He-Ne激光器

实验 He-Ne 激光器性能参数的测量
一、目的
1．了解He-Ne 激光器的结构和各部分的作用；
2．改变工作电流，观察电流和输出功率的关系；
3．了解F-P 扫描干涉仪的结构和性能，掌握它的使用方法，观察激光He-Ne 激光器的输出频谱；
4．学会测量输出激光偏振特性的方法。

二、原理
1．激光器的调试原理
激光器的调试原理是用LD 发出的光作为基准光线，使He-Ne 激光管放在该基准光线上，然后使耦和输出镜也放在该基准光线上，当激光谐振腔满足谐振条件，才能产生He-Ne 激光。

调整He-Ne 激光器与反射镜的相对位置关系，只有当谐振腔的两个反射镜均以激光器毛细管准直时，激光才有可能产生。

2．He-Ne 激光器的模式结构
激光器的谐振腔具有无数个固有的、分离的谐振频率。

不同的谐振模式具有不同的光场分布。

光腔的模式可以分解为纵模和横模，它们分别代表光腔模式的纵向光场分布和横向光场分布。

用模指数q n m ,,可表示它们不同的模式。

由无源谐振腔理论，得 )]}1)(1arccos[()1(22{42
1R L R L n m q L c mnq --++π+η=ν (1-1) 式中，η为介质折射率；c 为真空中的光速；L 为腔长；1R 和2R 为谐振腔的两反射镜曲率半径；q 为纵模指数，一般为很大的整数；n m ,为横模指数，一般为⋅⋅⋅,2,1,0，当0==n m 时为基横模，其对应光场分布在光腔轴线上的振幅最大，从中心到边缘振幅逐渐减小，当00≠≠n m 或时，称为高阶横模。

当n m ,相同时，即对于同一阶横模，相邻纵模间隔是等间距的，其频率差为：
L
c mnq q mn η=ν-ν+2)1( (1-2) 对于不同纵模（即q 值不同），虽对应不同的纵向（沿腔轴线方向）光强分布，但由于不同纵模光强分布差异极小，从光斑图样无法分辩，只能根据不同纵模对应不同频率来分析。

设对于某个纵模，其频率为：q L c q η=
ν2，则不同纵模间的频率差
q L c q q q ∆η=ν∆∆+2, (1-3)
由于各种因素可能引起谱线加宽，使激光介质的增益系数有一频率分布，如图1.1所示，该曲线称为增益曲线。

He-Ne 激光器是以多普勒加宽为主的激光器，只有频率落在工作物质增益曲线范围内并满足激光器阈值条件的那些模式才能形成激光，如图1.2所示。

由式(1-3)知，腔长L 越大，频率差越小，同样的荧光线宽中可出现的纵模数目越多。

图1.1 图1.2
3．共焦球面扫描干涉仪工作原理
本实验所用共焦球面扫描干涉仪是由两块镀有高反射膜切曲率半径相同的凹面反射镜组成，它们共轴放置，其间的距离等于它们的曲率半径，构成一共焦系统。

当波长为的光束入射到干涉仪内时，在干涉仪内走X 型路径，如图1.3所示，经L 4=∆，光线过4次反射后与原入射光重合，其光程差每走一个来回经过一次点A 或点B ，就有一部分光强透射出去，形成透射光束，如果透射的相邻两光束光程差是波长的整数倍，即满足λ=K L 4（K 为整数），则透射光束相干叠加产生光强极大值。

当固定干涉仪的腔长和介质的折射率时，其透射光波是分离的。

如果改变干涉仪的腔长和介质的折射率，则可改变其透射波长。

本实验中使用的扫描干涉仪是通过连续改变腔长而实现对透射光波长扫描的。

干涉仪的一个反射镜固定1M 不动，另一个反射镜2M 与一压电陶瓷环相连，压电陶瓷环在'
OO 方向上的长度变化量与所加电压成正比。

设在某电压作用下，压电陶瓷环长度微小的变化使干涉仪腔长由L 变为'L ，透射光波长变为'λ，则当''4λ=K L 时，透射光束将产生干涉极大值。

如果用锯齿电压加在压电陶瓷环上，则干涉仪的腔长将产生连续的周期变化，透射光波长将产生相应的连续变化。

三、仪器
光学实验导轨 、准直光源、小孔光栏屏、激光管调整架、半内腔氦氖激光管、激光电源、二维膜片架（含硬膜膜片）、激光功率指示计、显示屏、扫描干涉仪、示波器、偏振片
四、实验内容及步骤
1．实验仪器的安装
(1)将导轨放置在一个稳定坚固的平台上。

