氦氖激光器实验数据处理(近代物理)
氦氖激光器实验报告
氦氖激光器实验报告《氦氖激光器实验报告1》哎呀，老师说要做氦氖激光器实验的时候，我心里就像揣了只小兔子，既兴奋又紧张。
“这可是个超级酷的实验呢！”我对同桌说。
同桌眼睛放光，回应道：“是啊，感觉就像要去探索神秘宝藏一样。
”就像每次生日拆礼物的时候，那种期待感满满当当的。
那天走进实验室，各种仪器摆在那里，灯光有点暗黄，像是在暗示着这里即将发生神秘的事情。
我和同桌小心翼翼地走向放置氦氖激光器的地方，那感觉就像两个小探险家靠近神秘的魔法盒。
实验开始了，我们按照步骤连接线路。
“这根线插这儿对吗？”我有点不确定地问旁边的小组同学。
“我觉得是这样的。
”他挠挠头说。
这就像我们在玩拼图，每一块都得小心翼翼地放对位置。
当我们接通电源的那一刻，激光器发出了微弱的光，那光线就像黑暗中好不容易钻出来的小豆芽，那么微弱却又充满希望。
我忍不住欢呼起来：“哇，成功了一小步呢！”大家都笑了起来，那种喜悦就像在炎热的夏天吃到了最爱的冰淇淋。
这个小小的成功让我明白，哪怕是再复杂的事情，只要一步一步来，总会有收获。
《氦氖激光器实验报告2》“氦氖激光器？这名字听起来就很高级！”我刚听到这个实验项目就对朋友大喊。
朋友说：“那肯定超级有趣，就像科幻电影里的东西。
”就像我们看《星球大战》时对那些炫酷的激光武器充满向往一样。
来到实验室，那股淡淡的化学药品味道弥漫在空气中，有点刺鼻却又很熟悉，像是在提醒我这是个充满挑战的地方。
我看着那复杂的仪器设备，有点犯愁。
“这么多东西，从哪儿开始呢？”我嘟囔着。
这时老师走过来，拍拍我的肩膀说：“别慌，就像搭积木，一块一块来。
”我深吸一口气，开始摆弄那些仪器。
在调节镜片的时候，我和小组成员产生了分歧。
“我觉得应该往这边转一点。
”我坚持说。
“不，我觉得那边才对。
”他反驳道。
这就像拔河比赛，双方都不肯让步。
最后我们决定试一下我的方法，结果发现光的准直度更好了。
那一刻我特别开心，就像赢得了一场重要的比赛。
我懂得了在团队里，有时候要勇敢地坚持自己的想法。
激光技术实验报告
实验一 氦氖激光系列实验一、实验内容：1、氦氖激光器的调节 2、氦氖激光器的输出功率 3、氦氖激光器发散角测量4、用共焦球面扫描干涉仪观察、分析、判断激光器的模式组成 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、激光功率指示仪、共焦扫描仪、示波器 三、实验原理及方法次为例）10/1010∑==i i P P其中：0P 为十次测量的平均值。
激光器功率漂移=η%100/0⨯∆P P 其中2/)(min max P P P -=∆固定输出镜，调至出光，旋转输出镜俯仰倾斜旋钮，结合功率计，将其输出调至最大。
打开激光器电源并预热20～30分钟，将激光器光束对准激光功率指示仪探头中心位置，每隔10分钟记录一次，测量氦氖激光器的输出功率随时间变化曲线。
3. 用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布。
实验中使刀口平行于y 轴，沿垂直于x 轴方向移动当刀口缓慢推入光束时，设刀口挡住了a x ≤的所有点。
未被刀口挡住而通过的光功率P 用余误差函数表示为：)2(2),(0a Werfc P dxdy y x I P a==⎰⎰ 如果先用刀口把光束全部挡住，然后把刀口缓慢拉出时，未被刀口挡住而通过的光功率可用相应的误差函数表示。
)exp(),(2220σy x p y x I +-=)2(210σaerfc p p = 其中2/W =σ是数理统计中的标准偏差。
根据上式作出的归一化高斯分布和相对功率与刀口位置关系曲线如下图所示可以证明，相对功率为0.25和0.75的点分别位于高斯分布曲线极大值两侧，其距离σ6745.0=p e 。
所以从由实验得到的相对功率与刀口位置的关系曲线就可确定p e 的值。
算出σ值后就可计算P/0P 的理论值，进行曲线拟合。
如果拟合的好，就证明基横模光强是高斯分布。
用p e 的值可以计算光斑大小：)2(4826.1p e W = )2(7456.12/1p e D =如图所示，将刀口位于激光光斑边缘位置，并将功率计置于刀口后面来测量未被刀口挡住的激光光功率。
光信息专业实验报告：氦氖激光模式实验
