实验 氦氖激光器的调整及光斑的测量 学习体会
应用物理2班 曹朝榴 2014114025
关于氦氖激光器谐振腔调节，使激光输出，非常重要的前提就是分辨谐振腔是外腔式，还是半外腔式，才能选择十字光靶法和激光准直法中更为适合的一种方法。
本次实验使用的是半外腔式，所以使用激光准直法，能更为容易的调出激光。
在调节过程中，需要将已经调好的氦氖激光器放在导轨的另外一端，利用调节板的小孔调整氦氖激光器的方向，直至激光器出光方向与导轨平行。紧接着按书上方法调整，直至出光为止。
因为激光是一条直线，且每个仪器透过的小孔都比较小，所以需要每个仪器都调整得高度精确。就需要足够的耐心，并且非常仔细。轻微的调节手扭，不断的透过小孔观察，因为耗时较长，且过程单一枯燥，所以极其容易失败，调节过程中应该克制住自己的急躁，静下心来，按照正确的方法调整激光。
氦氖激光器的结构及原理
1.氦氖激光器的结构
氦氖(He-Ne)激光器的结构一般由放电管和光学谐振腔所组成。激光管的中心是一根毛细玻璃管,称作放电管(直径为1mm左右);外套为储气部分(直径约45mm);A是钨棒,作为阳极;K是钼或铝制成的圆筒,作为阴极。壳的两端贴有两块与放电管垂直并相互平行的反射镜,构成平凹谐振腔。两个镜版都镀以多层介质膜,一个是全反射镜,通常镀17层膜。交替地真空蒸氟化镁(MgF2与硫化锌(ZnS)。另一镜作为输出镜,通常镀7层或9层膜(由最佳透过率决定)。毛细管内充入总气压约为2Torr(托)的He、Ne混合气体,其混合气压比为5:1-7:1左右。内腔管结构紧凑,使用方便,所以应用比较广泛。但有时为了特殊的需要也常选用全外腔式或半外腔式。全外腔式的放电管和镜片是完全分离的,半外腔式是上两种形式的结合。外腔式和半外腔式都需要粘贴布儒斯特片,窗片法线与激光光轴有一夹角,应等于布儒斯特角θ:θ=tg-1n , K8玻璃对632.8nm激光 n=1.5159;θ=56°35';熔融石英
n=1.46;θ=55°36'。因此,全外腔式和半外腔式激光器输出的光束是电矢量平行于入射面的线偏振光。
2.氦氖激光器激发机理
氦氖激光器中工作物质是氦气和氖气,其中氦气为辅助气体,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,主要有632.8nm、1.15um和3.39um三个波长。氦原子有两个亚稳态能级21S0、23S1,它们的寿命分别为5×10-6s和10-4s,在气体放电管中,在电场中加速获得一定动能的电子与氦原子碰撞,并将氦原子激发到21S0、23S1,此两能级寿命长容易积累粒子。因而,在放电管中这两个能级上的氦原子数是比较多的。这些氦原子的能量又分别与处于3S和2S态的氖原子的能量相近。处于21S0、23S1能级的氦原子与基态氖原子碰撞后,很容易将能量传递给氖原子,使它们从基态跃迁到3S和2S 态,这一过程称能量共振转移。由于氖原子的2P、3P态能级寿命较短,这样氖原子在能级3S-3P、3S-2P、2S-2P间形成粒子数反转分布,从而发射出3.39um、632.8nm、1.5um三种波长的激光。上述过程可表示为:
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
2/12
2
00])(1[)(
wz
wzw
其中λ是激光波长。上式可改写成双曲线方程
1]
/[])(
[2
2
02
0
wz
wzw
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
zzww/)(2)/(2
0
(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[)()(22
0000zwrzErE
（1.2） 式中)(
00zE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，)(
00rE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)(
00rE为)(
00zE的1/e 倍。
前面的讨论中，我们并未对光束半径下定义。现在可以将光束半径w(z) 定
He-Ne激光器与激光谐振腔实验指导书
浙江大学光电系 特别提示！！！ 1. He-Ne激光器的阳带有几千伏的高压，请注意安全！！！ 2. 激光管为玻璃结构，易碎，特别是布氏窗结构，由多种玻璃构成，应避免受力和碰撞。 激光膜片是非常易损的光学元件，应绝对避免人手的触摸和剐蹭，必要的清洁请使用专用长丝棉或脱脂棉结合干净的乙醚或丙酮轻轻擦拭。 一． 实验内容与目的 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． 实验设备 光学导轨、
准直光源（650nm 3.5mW半导体激光器），
二维可调架，
小孔光栏屏，
激光管调整架（由两个二维调整架组成，可完成4个自由度的调整），
半内腔氦氖激光管：波长6328nm，最大输出功率≥2mW，
激光电源：稳流，电流可调，范围4.5-8毫安
二维反射镜架：精密细牙调整螺钉（含硬膜半反射镜）
二维可调扩束镜：
激光功率计：3-1/2位数字表头，测量范围：200微瓦、2、20、200毫瓦、可调档, 含半导体激光
电源。
