为三种类型：长腔激光器、短腔激光器和准直腔激光器。

2. 工作物质：氦气和氖气混合气体作为工作物质，其分子结构决定了激光器的波长。

氦氖激光器的波长通常为632.8nm。

3. 放电参数：放电参数包括放电电流、放电电压等。

放电参数的优化可以提高激光器的输出功率和光斑质量。

三、实验仪器与材料1. 氦氖激光器；2. 光功率计；3. 光学显微镜；4. 屏幕板；5. 放大镜；6. 秒表；7. 记录纸；8. 计算器。

1. 将氦氖激光器放置在实验台上，确保激光器与屏幕板之间的距离适中。

2. 使用光功率计测量激光器的输出功率，记录数据。

3. 将光学显微镜对准激光器输出端，观察激光束的形状和大小。

4. 使用放大镜观察屏幕板上的光斑，记录光斑的大小和形状。

5. 记录实验环境温度、湿度等参数。

6. 重复实验，观察不同放电参数下激光器输出光斑的变化。

五、实验结果与分析1. 实验结果（1）激光器输出功率：5mW；（2）光斑大小：直径约为1mm；（3）光斑形状：圆形；（4）发散角：约10mrad。

2. 分析（1）光斑大小与放电参数的关系：实验结果表明，放电参数对光斑大小有一定影响。

放电参数优化后，光斑大小可减小，从而提高激光器的光束质量。

（2）光斑形状与放电参数的关系：实验结果表明，光斑形状与放电参数关系不大，主要由激光器谐振腔结构决定。

（3）发散角与放电参数的关系：实验结果表明，发散角与放电参数关系不大，主要由激光器谐振腔结构决定。

He-Ne激光器偏振光数据处理与分析1、He-Ne激光器偏振光测量表1 He-Ne激光器偏振光测量数据表偏振角度(°)输出功率（mW）偏振角度(°)输出功率（mW）偏振角度(°)输出功率（mW）0 1.1361250.8032500.0905 1.0731300.8592550.096100.9951350.9342600.119150.835140 1.0022650.169200.743145 1.0662700.204250.665150 1.1172750.252300.556155 1.1452800.315350.464160 1.1872850.412400.378165 1.2012900.495450.291170 1.1722950.618500.225175 1.1473000.710550.170180 1.1043050.801600.130185 1.0343100.867650.0981900.9483150.966700.0881950.841320 1.027750.0922000.755325 1.102800.1132050.659330 1.145850.1532100.574335 1.174900.1982150.473340 1.192950.2812200.386345 1.1831000.3622250.285350 1.1681050.4592300.223355 1.1471100.5252350.172360 1.0981150.6082400.1271200.6992450.099图1 He-Ne激光器偏振特性曲线图分析：由图1 He-Ne 激光器偏振特性曲线图可知，He-Ne 激光器输出的光为线偏振光；而且从图中曲线可知，曲线并非完全的平滑，有一定的凹凸瑕疵，这说明实验存在误差，这主要是受实验环境光变化的影响所致。

实验一：He-Ne 激光器谐振腔调整和激光特性的测量一、实验目的：1.了解He-Ne 激光器的构造。

2. 观察并测量He-Ne 激光器的功率、发散角等特性参数。

3. 调整谐振腔一端的反射镜，观察谐振腔改变后He-Ne 激光器性能参数的变化。

4. 了解外腔He-Ne 激光器的偏振态。

5. 通过光栅方程来验证He-Ne 激光的波长。

二、实验内容：1. He-Ne 激光器发散角测量由于远场发散角实际是以光斑尺寸为轨迹的两条双曲线的渐近线间的夹角，所以我们应延长光路以保证其精确度，此时需要在前方放置反射镜。

