专业实验 实验四 氦氖多谱线激光器实验讲义(1)

多谱线氦氖激光器实验实验讲义大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印多谱线氦氖激光器在增益管长为1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法，在可见光区分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡。

实验要求掌握He-Ne多谱线激光线器的工作原理及腔型结构的特点；学习外腔式激光器及腔内带棱镜激光器的调节方法；测量各条激光谱线的波长；找出各条谱线的最佳放电电流及测量最大输出功率。

一、实验原理一台激光器除激励电流外主要由两部分组成，一是增益介质；二是谐振腔。

对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的毛细管内按一定的气压充以适当比例的氦氖气体，当氦氖混合气体被电流激励时，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使介质具有增益。

介质增益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素有关。

对谐振腔而言腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的曲率半径要满足腔的稳定条件。

总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。

由于介质的增益具有饱和特性，增益随激光强度增加而减小。

初始建立激光振荡时增益大于损耗，随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。

稳定振荡时的增益叫阈值增益，初始的增益叫小信号增益。

小信号增益与阈值增益之差越大，腔内的激光强度越强，对小信号增益很低的激光谱线是否能获得激光振荡，关键在于谐振腔的损耗能降低到什么程度。

1、在可见光区激光谱线的小信号增益系数在氦氖混合气体的增益管中氖原子的3S2能级对2P i（2P i是2P1，2P2，…，2P8，2P10九个能级的简称，3S2-2P9的跃迁是违禁的）九个能级之间能够产生粒子数反转，使介质具有增益，九条谱线的小信号增益系数G0如表1所示。

测量时各谱线的放电电流值不相同；表中相对增益系数是用用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性的装置测得的，各谱线的放电电流相同。

表1 He-Ne 3S2-2P i谱线的小信号增益系数2、谐振腔的稳定条件激光器的谐振腔是由两块相距为L ，曲率半径分别为球面的反射镜组成。

要使腔内近轴传播的光线多次来回反射不会逸出腔外，腔镜的曲率半径级腔长必须满足111021<⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-<R L R L （1）对平凹腔来说，若R 2＝∞，稳定条件为0<(1-L /R 1)<1，则凹面镜的曲率半径必须大于腔长。

对于对称腔，R 1＝R 2＝R ，稳定条件为(1-L /R )2<1，则反射镜的曲率半径必须大于腔长的一半。

由于相对小的曲率半径对应相对大的发射角，通常反射镜的曲率半径选择2～5倍腔长。

3、激光振荡条件建立激光振荡必须满足光在增益介质中来回运行一次得到的增益足以补偿运行中的损耗，用公式表示为12exp 21=-a a G L r r α （2）式中r 1和r 2分别为谐振腔两镜片上的反射率，L a 为增益介质长度，G 为建立稳定激光时介质单位长度的增益，叫阈值增益系数。

a a 为增益介质内的损耗，包括衍射损耗。

两镜片总的反射率r 与投射率t 及吸收散射损耗a s 的关系有s t r α--=1（3） 4、谐振腔反射镜谐振腔反射镜镀有多层光学介质膜。

实验使用反射率高达99.9％。

而损耗小于0.1％的高质量介质膜，使低增益激光谱线实现振荡成为可能。

介质膜反射率带宽（即波长范围）通常为1000A 左右，实验中涉及的九条激光谱线覆盖的波长范围约2000 A ，需使用两种或三种不同波长范围的反射膜片。

5、腔内棱镜在谐振腔中插入色散棱镜P ，如图1所示。

由于棱镜分光作用，对不同波长其偏向角不同，谐振腔只能对其中一条谱线满足振荡条件，而其它波长由于偏离谐振腔光轴，损耗大于增益不能起振。

若要改变振荡谱线，需把棱镜和谐振腔调准到使该谱线满足振荡条件的位置。

棱镜调谐波长的方式基本上有两种，一种是棱镜的入射角不变，不同波长对应不同出射角，调谐波长时，棱镜保持不动，只改变谐振腔反射镜的方位，使相应波长的光束沿原路返回实现振荡。

另一种是棱镜出射角不变，反射镜相对棱镜不动，当改变波长时，使棱镜和反射相对入射光做整体转动。

后一种也可采用半棱镜结构，在半棱镜的出射面上镀有全反射介质膜，取代谐振腔反射镜。

用半棱镜优点是调节元件损耗小，缺点是棱镜的角色散和角分辨减小了一半。

本实验采用第二种方式的全棱镜结构。

图1 色散棱镜的作用（1） 关于棱镜材料与加工在可见光波段He-Ne 激光谱线的增益是很小的，每厘米约为10-3～10-5量级。

在谐振腔内插入色散棱镜必然会增加腔内损耗，因此在选择棱镜材料和加工时要尽可能减少损耗。

棱镜材料要求透明度高，色散大，熔石英的透明度很好，在可见光区每厘米长度的吸收率小于0.001，但色散不理想，可用在增益小而谱线间隔相对大的短波长区。

重火石玻璃在可见光区吸收比熔石英大好几倍，但色散也比熔石英大几倍，可用在6328A 附近谱线间隔密集而增益系数相对大的光谱区。

棱镜表面加工光洁度在顶角A 附件要求达到I 级。

（2） 棱镜顶角的设计为了减少光束在棱镜界面上的反射损耗，光束在棱镜界面上的入射角应是布儒斯特角θb ，同样从棱镜出射的光束也是布儒斯特角，如图2所示。

从图中光线的几何关系可知棱镜顶角A 应满足01arctan 22n A b ='=θ （5） 式中bθ'为棱镜材料内的布儒斯特角，n 0为棱镜所用波段中心波长的折射率。