(2)将He-Ne 激光器及四维调整架放置在导轨的一端，布氏窗朝向导轨的另一端，锁紧滑块上的两个螺钉，使激光器与导轨紧固连接。

(3)将半导体激光器（LD ）及二维调整架放置在导轨的一端，激光束指向He-Ne 激光器，锁紧滑块上的螺钉，将半导体激光器固定在导轨上。

(4)紧靠LD 放置小孔光栏屏并锁紧滑块上的螺钉。

(5)在小孔光栏屏与He-Ne 激光器之间放置一个滑块用以放置He-Ne 激光器的反射镜。

(6)将He-Ne 激光器的高压电源线与He-Ne 激光器的电源可靠连接。

(7)在确定He-Ne 激光器电源处于“关”状态后，将功率指示器和激光电源于220V 电源相连。

2．实验仪器的调制
(1)打开功率指示计的电源，LD 产生激光。

(2)调整LD 的高度与方向，同时调整小孔屏的高度与位置，使小孔的激光可以打在He-Ne 激光器的布氏窗中心区域。

(3)将He-Ne 激光器的另一个反射镜连同二维精密调整架放置在He-Ne 激光器前的滑块上，调整反射镜架的高度使激光大致打在反射镜的中心位置上，锁紧反射镜架。

(4)前后滑动反射镜，并注意光斑在反射镜的位置，并反复调整LD 和小孔栏屏方向和位置，以使反射镜在早前后滑动的过程中，光斑始终位于反射镜膜片的中心区域。

这时LD 激光束基本上与导轨平行，我们将以这条激光束作为基准来调整谐振腔。

在整个实验过程中这个基准不变。

(5)取下He-Ne 激光器的反射镜架，这时LD 激光束又会落在He-Ne 激光器的布氏窗上通过激光器的玻璃外壳我们会看到这束LD 激光是否进入毛细管（这时He-Ne 激光器光源应处于“关”状态，以便于观察）。

调整布氏窗这端的二维调整架，使LD 光束进入毛细管，这时我们可以在小孔光栏屏上看见从He-Ne 激光器的另一反射镜反射回来的光。

(6)调整He-Ne 激光器反射镜端的二维调整架，小孔光栏屏上的反射光的强度和形状也随之变化，尽量使这个光斑变强并成为一个亮点。

图1.3
(7)反复调整He-Ne 激光器前后的两个儿维调节架，使反射器小孔光栏屏的光斑尽可能对称、照亮，并重合于小孔，此时可认为毛细管基本以LD 激光束（基准）相重合，全反射镜与LD 激光束垂直。

(8)将步骤⑸中取下的反射镜重新放回到导轨上，调整高度使LD 光斑落在膜片中央位置。

(9)调整反射镜架上的两个调整螺钉，使该反射镜反射回小孔屏上的光斑落于小孔中心。

3．He-Ne 激光的产生
(1)打开He-Ne 激光电源，激光管亮。

调整电流适当大小。

(2)这时应有He-Ne 激光输出。

如果没有，请仔细调整反射镜上的两个调整钉，直
到有He-Ne 激光器输出为止。

(3)将功率探头放入光路，探测He-Ne 激光器的输出功率，反复仔细的调整反射镜
上的两个螺钉，以使功率达到最大。

改变工作电流，记下输入电流和输出功率的
值，画出I P ~的曲线。

4．观察纵模数目
(1)取下功率计，换上共焦球面扫描干涉仪，在扫描干涉仪前放置一小孔光阑。

(2)连接线路，调整共焦球面扫描干涉仪，使从扫描干涉仪反射回来的光，对称落在小孔光阑中心。

(3)调节锯齿波发生器和示波器的频率，在示波器上将看到波形。

(4)调节输出镜，可看到波形数目的变化。

记录看到的波形数目。

5．偏振比的测量
(1)小孔光阑和扫描干涉仪取下，换上偏振棱镜和功率计。

(2)旋转偏振棱镜，并观察功率计示数的变化，记录功率的最大值m ax P 和最小值m in P ，代入公式m in m ax P P =ρ求得偏振比。