可以证明当距离大于λωπ207时所测的全发散角与理论上的远场发散角相比误差仅在1%以内。

（1）确定和调整激光束的出射方向，放置一个反射镜来延长光路。

（2）在光源前方L1处用光功率计检测，在与光轴垂直的某方向延正负轴测量并绘出光功率/位移曲线。

（3）由于光功率/位移曲线是高斯分布的，定义Pmax/e2为光斑边界，测量出L1位置的光斑直径D1。

（4）在后方L2处用光功率计同样测绘光强/位移曲线，并算出光斑直径D2。

（5）由于发散角度较小，可做近似计算，θ2=D2-D1/L2-L1,便可以算出全发散角2θ。

2 .利用光栅方程验证波长。

He-Ne 激光器的波长是623.8nm, 通过光栅方程可以验证激光器的波长值。

观察衍射图样，统计出衍射级数j 。

根据三角公式，计算出衍射角θ。

由于光栅常数d 已知，根据光栅方程可以计算出激光波长。

),2,1,0(sin ±±==j j d λθ1. 观察He-Ne 外腔激光器模型，了解各部分构造及工作原理。

He-Ne 激光器的组成包括有：共振腔（由放电毛细管和反射镜组成）、工作物质（有氦氖气体按一定比例组成）、放电电源（通常多采用直流高压电源）。

当氦氖激光器的电极上加上几千伏的直流高压后，管内就产生辉光发电，对工作物质进行激励从而引起受激辐射，经共振腔进行光放大以后，即产生激光输出。

氦氖激光器的参数测量（参考讲义）一台激光器的小信号增益系数,腔内损耗α，饱和光强及最佳透过率是重要的激光参数，直接影响着激光器的输出功率。

本实验在外腔激光器中用全反射腔镜，激光输出是通过在腔内插入可旋转平行板，利用平行板的反射率与入射角的关系，使激光的输出功率随平行板的旋转角度而改变，旋转平行板等效于可变透射率的输出镜。

通过测量激光输出功率与等效透射率的关系，用作图法获得以上参数。

0G s I opt Γ一、 实验原理光谱线的宽度一般由以下几部分组成：自然增宽N v Δ，碰撞增宽 ，和多谱勒增宽 ，自然增宽和碰撞增宽属均匀增宽线型，多谱勒增宽属非均匀增宽线型，自然增宽与谱线上下能级寿命成反比，如下式所示⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=Δττπν121121N(1) 式中1τ,2τ分别为上、下能级寿命。

碰撞增宽与气体压力p 成正比，如下式所示ap =Δρν (2) 式中a 为压力加宽系数，因不同气体不同谱线而异。

多谱勒增宽由激发谱线的粒子速度分布决定，与介质温度T 及原子量M 有关，还与激发谱线的中心频率0ν成正比，如下式所示()02/17/1016.7ννM T D −×=Δ (3) 式中0ν为谱线中心频率。

对某一谱线究竟哪种增宽起主要作用，属哪种线型有具体的物理条件决定。

1. 不同线型的增益饱和特性激光介质的增益吸收关于是随腔内光强的增加而下降的，这种现象叫做增益饱和，不同线型其增益饱和行为不同。

以均匀增宽为主的线型其增益饱和特性由下式描述：)()/1()2/()()2/()(002202v G I I v v v v v G s v +Δ+−Δ= (4)式中为腔内光强趋于零时频率中心处的益系数，叫做小信号增益系数。

为线型宽度,为频率为)(00v G v Δv I v 的激光强度,为饱和光强。

s I s I 与下列物理量的关系)1(为221324ττλπn v hc I s Δ= (5) 式中λ为光在介质中的波长,21τ为谱线的自发跃迁寿命,2τ为谱线上能级的总跃迁寿命。