光信息专业实验报告：氦氖激光模式实验氦氖激光器在实际应用，尤其是基础实验教育中应用非常广泛。
本实验对氦氖激光器的性质进行了测量，主要分为两个部分。
一是氦氖激光器光斑大小和发散角的测量，二是利用共焦球面扫描干涉仪与示波器对氦氖激光器的模式进行分析。
实验仪器及技术参数：1、氦氖激光器：中心波长632.8nm、谐振腔腔长246mm、谐振腔曲率半径为1m2、共焦球面扫描干涉仪：腔长20mm、凹面反射镜曲率半径20mm、凹面反射镜反射率99%、精细常数>100、自由光谱范围4GHz3、示波器、光学镜若干实验一氦氖激光器光斑大小和发散角的测量氦氖激光器发出的光束为高斯光束，高斯光束是我们非常熟悉的一种光束。
我们可以从横向和纵向两个角度来理解高斯光束。
1、横向方向高斯光束之所以称为高斯光束，正是因为其基模在横向上光强的分而呈高斯分布型。
即⁄]（1）是I oo(r,z)=I oo(z)exp[−2r2w2(z)其中，下标00表示基横模，I oo(z)表示中心处的光强，r表示横截面离中心的距离，z 表示所研究的光斑所处的纵向上的位置，w(z)表示z处的光束半径。
光束半径w(z)定义为振幅下降到中心振幅1/e的点离中心的距离，或者说光强下降到中心光强1/e2的点离中心的距离。
从（1）式可以看出，高斯光束横向上光强随着离中心位置越远，光强越小，至w(z)处已基本下降为0，集中了86.5%的功率。
以上的说明可以用图1表示。
图1 高斯光束横向上振幅分布和光强分布2、纵向方向由横向方向上高斯光束的说明可以看出，整个高斯光束可以看成是横向上高斯光斑沿纵向z 轴传播形成的。
那么，纵向上光斑是如何传播的呢？理想的高斯光事假设传播过程中光的总能量不变，传播的过程只是光斑大小发生了变化。
激光器发出的激光束在空间的传播如图2所示。
光束截面最细处成为束腰。
我们将柱坐标（z, r, φ）的原点选在束腰截面的中点，z是光束传播方向。
束腰截面半径为w0,距束腰为z处的光斑半径为w(z)，则w(z)=w o[1+(λzπw o)2]12⁄（2）其中是λ激光波长。
氦氖激光器的配气及特性研究-中山大学物理学院2016
N 1 n1
本实验中：K=12.26+0.06， N V2 / V1 =1.19+0.003。
二、实验仪器
He-Ne 气体激光管充排气真空系统、光功率计（最小量程 10mV、最小刻度 0.2mV） 、阴 极电离真空计、硅油 U 型压强计 He-Ne 气体激光器真空系统简介
图 2、He－Ne 气体激光器真空系统示意图
'
P ，其分压强应为 PHe 和 PNe 。根据波义耳—马略特定律，当气体纯度不变时，混合前气体
2/7
物理学院
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
近代物理实验 I
的压强和体积的乘积应等于混合后气体的压强和体积的乘积，即有如下关系式：
' N 1 PHe V2 PHe (V1 V2 ) ' 解以上方程组得： PHe nP ' N (n 1) PNe V1 PNe (V1 V2 )
三、实验步骤
l．关闭 l 阀，开机械泵，转动 2 阀通扩散泵，五分钟后开扩散泵加热电炉及冷却水龙 头，20 分钟后开 3 阀．开真空计，测量系统真空度 103 Pa 时，开 10 阀。 2．计算 PHe 和 PNe ，注意它们的单位换算关系，由于实验时间限制，只做气压比 n=7； 总压力 P=4Torr；3.5 Torr；3 Torr；2.5 Torr；2 Torr。 3． 充氦气前， 5 应关闭， 开 4 将 4， 5 之间的空气抽调， 然后关 4， 待系统真空度 103 Pa 时，关真空计，按以下步骤充气。 4．充氦，关 3 阀，开 5 关 5；开 4 关 4；开 5 关 5；开 4 关 4，反复进行，同时观测 油柱高度，在 (V1 V2 ) 体积内充入氦气的压强为计算值 PHe 。 5．关 10 开 3，将 V1 中的氦气慢慢抽调，反复充氖气前，7 应关闭，开 6 将 6，7 之 间的空气抽调，开真空计，待系统真空度 103 Pa 时，关真空计，关 6。开激光电源。 6．充氖：关阀门 3，在 V1 体积中充入氖气，开 7 关 7；开 6 关 6，同时观测油柱高 度，在 V1 体积内充入氖气的压强为计算值 PNe 。 