外腔He-Ne激光器的调试及参数测量
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{421R 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：Lc 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激光器谐振腔调整及纵横模观测
He-Ne激光器谐振腔调整及纵横模观测相对一般光源，激光具有单色性好的特点，也就是说，它具有非常窄的谱线宽度。
这样窄的谱线，不是受激辐射后自然形成的，而是受激辐射经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉后形成的。
所形成的一个或多个离散的、稳定的又很精细的谱线就是激光器的模。
每个模对应一种稳定的电磁场分布，即具有一定的光频率。
相邻两个模的光频率相差很小，我们用分辨率比较高的分光仪器可以观测到每个模。
当从与光输出的方向平行（纵向）和垂直（横向）两个不同的角度去观测和分析每个模时，发现又分别具有许多不同的特征，因此，为方便每个模又相应称作纵模和横模。
在激光器的生产与应用中，我们常常需要先知道激光器的模式状况，如精密测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距等不仅要求基横模，而且要求单纵模运行的激光器。
因此，模式分析是激光器的一项基本而又重要的性能测试。
一、实验目的1．了解激光器的模式结构，加深对模式概念的理解。
2．通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。
3．对本实验使用的分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确使用。
二、实验原理1．激光器模的形成我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。
如果用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，将有一定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，如图2-1所示。
实际上，由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响，增益介质的增益有一个频率分布，如图2-2所示，图中)(G为光的增益系数。
只有频率落在这个范围内的光在介质中传播时，光强才能获得不同程度的放大。
但只有单程放大，还不足以产生激光，图 2-1 粒子数反转分布生激光还需要有谐振要产腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定、持续的振荡。
形成持续振荡的条件是，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即q q L λμ=2 （2-1）式中，μ为折射率，对气体μ≈1；L 为腔长；q 为正整数。
HeNe激光器模式分析
实验二 He-Ne激光器的模式分析一、实验目的1.用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne激光器的相邻纵模间隔，判别高阶横模的阶次。
2.了解激光的频谱结构，掌握扫描干涉仪的使用方法及测定其性能指标的实验技能。
3.观察激光器的频率漂移及跳模现象，了解其影响因素；观察激光器的输出横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。
二实验设备He-Ne激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干涉仪、锯齿波发生器、放大器、示波器等三、实验原理1．激光的频率特性激光器的光学谐振腔内可存在一系列具有分立谐振频率的本征模式，但其中频率位于工作物质增益带宽范围内，并满足阈值条件的本征模才会振荡形成激光。
通常把激光光波场的空间分布，分解为沿传播方向（腔轴方向）的分布E(z)和垂直于传播方向在横截面内的分布E(x,y)，即谐振腔模式可分为纵模和横模，用符号TEM标志不同模式的模式分布。
对激光束的模式进行频率分析，可以分辨出它的精细mn结构。
由无源腔理论可知：共轴稳定球面谐振腔TEM mn 模的频率为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+++=2111arccos )1(12R L R L n m q nL C v mnq π （2.1）式中m 、n 为横模阶次，q 为纵模阶次，L 为腔长，R 1R 2是腔面两反射镜的曲率半径，n是工作物质的折射率。
当m=n=0时为基横模，而m 或n ≠0时叫做高阶横模。
对于不同的横模（m 、n 不同）有不同的横向光强分布，所以观察光斑图案或测量光强分布也能分析横模结构。
但对于含有高阶横模的结构，则必须借助于频率分析才能分辨。