3利用刀口法测量法，测量功率随刀口位置的变化曲线，测量传输距离，通过数据分析得到氦氖激光器的光斑直径，发散角。
4将氦氖激光器，扫描F-P腔，光电探测器依次排列，并调整至共轴，接示波器，在一个上升沿中观察氦氖激光器模式，调节输出镜，观察不同谐振腔的模式并测量模式间频率间隔。
三.实验结果与分析
在调整过程中，氦氖激光器已经调节完毕。而且由于仪器的问题，可调节的范围很小，细小的变动可能会导致激光无法产生。
建议：加入滤光片，测量功率时采用uW量程
思考题：
1、请阐述脉冲固态激光器的静态和动态工作特性
静态工作时，激光器输出一连串不规则的尖峰脉冲，称为激光的弛豫震荡，动态的情况下，输出频率稳定功率高的窄脉冲
2、半导体激光器的光斑特点，说明内在原因
光斑呈椭圆形
3请阐述激光模式的概念及形成原因
概念：具有一定振荡频率和一定的空间分布的特定光束能够在谐振腔内形成稳定振荡。将光学谐振腔内可能存在的这种特定的光束称为腔的模式。不同的谐振腔具有不同的振荡模式。在垂直于传播方向的横向面内存在的稳定场分布，称为横模。沿谐振腔轴线方向上的激光光场分布就是纵模。由于谐振腔反射镜尺寸有限，所以当光波在两镜间往返传播时必然会因为镜的边缘的衍射效应而产生损耗，使能量分布变化，在足够多次的往返传播之后腔内形成一个稳定场，它的相对分布不再受衍射影响，在腔内往返一次之后能够“自再现”出发时的场分布。这种稳定的场分布称为自再现模或横模。光波在谐振腔中往返时会因为在腔镜上反射形成驻波，稳定的驻波场就是纵模。
3.27
4.47
6.30
8.50
电流mA
240
250
260
270
280
290
300
310
320

