He-Ne laser1(1)

地点：理工楼506 时间：Friday From 8:00 to 17:00

实验9 He-Ne激光器与激光谐振腔

前言

激光即Laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，原意是受激辐射光放大所产生的光。它是从微波激射器（Maser）发展而来的。Maser( Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)意为通过辐射的受激发射进行微波放大。1954年初，美国的汤斯（C. H. Towns）等人，制成了世界上第一个微波激射器。1958年，汤斯和肖洛（A. L. Schawlow）将Maser原理推广到光学波段。1960年7月，美国的梅曼（T. H. Maiman）成功地做出了世界第一台激光器——红宝石激光器。此后，激光的发展突飞猛进，在激光理论、激光技术、激光应用等各个方面都取得了巨大的发展。激光技术的发展，还带动了一些新兴学科，如全息光学、非线性光学、傅立叶光学、激光光谱学、光化学等学科的迅速发展。激光技术的出现和发展，也标志着人类对光频相干电磁辐射的手段、控制能力及其与物质相互作用规律性的认识，都达到了一个新的更高级的阶段。

He—Ne激光器：以He、Ne混合气体为激光工作物质的一种气体激光器，是一种典型的四能级激光器。由于它具有结构简单、使用方便、光束质量好、工作可靠和制造容易等优点，是应用最广泛的一种气体激光器。本实验通过调整半内腔He-Ne激光管外部的部分反射，使之满足激光起振条件，产生激光。通过实验，掌握激光器工作原理和激光谐振腔理论，同时对He-Ne激光器的输出特性有一初步的了解。

一、实验目的

1、调整一台半内腔He-Ne激光器，使之满足激光起振条件，产生激光。

2、改变激光器的工作电流，观测放电条件对激光输出功率的影响。

3、通过在导轨上移动反射镜，改变谐振腔腔长，观察测量腔长与横模、功率的关系，以及对束腰直径、发散角的影响。

二、实验原理

1、He-Ne激光器的激发机理

He-Ne激光器的工作物质是Ne原子，即激光辐射发生在Ne原子的不同能级之间。He-Ne 激光器放电管中冲有一定比例的He气，主要起提高Ne原子泵浦速率的辅助作用。图1是与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级3P和2P能级。由图可见，He原子的激发能级21S0、23S1分别与Ne原子的3S和2S 能级十分接近，因此，当He-Ne管内的气体放电时，He原子与高速电子碰撞，被激发到23S1和21S0上。进而，这些激发态He原子通过共振能量转移过程，将处在基态上的Ne原子激发到2S和3S能级上，当被激发到3S和2S能级上的Ne原子数足够多时，会在3S、2S能级与3P、2P能级间产生粒子数反转，通过受激辐射过程即可产生He-Ne激光。由该过程跃

迁到3P、2P能级上的Ne原子，很容易通过自发辐射跃迁到1S能级上，再通过与管壁碰撞将能量交与管壁，回到基态。

图1 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图

由上述激发过程可见，He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条：

3S→2P 632.8nm

2S→2P 1.15μm

3S→3P 3.39μm

2、内腔式He-Ne激光器简介

根据激光器放电管和谐振腔反射镜放置方式的不同，He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图2所示。半内腔式激光器[图2-2(c)]是指激光器的结构为一个反射镜（M1：全反射镜）固定于工作物质，另一个反射镜（M2：部分反射镜）独立于工作物质，可做适当调整的结构形式。

图2 He-Ne激光器的基本结构形式

半内腔式He-Ne 激光管[图3]由放电管和谐振腔组成。放电管中央的细管为毛细管，套

在毛细管外面较粗的管子为储气管，A 为阳极，K 为阴极。现分别介绍如下：

图3 半内腔式He-Ne 激光管结构

1、 毛细管：毛细管是产生激光增益的区域，它的几何尺寸决定了激光的最大增益，

光在激光器中传播单程的增益l v G )(正比于毛细管的长度l 。同时，增益系数)(v G 与毛细

管直径成反比。因此毛细管越细，Ne 的1S 态通过器壁碰撞回到基态的概率越大，这有利

于激光下能级2P 4的抽空，因而使增益增加。但是毛细管的直径也不能选得太细，太细了给

输出谐振腔带来麻烦，使衍射损失增大，而且影响激光器的总的输出功率（它与毛细管的

直径平方成正比）。吹制毛细管时应尽量保持毛细管直，以免挡住光路。

2、 电极：电极的好坏对激光器的寿命影响很大。 He-Ne 激光器工作于辉光放电区，

放电电流并不高，但是气体放电时，被电场加速的正离子轰击阴极引起阴极的溅射与蒸发，

这些飞离阴极的金属原子，可能沉积在附近玻璃壁上，导致对部分工作气体的吸收与吸附，

使放电管内工作气体压强不断降低，或者把谐振腔的反射镜弄脏，大大降低镜的反射率。

一般选溅射较弱的铝作阴极，铝表面的氧化层有效地防止了离子轰击造成的侵蚀。用铝做

成的电极在使用前通常先进性“阴极氧化”处理，即在放电管中充入几个托的氧气或空气

进行一定时间的溅射，放电使阴极表面完全生成氧化膜。阴极一般做成空心圆柱体，以减

低溅射效应。功率较小的He-Ne 激光管一般用钨杆作阳极，由于电子质量比正离子小得多，

所以由阳极造成的危害比阴极小得多。

3、 储气管：储气管直径一般为2~5cm ，视具体毛细管尺寸而定。储气管与毛细管的

气体是通过一端开放的毛细管连通在一起的。储气管的主要用途是稳定工作气压、稳定输

出功率和延长激光器寿命。电极溅射、管壁吸收与吸附、气体扩散等效应使管中气压不断

降低，放电时带电粒子对管壁的轰击也会使气压在一定范围内波动，储气管的存在能使上

述影响减弱。此外储气管起着支撑毛细管的作用，使之不易弯曲。

4、 激光电源：本实验采用直流高压激发放电，激发电压高达几千伏。工作电流4~7mA 。

三、实验设备（参考图4）：

1）光学实验导轨：1000毫米 一根

2）准直光源：二维+LD 650nm 3.5mW 一个

3）小孔光栏屏： 一个

4）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。

M 1 M 2

储气管