由(2.1)式可知，q 一定时，不同的横模对应有不同的振荡频率，其频率间隔为 ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆+∆=∆21'',1111arccos )(12R R n m nL C v n m mn π （2.2） 式中：m m m -=∆'，n n n -=∆'。
3-氦氖激光器的参数测量
氦氖激光器的参数测量（参考讲义）一台激光器的小信号增益系数,腔内损耗α，饱和光强及最佳透过率是重要的激光参数，直接影响着激光器的输出功率。
本实验在外腔激光器中用全反射腔镜，激光输出是通过在腔内插入可旋转平行板，利用平行板的反射率与入射角的关系，使激光的输出功率随平行板的旋转角度而改变，旋转平行板等效于可变透射率的输出镜。
通过测量激光输出功率与等效透射率的关系，用作图法获得以上参数。
0G s I opt Γ一、 实验原理光谱线的宽度一般由以下几部分组成：自然增宽N v Δ，碰撞增宽 ，和多谱勒增宽 ，自然增宽和碰撞增宽属均匀增宽线型，多谱勒增宽属非均匀增宽线型，自然增宽与谱线上下能级寿命成反比，如下式所示⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=Δττπν121121N(1) 式中1τ,2τ分别为上、下能级寿命。
碰撞增宽与气体压力p 成正比，如下式所示ap =Δρν (2) 式中a 为压力加宽系数，因不同气体不同谱线而异。
多谱勒增宽由激发谱线的粒子速度分布决定，与介质温度T 及原子量M 有关，还与激发谱线的中心频率0ν成正比，如下式所示()02/17/1016.7ννM T D −×=Δ (3) 式中0ν为谱线中心频率。
对某一谱线究竟哪种增宽起主要作用，属哪种线型有具体的物理条件决定。
1. 不同线型的增益饱和特性激光介质的增益吸收关于是随腔内光强的增加而下降的，这种现象叫做增益饱和，不同线型其增益饱和行为不同。
以均匀增宽为主的线型其增益饱和特性由下式描述：)()/1()2/()()2/()(002202v G I I v v v v v G s v +Δ+−Δ= (4)式中为腔内光强趋于零时频率中心处的益系数，叫做小信号增益系数。
为线型宽度,为频率为)(00v G v Δv I v 的激光强度,为饱和光强。
s I s I 与下列物理量的关系)1(为221324ττλπn v hc I s Δ= (5) 式中λ为光在介质中的波长,21τ为谱线的自发跃迁寿命,2τ为谱线上能级的总跃迁寿命。
外腔式He-Ne激光器的调整方法
效果。
淡蓝 色亮 圈 ， 图 ２ ａ所 示 。仔 细 观察 发 现靠 如 （）
近亮 圈的某一 边 比其 它 地方 亮 ， 个 就 是放 电管 这 中心光 点 的位 置 。 （）十字屏 与输 出镜 平 行 放 置 ， ２ 上下 左 右 移
图 １ 十字小孔成像准直调腔法
（） １ 按图 １ 所示设置光路 ， 十字屏放在输 将
出镜 一 端 ， 字屏 中心 有一 小孔 ， 十 用光 源照 明十字 屏 的 十字叉丝 ， 通过小 孔沿 光轴 观察 放 电管 ， 看到
一
外， 通过研究腔长变化对纵模的影响， 我们还发展 出一种提 高谱 线单色 性行 之有效 的技术 。通 过教
０ △仉
图 ４ 纵模和纵模的 间隔
光时 ， 观察放电管淡蓝色亮圈 内会 出现隐约的淡
红色 。否则 ， 重复 以上 步骤 ， 可 经过 输 出镜和 全反 镜 的反 复调 节可 出波 长 ６２ ８ｍ 的激 光 。观 察 ３． 提 出一种 可 以 有 效 提高 谱 线 单 色 性 的技 术 ，
张 诚， 冯 璐， 张 宇， 史庆 藩
１０ ８ ） ０ ０ １ （ 京理工大学 ， 北 北京
摘
要 ： 文提出了一套外腔式 ＨｅＮｅ 本 － 激光器 的调 整方法 ， 研究了腔长变化对纵模 的影 响 ， 而发 进
展 出一种可 以有效提高谱线单色性的技术 。 关 键 词 ： － 激光器 ； ＨｅＮｅ 光学谐振腔 ； 共焦球 面扫描干涉仪
图 ２ｃ状态调 整到 图 ２ｄ所 示状 态 ， 标 志着腔 （） （） 这 镜 已经 与放 电管轴线 垂直 。
的激光放电管、 激光电源和反射镜等。实验前首
氦氖激光器的调腔实验
氦氖激光器的调腔实验（北京师范大学物理系）摘要：本实验分别通过准直法和十字叉丝法来调节谐振腔两端腔镜的位置，使得两个腔镜平行且和毛细管垂直，发射激光，并通过统调法获得最强激光。
理论：激光器由激励电流、增益介质和谐振腔组成，如图1。
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。
图1 激光器原理图实验内容：1.清洗镜头在清洗镜头时候可以通过腔镜的具体情况选择合适的清洗方法，首先应用洗耳球吹去镜头上的灰尘等颗粒物，对于软膜我们采用拖曳的方法，首先将镜头放置在水平的桌面上，取一张镜头纸并将光滑一面放置在镜头上，并且在此之前确保不会用手去接触光滑面，在擦镜纸上接触镜头的部位滴一到两滴丙酮试剂，轻轻拖曳擦镜纸的一端直到整张擦镜纸擦过镜头。
图2 软膜清洗法对于硬膜，洗耳球吹去镜头上的灰尘等颗粒物之后，将镜头着对折，如图，用止血钳夹住擦镜纸，露出一段，在露出一端上滴一到两滴丙酮，轻甩之后擦拭镜头，擦拭的过程保证擦拭方向永远朝着一个方向，不来回擦拭。
图3 硬膜清洗法2.准直法调腔用具：He-Ne激光器、准直激光器、贴有白纸的立板。