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。

实验题目：激光散斑测量实验目的：通过对激光散斑大小的测量，了解激光散斑的统计特性，学习有关散斑光强分布重要的数据处理方法。

实验器材：氦氖激光器，双偏振片，全反射镜，透镜 ，毛玻璃，CCD ，计算机。

实验原理：激光散斑是由无规散射体（实验中为毛玻璃）被相干光照射产生的。

散斑场按光路分为两种，一种是在自由空间中传播而形成的客观散斑（本实验研究的情况），另一种是由透镜成象形成的主观散斑。

散斑的大小、位移及运动变化可以反映光路中物体及传播介质的变化。

试验中用的是激光高斯光束，其传播时光场的等振幅线在沿光路方向为双曲线。

光斑最细的位置为束腰。

激光经过凸透镜时其偏角会变化，会产生新的束腰。

毛玻璃离透镜的距离改变时，照在其上的光斑半径也随之改变。

实验是通过用计算机测量散斑的变化来算出光路中毛玻璃的移动情况。

激光散斑光强分布的规律由相关函数来描述。

自相关函数为：G （x 1,y 1；x 2,y 2）=〈Ｉ(x 1,y 1) Ｉ(x 2,y 2) 〉归一化后为： 其中： 互相关函数为：G C （x 1,y 1；x 2,y 2）=〈Ｉ(x 1,y 1) Ｉ’(x 2,y 2) 〉归一化后为： )](ex p[1),(222Sy x y x g ∆+∆-+=∆∆})](/1[ex p{})](/1[(ex p{1),(212212S P P d y S P P d x y x g y x C ρρ++∆-++∆-+=∆∆WP S πλ/2=其中实验数据（原始数据纸质提交）： N s x /像素 s y /像素 1 8.54 7.94 2 7.62 7.95 3 7.59 7.51 4 8.46 8.28 5 7.77 8.35 6 7.70 7.91 77.747.87))(/1(12P P d x x ρ+-=∆实验装置图 1.氦氖激光器 2.双偏振片 3.全反射镜 4.透镜 5.毛玻璃 D 7.计算机123 4 5 6735cm30cm15cm55cm数据处理：（1）理论值计算：由公式：2101)(πλd w =得激光管口处腰束半径为：mm E w 2244.01415926.398.632*25.001==-=由2'2012'11''2)()1(d fW f dd f f λπ+---=得mm E 55.53)4328.6*502244.0*()506501(6505050d 2222=-+---=π 由公式：2'2012'120102)()1(fW f d W W λπ+-=得：mm E W 01726.0)50*4328.62244.0*()506501(2244.0222202=-+-=πP1=150-53.55mm=96.45mm)(479.110328.6/01726.0/42202mm W a =⨯⨯==-πλπ)(126.1)479.1/45.961(01726.0)/11()1(2/1222/12202mm a p W p W =+⨯=+=)(47.96)45.96/479.11(45.96)1/1(1)1(2222mm p a p p =+⨯=+=ρ)(0984.0)126.1/(55010328.6/42mm W P S =⨯⨯⨯==-ππλ ∆x 和∆y 计算:(这里d ξ=0.06mm)∆x = d ξ (1 + p2 / ρ(P1))＝0.06×(1 + 550/ 96.47)mm ＝0.4021（mm ） ∆y= d η (1 + p2 / ρ(P1))＝0mm （2）实验值计算：S1＝(Sx ＋Sy)/2=(8.55+7.95)/2=8.25 (像素) S2=(Sx ＋Sy)/2= (7.62+7.95)/2=7.78 (像素) S3=(Sx ＋Sy)/2= (7.59+7.51)/2=7.55 (像素) S4=(Sx ＋Sy)/2= (8.46+8.28)/2=8.37 (像素) S5=(Sx ＋Sy)/2= (7.77+8.35)/2=8.06 (像素) S6=(Sx ＋Sy)/2= (7.70+7.91)/2=7.80 (像素) S7=(Sx ＋Sy)/2= (7.74+7.87)/2=7.80 (像素) S8=(Sx ＋Sy)/2= (7.78+7.69)/2=7.74 (像素) 则S ＝0.014*(S1+S2+S3+S4+S5+S6+S7+S8)/8=0.014*(8.25+7.78+7.55+8.37+8.06+7.80+7.80+7.74)/8=0.1109mm则照在毛玻璃上激光光斑的平均半径为：mm E S P w 9990.01109.0*4328.6*5502=-==ππλ ∆x =0.014*(36+36+37+37+37+35)/6=0.5087mm 毛玻璃的平均实际位移量mm P P x d 076.047.96/55015087.0)(112=+=+∆=ρξ误差分析：1）试验中求得毛玻璃的平均实际位移量为0.076mm ，照在毛玻璃上的光斑半径理论值为0.0984mm ，而实际测得为0.1109mm 。

光信息专业实验报告：氦氖激光模式实验【实验数据处理】一、HE-NE激光光束的光斑大小和发射角测量。

实验步骤：1)打开激光器从I裆跳到III档迅速起辉，然后调回I档等待稳定。

调整反射镜使反射镜将激光反射到硅光电池接收器测量窗口。

取光走过长度4.43m，缝宽小于光斑大小的十分之一。

2)移动微调平台，移动的方向应沿着光斑的半径。

每隔0.1~0.2mm测量一次功率值。

测量三次，测量硅光电池接收器的功率。

具体数据如下表1。

表1：三次测量水平位移和光功率的关系分别做出三条曲线，如下图1、2、3光功率P /μW图1m m光功率P /μW图2mm光功率P /μW图3m m我们知道，HE-NE 激光光束的光强是高斯分布，所以从以上三图对比可以看出，曲线的分布基本成高斯分布。

同时图3比较平滑，误差点较少，所以一下的分析我们均在第三组数据中讨论。

对第三组数据进行高斯拟合，如图4。

2468100.00.10.20.30.40.5光功率P /μW图4:第三组数据进行高斯拟合的图拟合曲线的表达式为：从拟合的结果可以看出，相关系数为0.9907。

可见相关程度较高，数据基本符合事实。

光斑半径的值为 3.6680w mm =发散角公式为：2()0.0949w z zθ== 实验室中光斑束腰半径为：1/21/4010.2864L R w mm L λπ⎛⎫⎛⎫=-= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭光束发散角理论值为：0020.0806w λθπ== 光斑半径为：01 3.11532w z mm θ== 所以综上，实验测量相对误差为：3.6680 3.1153100%17.74%3.1153w E -=⨯=0.09490.0806100%17.74%0.0806E θ-=⨯=总结：从上面的分析可以看出，测量得出的误差较大，主要是有以下几个方面： 1， 由于光功率测量的数值较小，所以功率变化不明显，所以拟合曲线并不完全一致。

