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
λ
ωπ20
7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 λ
θ
1. 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。
2、应先接好激光管的电极引线，再接通He-Ne电源的开关。激光管通电后带有高压，不要用手摸电极，以免触电。
3、将激光器上的全反射镜拧下，在导轨上安装外腔全反射镜，用十字叉调节全反射镜和输出镜平行，直到有激光出射确定两个镜子平行。
4、等激光器稳定输出后，在光路中加一个反射镜来延长光路，改变功率计的位置进行不同测量，记录数据后分析发散角的大小。
5、在激光器输出前方放置一个偏振片，旋转偏振片观察光强的明暗变化，旋转到完全消光的位置来判断外腔激光器的偏振状态。换上内腔单模激光器重新观察一遍，并比较两激光器的偏振状态
6、在激光器输出前方加光栅，观察衍射条纹，测量光栅到条纹间距，并测量条纹间距，记录实验数据，根据光栅方程反推激光器波长。
三、实验仪器：
如图所示：He-Ne外腔激光器模型、功率计、导轨、调节固定器件、反射镜
四、实验原理 ：
1. 高斯光束的发散角
激光器的光强分布为高斯函数型分布，故称为高斯光束。用全发散角2θ表征它的发散程度，定义
2θ≡2
/142422)(2)(200
-+=λωππωλωz z dz z d （1）
现在分析2θ在整个光路中的变化情况。显然，在z ＝0处，2θ＝0，当z 增大，2θ增加。在z ＝0→z ＝zr 这段范围内，全发散角变化较慢，称zr 为准直距离，
λπω20
≡
r
z （2）
在z>zr,全发散角变化加快,当z →∞, 2θ变为常数,我们将此处的全发散角称为远场发散角,有
2
2πωλ
θ= （3）
实验中,由于不可能在无穷远处测量,故(3)式只是理论上的计算式,不能作为测量公式,而需用近似测量来代替.可以证明,当z ≥7zr=7πω02/λ时, 2θz/2θ(∞) ≥99%,即当z 值大于7倍zr 时所测得的全发散角,可和理论上的远场发散角相比,误差仅在1%以内,那么z 值带来的实验误差已不是影响实验结果的主要因素了,这就为我们提供了实验上测远场发散角所应选取的z 值范围。
可采用以下两种近似计算:
一种方法是,选取z>zr 的两个不同值z1,z2,根据光斑尺寸定义,从I ～ρ曲线中分别求出ω(z1),ω(z2)根据公式
1
22
1
)
()(22z z z z --⋅
=ωωθ （4）
另一种方法是,由于z 足够大时,全发散角为定值,好像是从源点发出的一条直线,所以实验上还可用一个z 值(z ≥7zr)及与其对应的ω(z),通过公式
2θ=2ω(z)/z （5） 来计算,选择哪一个近似公式更好,要根据具体情况和误差分析而定。 2.光栅方程法验证激光波长
光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光
栅、复制光栅、全息光栅等。反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射级次。
),2,1,0(sin ±±==j j d λ
θ
上式表示衍射光栅所产生谱线的位置，这个重要的公式称为光栅方程。b a d +=称为光栅常数，θ是衍射角，j 是衍射级数，λ是光波长。光栅常数已知，可以通过统计衍射级数j 和测量衍射角来计算He-Ne 激光器的波长。
五、实验结果： 1.
Z1=660mm
x/mm 0.1 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.6 0.7 P/mw 0.052 0.18 0.26 0.34 0.45 0.6 0.8 1
1.4 x/mm 0.8 0.9 1
1.05 1.15 1.25 1.35 1.45 1.55 P/mw 1.7 2
2.1 2.2 2.39 2.41 2.41 2.4 2.4 x/
1.
1. 1. 1.
1.
2.
2.
2. 2.