步骤：（1）通过上述方法清洗完镜头和布儒斯特窗后，打开准直激光器；（2）首先调节准直激光器的上下高度和俯仰角度，使得准直激光器打出来的光与毛细管的中心在同一水平线上；（3）将准直激光器固定在谐振腔一端的前段，将激光穿透整个毛细管，此时可以调节准直激光器的横向位移和左右偏移动，直到穿透的光打在对面的白纸上呈现同心圆环状；（4）装上阴极反射镜，调整反射镜的左右偏转和俯仰，使反射回的激光与出来的激光重合出现在准直激光器镜头上的正中心；（5）装上阳极反射镜，调整反射镜的左右偏转和俯仰，使反射回的激光出现规则的明暗变化；（6）关闭准直激光器，打开He-Ne激光器电源，观察有无激光出现，如果没有可以先松动阳极反射镜并轻微晃动，如果发现偶尔有激光出现则再次安装好阳极反射镜并轻微调整阳极反射镜，直到有激光出现，如果无论如何晃动都没发现激光则证明阴极反射镜没有装好或者之前的准直调节没有调好，则重复上述过程重新来调，直到有激光出现。
He-Ne激光的纵、横膜间距测量
实验二 He-Ne激光的纵、横膜间距测量一、实验目的1、通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。
2、对实验中使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确使用。
3、熟悉谐振腔的构成，学会调整的方法，体会谐振腔调整之后一些激光参数的变化二、实验仪器He-Ne激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干涉仪、锯齿波发生器、放大器、示波器等三、实验内容1、He-Ne激光器模式分析要测量和分析出激光器所具有的纵模个数，纵模频率间隔值，横模个数，横模频率间隔值，每个横模的m和n的阶数及对应的光斑图形（1）通过共焦球面干涉仪接示波器观察纵模频率间隔，再根据自由光谱范围的定义，确定它所对应的频率间隔（即哪两条谱线间距为Δv S.R.）为减少测量误差，需要对x轴增幅，测出与Δv S.R.相对应的标尺长度，计算出两者比值，即每厘米代表的频率间隔值。
（2）通过减小光阑大小，观察模式变化。
（3）根据横模的频谱特征，在同一q纵模序内有几个不同的横模？测出不同的横模频率间隔ΔvΔm＋Δn，与理论值比较，检查辨认是否正确。
2、He-Ne外腔激光器谐振腔调整分别调整腔内的光阑开口大小（管径），反射膜片距离（腔长），膜片俯仰倾斜程度，体会出光功率、光斑图案（横模式花样）等激光参数的变化。
并且练习从无光到有光的调腔过程（十字叉丝法）。
四、实验结果（1）示波器显示的模式波形，根据波形计算纵摸间隔1 5.44X ms=V 2 1.42X ms =V86.5310q ν∆=⨯HZ（2）根据自由光谱范围计算出的纵摸间隔，并比较实验误差Lc L c v q 221≈=∆=∆μ 85.2610q ν∆=⨯HZ（3）根据图样计算远场发散角Z1=452mm直径：X1=4051.57um；Y1=4398.35umZ2=525mm直径：X2=5252.42um，Y2=4947.75um计算得到θ=0.012五、实验总结通过测试分析，掌握了模式分析的基本方法。
氦氖激光器的调试实验
一、实验目的 1、了解 He-Ne 激光器的工作原理和基本结构； 2、掌握外腔式 He-Ne 激光器的 F-P 腔调节技术； 3、分析放电电流对激光输出功率的影响。
二、实验仪器 外腔式 He-Ne 激光器、准直光源，光学导轨，激光功率计，光阑，腔镜。
三、实验原理
一、激光原理概述 1 普通光源的发光——受激吸收和自发辐射 普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等的发光）是由于物质在受到外
9、调节泵浦电流的大小，使输出功率再次最大，此电流即为激光器的最佳 放电电流。
五：注意事项
1、He-Ne 激光器电源电压较高，应注意安全。 2、不要让氦氖激光射入眼睛。 3、加输出镜后，不要看氦氖激光器毛细管中的亮点，防止突然出光，损坏 眼睛。 4、不要碰光学元件的表面，防止损坏镀膜
He-Ne 气体激光器的
输出功率较小，He-Ne 气体激光器的输出功率只有 1 100mW，最常用的 25cm
的激光管，放电电流为 5mA,高压为 1500V，输出功率为 1.5mW，效率仅为 0.02％。
制作 He-Ne 气体激光器时，为了在有限的腔长内，尽可能获得较大的功率输出，
要选择最佳的放电条件。所谓最佳放电条件是指一定管径和管长的 He-Ne 气体
6、将曲率半径为 1m 的反射镜放在半外腔氦氖激光器的布儒斯特窗前，作为 输出镜。调节其上的水平和俯仰旋钮，使反射的准直氦氖激光返回光阑。
7、打开电流源，电流加到 10mA 左右，会发现有激光输出，若没有，稍微 调节一下输出镜，则会出光，还没有，就要按照前面的步骤重新仔细调节了。
8、激光调出来后，打开功率计，将功率计探头放在输出镜前，调节输出镜 使输出功率最大。
14
类很多，He-Ne 气体
He-Ne激光模式及参数测量
不相等，因此可以判断Ａ、Ｂ是两个纵模，而 C、D、E、F 是跳模。
(3)出现跳模的原因可能是：由于腔内温度的升高，使得粘贴在放电管两端的两个反射镜
片之间的距离加大，也就是谐振腔的腔长变大。
这将使得各本证纵模的谐振频率向低频方向漂移，输出激光的频率也随之减小。当 ������������:1
