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。

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。