2， 测量的时候，环境光影响到了功率计的数值。

氦氖激光器系列实验第一章 简 介氦氖激光器系列实验，主要用于氦氖激光器相关的参数测量。

通过有关实验，可以掌握氦氖激光器的调整方法，了解激光器的基本原理、基本结构以及输出激光的特性等。

主要用于高校物理教学演示。

1.1实验项目1、氦氖激光器半内腔谐振腔调节实验。

2、氦氖激光器功率稳定性的测量实验。

3、氦氖激光器光斑发散角的测量实验。

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。

1.2 技术参数半内腔氦氖激光器谐振腔曲率半径 1m ∞中心波长 632.8nm全内腔氦氖激光器腔长 250mm功率 ≥1.5mW中心波长 632.8nm共焦球面扫描干涉仪反射中心波长 632.8nm自由光谱范围 2.5GHz精细常数 ＞100第二章 激光原理2.1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、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（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10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E 1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。

辐射光子能量为12E E h −=ν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，另外其位相、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N ∝exp(－E /kT )，这是著名的波耳兹曼分布规律。

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

普通物理实验C课程论文题目氦氖激光器模式分析实验学院物理科学与技术学院专业物理学（师范类）年级2011级学号姓名指导教师论文成绩_____________________答辩成绩_____________________2012年12月07日氦氖激光器模式分析实验研究Helium neon laser model analysis Experimental Study赵子龙2011级物理学院摘要：首先阐述了氦氖激光器漠视分析实验的实验原理，其次介绍了氦氖激光器模式分析实验仪器，说明氦氖激光器在物理学中的应用。

Abstract:First elaborated the He-Ne laser indifference analysis experiment principle, followed by the introduction of the He-Ne laser mode analysis of the experimental apparatus, description of He-Ne laser in the application of physics.关键词：氦氖激光器，横模，纵模，自由光谱范围，精细常数。

Key word:Helium neon laser, transverse, longitudinal mode, free spectral range, fine constant.引言：该实验主要目的是了解激光器模式分析的实验原理以及方法，要掌握激光器模式分析的一般方法。

1 问题的提出：关于激光器的运用很广泛，因此要对激光器的原理及应用有所了解，这就是要进行激光器模式分析实验的原因。

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。

实验六氦氖激光原理与技术综合实验虽然在1917年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在，但在一般热平衡情况下，物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。

直到1960年，第一台红宝石激光器才面世，它标志了激光技术的诞生。

激光器由光学谐振腔、工作物质、激励系统构成，相对一般光源，激光有良好的方向性，也就是说，光能量在空间的分布高度集中在光的传播方向上，但它也有一定的发散度。

在激光的横截面上，光强是以高斯函数型分布的，故称作高斯光束。

同时激光还具有单色性好的特点，也就是说，它可以具有非常窄的谱线宽度。

受激辐射后经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉，最后形成一个或者多个离散的、稳定的谱线，这些谱线就是激光的模。

在激光生产与应用中，如定向、制导、精密测量、焊接、光通讯等，我们常常需要先知道激光器的构造，同时还要了解激光器的各种参数指标。

因此，激光原理与技术综合实验是光电专业学生的必修课程。

一．实验目的1.理解激光谐振原理，掌握激光谐振腔的调节方法。

2.掌握激光传播特性的主要参数的测量方法。

3.了解F-P扫描干涉仪的结构和性能，掌握其使用方法。

4.加深激光器物理概念的理解，掌握模式分析的基本方法。

5.了解激光器的偏振特性，掌握激光偏振测量方法。

6.理解激光光束特性，学会对高斯光束进行测量与变换。

7.了解激光纵模正交偏振理论与模式竞争理论。

二．实验原理1．氦氖激光器原理与结构氦氖激光器（简称He-Ne激光器）由光学谐振腔（输出镜与全反镜）、工作物质（密封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成。

对He-Ne激光器而言增益介质就是在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。