模的频率变成比������������模频率更接近中心频率 ������0 时，由于谱线竞争，������������:1模就可能战胜 ������������ 模取
(2) 保证倾角、高度不变，大范围内移动水平距离 Z，在不同距离观察 M，N，光电接
收器上的光斑位置，是否出现大幅度移动；
倘若大幅度移动，说明没有达到“平行、等高、垂直”；这时调节方向是往光斑反方向
运动的方向调节；直到光斑在 M、N、光电转换器上的光斑不随着水平距离 Z 的变化发生大
幅度移动。其原理如下：
e
2
x xc w2
2
π /2
严格满足高斯型表达式。按照高斯光束理论，w 即为光斑半径，代表着光强下降到最大
值的 ������;2。因此第一组数据测量所得的光斑半径为：
������ = 0.068 + ������������������������ × ������������������[− 2(������;26.8.644266)2]
������1 = 2.84 mm，相关系数 ：γ = 0.998。满足实验精度要求。理想情况下表达式为：
������(������,
������)
=
������(������,
0)������������������[−
2������2 ������(������ )2
He-Ne激光器谐振腔调整和激光特性的测量
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λωπ207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 λθ1. 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。
氦氖激光器调节
本科学生综合性实验报告学号：姓名：学院：专业、班级：实验课程名称：激光原理课程实验教师：周海春开课学期：2015 至2016 学年第一学期填报时间：2015 年 6 月15 日云南师范大学教务处编印氦氖激光器调节一、实验目的：1、掌握氦氖激光器出光原理2、掌握氦氖激光器谐振腔的调节方法二、实验仪器：氦氖激光器，调节板，谐振腔反射镜，半内腔氦氖激光器，台灯（或其它光源，请用户自备）三、实验原理：在激光器内充有一定比例的氦气和氖气。
封上以后，谐振腔A 被严格的固定在激光管管子上，谐振腔B 在管子外部，可以延光轴前后移动。
当在激光器正、负极加直流高压时（一般3KV 以上），氖离子发生粒子数反转。
当氖离子从高能级降到低能级时，将放出一束光。
这两个谐振腔的反射镜一个反射率接近100％，即完全反射。
另一个反射率约为98％。
这束光被两个谐振腔进行多次反射后，经镀有反射率约为98%膜的一端射出，即为激光。
四、操作步骤（一）十字光靶法（自准直法）1、将半内腔氦氖激光器、谐振腔反射镜和调节板放到导轨上，如图3 所示。
（图3）2、将半内腔氦氖激光器与激光器电源接好（注意：红色与红色相接，黑色与黑色相接，切勿接反），打开电源，激光管发出橙红色的光。
3、将调节板有十字叉丝面对准激光器，并用光源（如用台灯）照亮十字线，在十字叉丝中间有一小孔，眼睛通过小孔，看到激光管的毛细管另一端，调节激光器调整架六个旋钮，被谐振腔A 反射到眼睛中的一个“小白点”（即眼睛、小孔、毛细管在一条直线上），如图4所示。
4、观察被谐振腔B 反射回的调节板的十字叉丝像的位置，此时的十字叉丝像可能在图5 的某一位置，调节谐振腔B 架后的两个螺丝，使十字叉丝完全落在小孔的正中间，见图6。
这说明谐振腔反射镜与激光管管内的毛细管完全垂直，此时，应马上有激光射出。
若谐振腔与毛细管光轴调节的范围大于λ/4 就不出激光，还需继续调节谐振腔的两个螺丝，直到谐振腔与毛细管光轴调节范围小于λ/4，激光才能出来。
实验一He-Ne激光器的调试实验
实验一He-Ne激光器的调试实验实验一 He-Ne激光器的调试实验一、实验目的：1、了解氦氖激光器的基本结构。
2、掌握氦氖激光器的工作原理。
3、学会用各种方法进行激光器的调节。
二、实验原理：从1960年代激光器问世以来，各种类型的激光器相继研制成功，并因它所具有的独特的性能一一高亮度、良好的方向性，单色性，相干性被广泛应用_工业、农业、国防、计量、医疗等行业。
其中气体激光器是目前种类最多，应用最广泛的一类激光器。
而氦氖激光器又在气体激光器中最具有代表性,它制作容易, 运作可靠，所以我们就以氦氖激光器为典型实例进行结构分析和实验。
激光器一般具有三个组成部分：工作物质（增益介质),谐振腔（光学共振腔)，激励能源。
氦氖激光器的工作物质为纯度大于99.99%的氦气和氖气。
其中氖气是能激发出激光的气体，而氦气则是提供光放大条件（产生粒子数反转）的气体。
他们按一定的比例，一定的压强充入用玻璃制作的放电管内。
为了提髙能量使气体点燃，在其上面安装阳极和阴极。
谐振腔主要由腔体、反射镜、毛细管构成，他们的组合，共同保证光在腔体内振荡放大，最终获得激光输出其技术要求是:毛细管（放电管）的直度，两个反射镜的平行度和反射镜片与毛细管的垂直度。
毛细管不仅直度要求严格，其内径尺寸也有特殊要求。
反射镜共有两片，其一片是全反的凹面镜，反射率优于 99.85%；另一片是一定透过率的平面镜，反射率约98.5%。