实验中提供了两块棱镜供选用，一块为熔石英，棱镜顶角为A ＝68º55′，另一块为重火石玻璃，棱镜顶角为A ＝61º52′，中心波长均为6328 A ，各种波长都以6328 A 的布儒斯特角θb ,633为出射角，各种波长相应的入射角θλ可用下式求得：⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=633,sin 1arcsin sin arcsin b n A n θθλλλ （6） 式中n λ表示相应波长的折射率，其数值是根据文献【2】给出的特征波长折射率，用内插法求得。

两块棱镜的数据分别由表2和表3给出。

图2 棱镜光路表2 重火石玻璃棱镜激光波长与入射角的关系（A＝61º52′）表3 熔石英棱镜激光波长与入射角关系（A＝68º55′）二、实验装置实验装置如图3所示，图中Las是氦氖气体放电管，增益区长1m，氦氖比例为5:1，总气压为250Pa，内径2.5mm，放电管两端封窗为熔石英材料。

图3 实验装置示意P为色散棱镜，SP为棱镜转台，转台的最小分度为1′。

M1，M2，M3为谐振腔反射镜，分别装在两个调节自由度的镜架上。

如图4所示，图中M表示装在镜架上的反射镜，a，b为把镜架支撑在基座上的弹簧螺丝，A，B，C为镜架微调螺丝，一般不调C，调节A钮时镜片M以CB连线为水平轴作微小转动，调B钮时M以CA为垂直轴作微小转动。

图4 反射镜调节架M1，M2组成辅助腔，M1为凹面全反射镜，曲率半径一般选择2～3m，M2为平面镜，反射率要求不严格，一般大于97％。

首先在M1和M2之间调出6328A激光，为调整棱镜P和反射镜M3提供准直光线。

M1和M3构成带棱镜的可调谐波长的谐振腔。

M3的曲率半径一般选择3m 以上。

反射率取决于谱线增益及对输出功率的要求，反射率大于99.7％的镜片，适用于波长大于6118 A 的谱线，对波长最短的三条谱线，反射率要求达到99.9％，尤其是5433 A 谱线增益最低，对调节精度的要求也是最高的。

W 表示激光功率计，最小量程10μW ，最大量程50mW 。

WDG 表示WDG-30型光栅单色仪，用来鉴别激光波长。

波长精度为1 A ，入缝处用毛玻璃减光，出缝处可用目镜直接观测。

三、 实验内容及要求1、谐振腔的调整（1） 谐振腔的调整偏差谐振腔的调整要使腔的光轴与放电毛细管的管轴基本重合，其偏差直接影响激光功率的大小。

为了便于分析，把谐振腔的调整偏差分解为平行度偏差δ1和垂直度偏差δ2两部分。

以对称腔为例，腔镜M 1，M 2的曲率中心，其连线为谐振腔的光轴，光轴相对管轴的距离为r ，假设允许的最大偏差r m 为毛细管直径D 的1/10，则平行度偏差δ1可用M 1或M 2镜的偏斜角表示1110-⨯==R D R r m δ （7） 腔镜的曲率半径R 越大，允许的平行度偏差越小，对调节的精度要求越高。

图5 平行度偏差示意图6 垂直度偏差示意图6给出垂直度δ2的示意，镜M 1，M 2的曲率中心分别为21,C C ''，分布在管轴的两侧，位移量为r ′，新的光轴为21C C ''连线，这时M 1与M 2是相互平行的，只是光轴与管轴有一交角，假设毛细管长等于腔长L ，光轴允许的最大偏差在镜片上用r m 表示，由图中几何关系可知。

2/2/L R r L r m m -'= （8） 谐振腔垂直度偏差δ2可用镜片的偏角θ表示R r m/2'==θδ （9） 用（8）式中的mr '代入（9）式得 ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=121212L R L R R r m δδ （10） （10）式表明当腔镜的曲率半径比腔长大时，允许的垂直度偏差比平行度偏差大。

如果腔镜的调节感量（或精度）比允许的垂直度偏差小，当激光器调出激光后，还可以经过精心的调节使垂直度偏差减小，从而使激光功率增强。

（2） 直腔激光器的调节方法直腔指腔内没有插入色散棱镜的激光腔（如图7(a)所示），调节时用到一种叫光靶的调整工具。

光靶的结构是一个带手柄的平面光屏，在屏的中部刻有十字线并有小灯照明，十字线的中心开有直径约为0.8mm 的小孔。

调整时让刻有十字线的一面对着激光器的一端，让眼睛从光靶的背面通过小孔观察处于放电状态的毛细管，能够看见在反射镜膜片透光的背景上有一个直径约为2－3mm的放电毛细管截面，颜色比周围背景亮。

如果小孔处在毛细管轴线附近，在毛细管的截面内还应看见一个更亮的只有针尖大的亮点，这就是放电毛细管的轴心。

如图 4.7(b)所示，上下左右调整光靶的位置，使小亮点处在毛细管截面的中心，这是光靶的小孔就处在毛细管的轴线上了。

图7 直谐振腔的调节下一步的调节要使反射镜的光轴与这条轴线重合，如果反射镜的法线与管轴偏离不远，在视场内就可以看见通过反射镜的十字线虚像。

调节反射镜架上两个俯仰A和偏转B螺丝（见图4），使十字像的中心与毛细管截面中心亮点重合。

这时反射镜的法线与放电管轴线重合。

用同样的方法调节另一端反射镜。

如果上述步骤操作准确，激光就会出现。

若不出激光可多次重复上述步骤。

仍无效时可如下操作，来回微调A钮使十字线沿毛细管轴心上下扫描，当两镜片接近时可观察到轴心亮点变亮，把A钮固定在使轴心最亮的位置上，用同样的方法调B钮。