、氦氖激光器的激励能源一般是直流髙压电，称之为氦氖激光器电源。
它将使用220V交流电变换成直流高压，并根据气体放电的特点，实现高压电的正常运转。
氦氖激光器的电参数是：启辉（点燃）电压，工作电压和最佳工作电流。
启辉电压高于工作电压，实验用的激光器的启辉电压为4500V,工作电压约1200V, 最佳工作电流约5mA.调整方法：对激光器进行调整，实际就是有针对性地调整其毛细管直度、两个反射镜之间的平行度、毛细管与反射镜的垂直度（以下简称直度、平行度、垂直度), 使激光器处于最佳状态，获得满意的性能指标。
He—Ne激光器的调整
He —Ne 激光器的调试物理系 光学 赵婷 0811130052引言：He —Ne 激光器的调试有两种方法，十字叉丝法和激光准直法，这次实验就是体会一下这两种调试方法，然后调整激光的最大输出功率实验原理：He —Ne 激光器的结构如图所示：图1：He —Ne 激光器的结构示意图其中，1R ，2R 为反射镜，另外在激光器工作时放电管两侧还加了磁场，磁场的作用是保证打出的光是632.8nm 波长的光，限制其他波长光的产生。
在放电管里通以额定电流使之放电，则放电管内就会产生稠密等离子体，由于等离子体的自由电子与氦原子发生碰撞使氦原子激发，在氦氖能级中，氦有亚稳态32s （19.8电子伏）和12s （20.6电子伏），氦原子被分别激发到这两个态上，由于氖存在比这些能级稍微低一点的能级2s 与3s ，所以被激发的氦原子一方面在进行热运动，一方面在进行高效率的能量交换，氖就被激发到亚稳态2s 或3s 态上，这是氦又一次回到激态，氦的作用就是通过放电为氖提供激发能量。
从氖的2p 到1s 的跃迁强，所以2p 的能级寿命短，在2s 与2p ，3s 与3p 之间建立粒子数反转分布，所以当采用与振荡地波长相适合的光学共振腔时，就可得到2s —2p 和3s —3p 的振荡或者产生3s —2p 的跃迁，这种跃迁产生波长是632.8nm的近红外光。
另外，因为处在1s能级上的氖原子必须迅速返回到基态，所以把放电管做的细一些，让氖原子与管壁发生碰撞而使能量猝灭。
2：激光发生示意图实验步骤：（一）十字叉丝法1．调整激光器电压约为12伏特，用能让光透过的中心有小孔的十字叉丝座来观察阴极激光，这时一般会看到直径相当于放电管直径的蓝色斑点。
2．调节十字叉丝的位置，直到蓝色斑点的中心出现一较小直径的亮蓝色斑点。
反复调节反射镜，使亮蓝色斑点正好位于十字叉丝的中心。
3．用同样的方法调节阳极端。
4．在激光器的出光端对十字叉丝所在范围通过调整反射镜进行扫描，直到看到红色的激光射出。
激光模谱实验_指南
He-Ne 激光器谐振腔调节与模谱分析实验注意事项1不要随意实用或操作未经允许的实验仪器或装置。
2注意激光安全。
绝对不可用眼直视激光束，或借助有聚光性的光学组件观察激光束，以免损伤眼睛。
3He-Ne激光器电源有高压输出，严禁接触电源输出和激光头的输入端，以防触电。
4严禁用手或其他物品接触所有光学元件的光学表面（如激光管输出端和反射镜片的表面）。
5支架上的调整螺丝，只可微量调整。
过度的调整，会损坏仪器。
激光模谱实验预习要求1了解He-Ne激光器的基本结构和工作原理。
2明确本实验的主要实验目的。
3能够简要说明激光器谐振腔的结构及输出激光模谱特性。
4明确本实验拟完成的主要实验和观测内容。
一、实验目的1 学习半外腔式He-Ne 激光器谐振腔的共轴调节方法。
2 观察He-Ne激光器的激光输出特性。
3 用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne激光器输出模谱。
二、实验原理1He-Ne激光器谐振腔的共轴调节－激光准直法He-Ne激光器的谐振腔主要由放电毛细管和位于两端的反射镜构成。
激光器谐振腔的共轴调节主要包括以下内容：（1）毛细管的直度调节；由于放电毛细管很细（内径只有1-2mm），毛细管必须有很好的直度才能保证激光能够顺利通过，毛细管的增益截面才能得到有效利用。
（2）两端反射镜的平行度调节；为使激光在两反射镜之间来回反射多次而不溢出腔外，使光波在腔内有足够的寿命，两反射镜之间就要保持很高的平行度才行。
（3）毛细管和反射镜的垂直度调节；只有毛细管和反射镜高度垂直度，反射光波才能多次通过毛细管中的增益介质被放大。
图1 半外腔式谐振腔结构示意图图2 激光准直法光路示意图 本实验主要学习用激光准直法对激光谐振腔的平行度和垂直度进行调节。
图1所示为本实验所用的He-Ne 激光器谐振腔的结构示意图。
图2为用激光准直法调节谐振腔的光路示意图。
图中，LD 为一小功率半导体激光器，SL 为一小孔光拦。
当激光器因为谐振腔失谐不出光时，可通过以下步骤调节出光：（1）将谐振腔的部分反射镜（输出镜）先拿掉。
《He-Ne激光参数测量实验》
数 n(n=1,2,…)决定。但是实际描写原子中电子运动状态，除能量外，还有轨道角动 量 L 和自旋角动量 s，它们都是量子化的，由相应的量子数来描述。对轨道角动量， 波尔曾给出了量子化公式 Ln＝nh，但这不严格，因这个式子还是在把电子运动看作 轨道运动基础上得到的。严格的能量量子化以及角动量量子化都应该有量子力学理
4.3 谐振腔
有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射 强度很弱，无法实际应用。于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐 振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。一块几乎全反射， 另一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回 到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振 荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输 出。
论来推导。 量子理论告诉我们，电子从高能态向低能态跃迁时只能发生在 l（角 动量量子数）量子数相差±1 的两个状态之间，这就是一种选择规则。如果选择规则 不满足，则跃迁的几率很小，甚至接近零。在原子中可能存在这样一些能级，一旦
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中山大学光信息科学与技术实验室
实验七 激光器调整改
实验七 氦氖激光器调整【实验目的】1.掌握He-Ne 激光器的工作原理及腔型结构特点。
2.学习外腔式激光器的调节方法；3.测量激光谱线的波长；4.测量最大输出激光功率。
【实验原理】一台激光器除激励电源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源激励时，与某些谱线对应的上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，增益随着光强度增加而减小。
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。
小信号增益与阈值之差越大腔内的激光强度越强，对于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. 在可见光区氦氖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3S 2能级对2P i (2P i 是2P 1，2 P 2，…，2 P 8，2 P 10九个能级的简称，3S 2—2 P 9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G 0如表7-1所示。
表7-1 He-Ne3S 2—2P I 谱线的小信号增益系数表中小信号增益系数是用实验方法测得的，测量时各谱线的放电电流值不相同；表中相对增益系数也是用实验方法测得的，各谱线的放电电流值相同。
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21,R R 的球面反射镜组成。
要使腔内近轴传播的光线多次来回反射不会逸出腔外，腔外镜的曲率半径及腔和腔长必须满足111021<⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-<R L R L (7-1)对平凹腔来说，若∞=2R ，稳定条件为1)/1(01<-<R L ，则凹面镜的曲率半径必须大于腔长。
He-Ne 激光器的装调与参数测试 说明书
He-Ne 激光器的装调与参数测试一、实验目的1、熟悉He-Ne 激光器的模式结构2、了解F-P 共焦球面扫描干涉仪的原理3、掌握He-Ne 激光器的调整方法4、掌握用共焦球面扫描干涉仪观察、测量激光纵模的方法二、实验原理1、He-Ne 激光器的模式结构He-Ne 激光器是最常用的连续工作气体激光器，以结构形式不同可分为内腔式、半内腔式和外腔式激光器，如图1所示。
二反射镜组成光学谐振腔，放电管内充以不同比例的氦气和氖气（激活物质），二电极通过毛细管放电激励激光工作物质，在氖原子的一对能级间造成粒子数反转，输出受激辐射。
由于谐振腔的作用，使受激辐射光在谐振腔内来回发射，多次通过激活介质而不断加强。
如果单程增益大于单程损耗，即满足产生激光的阈值条件时，则有稳定的激光输出。
（1）外腔式（2）半内腔式由于各种因素引起的谱线加宽，使激光介质的增益系数有一频率分布，如图2所示，该曲线称为增益曲线。
对于He-Ne 激光器，氖原子的自发辐射中心波长为632.8nm ，增益线宽约为1500MHz 。
由无源谐振腔理论可知，激光器的谐振腔具有无数多个固有的分立的谐振频率，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，才能形成激光振荡，如图2所示。
如果不采取选模措施，则He-Ne 激光器一般以多模方式工作。
不同的振荡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（即腔轴z 方向）的光场分布和横向（即垂直于z 轴方向的xy 平面）的光场分布。
通常用符号TEM mnq 标志不同模式，其中q 为纵模序数，一般为很大的正整数；m 、n 为横模序数，一般为0，1，2。
TEM 00q 代表基横模，它对应的光场分布特点是：在光腔轴线上光振幅最大，从中心到边缘振幅逐渐降落。
每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布，称为一个纵模。
对于同一阶横模，相邻两纵模间距为Lcmnq q mn q 2)1(= = +其中 为腔中介质的折射率，L 为谐振腔的长度。
氦氖激光器参数测量
氦氖激光参数测量实验人：余崇亮，合作者：余琪晖. 组号：A20理工学院光信息科学与技术专业2011级，学号113430921.1 普通光源的发光普通光源发出的光是由于物质受到外来能量的作用，原子中的电子吸收能量从低能级跃迁到高能级，即原子被激发，激发是一个受激吸收过程。
处于高能级的电子很不稳定，又自发跃迁回低能级，同时辐射光子。
这种辐射称为自发辐射。
原子的自发辐射是随机过程。
不同原子辐射的光具有不同的方向、位相和偏振状态，频率也不单一。
在通常热平衡条件下，处于高能级的原子数密度远小于处于低能级的原子数密度。
这是因为根据玻尔兹曼分布规律，处于某一能级的原子数密度随能级的升高成指数衰减。
1.2受激辐射和光的放大的两个状态之间。
由量子理论可知，电子从高能级向低能级跃迁只能发生在角量子数相差1也就是说，在原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发到这些能级上，由于不满足上述跃迁条件，可以使电子在这种能级上有较长的寿命，这些能级称为亚稳态能级。
但在外加光的刺激下，电子可以迅速跃迁到低能级，并释放光子，这个过程称为受激辐射。
受激辐射的光子与入射的诱发光子具有相同的频率、方向、偏振状态和位相，于是入射一个光子，可以得到两个相同的光子，即原来的光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大的光就是激光。
1.3 粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，也能引起受激吸收。
只有当处在高能级的粒子数比低能级的粒子数多时，受激辐射才能超过受激吸收。
由此可见，使光源发射激光的关键是发光原子处在高能级的数目比处在低能级上的多。
这种情况称为粒子数反转。
2. 激光器的结构激光器一般包括三个部分，工作物质、激励源和谐振腔。
2.1 激光工作物质激光的产生须选择合适的工作物质，可以是气体、液体、固体或半导体，在这种物质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。
2.2 激励源为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。
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半外腔He-Ne 激光器的调试及参数测量
1. 引言
虽然在1917年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在，但在一般热平衡情况下，物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。
直到1960年，第一台红宝石激光器才面世，它标志了激光技术的诞生
按工作物质的类型不同，激光器可以分成四大类：固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。
He-Ne 激光器是继红宝石激光器后出现的第二种激光器，也是目前使用最为广泛的激光器之一。
因此有必要通过实验对He-Ne 激光器作全面的了解。
2. 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、横模式等性能参数。
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。
3. 基本原理
3.1 He-Ne 激光器结构
He-Ne 激光器由光学谐振腔（输出镜与全反镜）、工作物质（密封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成，如下图
He-Ne 激光器激励系统采用开关电路的直流电源，体积小，重量轻，可靠性高，并装有散热风机，可长时间运行。
激光管的布氏窗与输出镜、全反镜之间用模具成型的耐老化的硅胶套封接。
避免了因灰尘、潮气污染布氏窗、输出镜、全反镜而造成的激光输出功率下降。
输出镜、全反射调节采用差动螺丝，粗调调节范围大，可锁定。
细调调节范围小，调节时不易出差错。
在激光管的阴极、阳极上串接着镇流电阻,防止激光管在放电时出现闪烁现象。
激光器外壳接地，手碰激光器外壳无静电感应的刺痛感。
放电毛细管内充的氦氖混合气体的压强比约为7:1，总压强在100Pa 至400Pa 。
放电管两端贴有用水晶片制成的布儒斯特窗。
窗口平面的法线与放电管轴向间的夹角也恰好等于水晶的布儒斯特角，约56°。
安装布儒斯特窗口可以使激光器输出的激光为在纸面内振动的偏振光，沿该方向振动的偏振光通过布儒斯特窗时不会反射，因此有利于减少损耗，提高输出功率。
3.2 He-Ne 激光器谐振腔与激光横模
光学谐振腔的两个反射镜构成腔的边界，他对腔内的激光场产生约束作用，使激光场的分布以及振荡频率都只能存在一系列分离的本征状态，每一个本征态称为一种激光模式。
激光模式有两类：一类称为纵模，它是指可能存在于腔内得每一种驻波场，用模序数q 描述沿腔轴线的激光场的节点数。
另一类是横模，指可能存在于腔内的每一种横向场分布，用模序数m 和n 描述。
如果谐振腔由两面方形孔径的反射镜组成，则m 和n 分别表示沿镜面直角坐标系的水平和竖直坐标轴的激光场节线数。
如果谐振腔由两面圆形孔径反射镜组成，则m 和n 分别表示沿镜面极坐标系的角向和径向的激光场节线数。
因此每一个激光模式可以用三个独立的模序数表示，记成n m q TEM ,,。
单独表示横模时可记成n m TEM ,。
如00TEM 表示基
横模。
横模的产生，是由于光在谐振腔中的来回反射也伴随着光波的来回衍射，而在光束的横断面上出现的不同的场分布----衍射花样，每种分布形式（花样）即叫做一种横模。
一般横向模式用眼睛不易看清，可用透镜将激光扩束放大，下图是几种扩束放大了的激光横向模式。
多模输出激光器可通过调节输出镜与反射镜的平行度及放电管的直度可改变其横模（既改变放电管激光振荡的有效截面积）。
4.实验内容一（调整与定性观察部分）
4.1 学习He-Ne激光器结构组成
打开He-Ne激光器外盖，对照激光器原理图，观察并熟悉He-Ne激光器各部分组成。
4.2 用十字叉法将He-Ne激光器调出光
当输出镜与全反镜平行度偏离到一定程度，激光器无功率输出，这时可用十字叉调光将激光调出，其方法是：
在一块不透光的白硬纸板上画一个正交的十字叉，在交点上用大头针刺一个边缘光滑的小孔。
松开谐振腔粗调锁紧螺丝，按照下图，用电灯照明白硬纸板上的十字叉，在放电管处在工作状态时，用眼睛在硬纸板背后通过小孔观察放电管，当眼睛适应放电管亮度后，可看到放电管内的出光孔（大亮白点），微小幅度调整白硬纸板的上下、左右的位置，可看到放电管内的小亮白点随纸板向相反方向运动，使小亮白点与出光孔(大白点)同心，然后固定住白硬纸板，调节谐振腔螺丝使十字叉与亮白点同心即可出光（如果不行，让叉丝在整个出光孔漫游，以找到实际出光位置）。
4.3 He-Ne激光器横模调整
把透镜置于He-Ne激光器出光口前，让光束穿过透镜，从而使光束扩大，并在远处用屏观察放大的光斑（光斑尽量丰满规则），判断一下横模式的种类。
仍然调整谐振腔后端的反射镜螺钉（注意不要调节量过大，致使无光），再观察，判断横模式的变化情况。
4.4外腔He-Ne激光器偏振态验证
在外腔He-Ne激光器的谐振腔内由于放置了步儒斯特窗，限制了输出光偏振态为垂直桌面的线偏振，因此，可在输出前方放置一个偏振片，通过旋转偏振片来分析外腔He-Ne激光器激光的偏振方向。
4.5 He-Ne激光器最佳工作电流的选择(不做)
由于He-Ne激光器的P-I曲线是峰值形式变化的，一根确定的管子可以通过调节工作电流来测定激光器的峰值输出功率，此时的电流读数便是He-Ne激光器的最佳工作电流。
5．实验内容二（定量测量部分）
5.1高斯光束的发散角测量原理（不做）
激光器的光强分布为高斯函数型分布，故称为高斯光束。
我们用全发散角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 ＝z r 这段范围内，全发散角变化较慢，我们称z r 为准直距离，
λπω2
≡r
z (2) 在z>z r ,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
22πωλθ= (3) 不难看出,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。
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 ≥7z r =7πω02/λ时, 2θz /2θ(∞) ≥99%,即当z 值
大于7倍z r 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>z r 的两个不同值z 1,z 2,根据光斑尺寸定义,从I ～ρ曲线中分别求出ω(z 1),ω(z 2)根据公式
122
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 ≥7z r )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。
5.2 He-Ne 激光器发散角测量步骤（不做）
关键是如何保证接收器能在垂直光束的传播方向上扫描，这是测量光斑尺寸和发散角的必要条件。
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 ΠW 02/λ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P max /e 2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。
5.3利用光栅方程验证波长。
我们所用的He-Ne 激光器的波长是623.8nm, 通过光栅的夫琅和费衍射可以验证激光器的波长值。
（1） 观察衍射图样，在零级附近任意找一个衍射级，数出衍射级数j 。
（2） 测量并计算出衍射角θ。
（3） 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。