7．开 10 阀使 V1 中的氖气与 V2 里的氦气充分混合，待 10 分钟后，调节激光管的放 电电流，观察激光功率的变化规律。 8．利用减压阀 9 减少 P (每次约减 0.5 Torr 至 1.5 Torr)，列表记下实际的 P、Pw、I。 测出当 n=7, P=1.5 托,2 托,2.5 托, 3 托,4 托，5 托时的激光输出功率及最佳放电电流值。 9．待老师检查数据后，做关机的准备，按一定的程序关机。 A）先关活塞 13 和活塞 10，然后关闭活塞 3，导通活塞 8。 B）切断扩散泵加热电炉的电源，待油冷却后，关闭活塞 2 和冷却永， C）切断机械泵电源，打开活塞 1，使大气进入机械泵内。
氦氖激光器实验数据分析
1
1 2
0.61GHz 0.1652 0.10GHz
横模频率间隔误差
2
0.11 0.10 0.10 100% 10%
根据高阶横模具有高频率
随时间增长，锯齿波电压变大，干涉仪的谐振腔变长。
4la ka
在K序中，峰3对应的波长大于峰2对应的波长，所以峰3对应的 频率小于峰2对应的频率。 峰2对应的模式是TEM01k （或是TEM10k ） 峰3对应的模式是TEM00k .
c 其中 F 3.75GHz ,l 20 mm 该实验取4GHz 4l
其理论值为 c / 2L ≈ 0.61GHz .其中c为真空光速， L是激光器谐振腔的长度, L=246mm.
纵模频率间隔误差
0.61 0.67 0.61
1
100% 9.8%
在同一个纵模序中的两个不同横模的频率间隔为
氦氖激光器模式分析
实验数据处理
2
6
7 3 4
8
1 5
K序
K+1序
• 读出各个的峰的横坐标值分别是:
t1=0.21775 t3=0.21824 t5=0.22019 t7=0.22067 t2=0.21817 t4=0.21857 t6=0.22060 t8=0.22102
自由光谱由光Δν F 对应的时间间隔为
t 5 t1 t6 t 2 t7 t 3 t 8 t 4
4 2.4375 10 3
同一干涉序K中 ,纵模频率间隔
t1 - t 4 q 1 ( /2.4375 10-3 ) F 2 0.21775 0.21857 ( /2.4375 10-3 ) 4GHz 2 0.67GHz
实验3 氦氖激光器的偏振与发散特性测试数据处理与分析
He-Ne激光器偏振光数据处理与分析1、He-Ne激光器偏振光测量表1 He-Ne激光器偏振光测量数据表偏振角度(°)输出功率（mW）偏振角度(°)输出功率（mW）偏振角度(°)输出功率（mW）0 1.1361250.8032500.0905 1.0731300.8592550.096100.9951350.9342600.119150.835140 1.0022650.169200.743145 1.0662700.204250.665150 1.1172750.252300.556155 1.1452800.315350.464160 1.1872850.412400.378165 1.2012900.495450.291170 1.1722950.618500.225175 1.1473000.710550.170180 1.1043050.801600.130185 1.0343100.867650.0981900.9483150.966700.0881950.841320 1.027750.0922000.755325 1.102800.1132050.659330 1.145850.1532100.574335 1.174900.1982150.473340 1.192950.2812200.386345 1.1831000.3622250.285350 1.1681050.4592300.223355 1.1471100.5252350.172360 1.0981150.6082400.1271200.6992450.099图1 He-Ne激光器偏振特性曲线图分析：由图1 He-Ne 激光器偏振特性曲线图可知，He-Ne 激光器输出的光为线偏振光；而且从图中曲线可知，曲线并非完全的平滑，有一定的凹凸瑕疵，这说明实验存在误差，这主要是受实验环境光变化的影响所致。
5-1 氦氖激光器的模式分析 实验报告
近代物理实验报告指导教师：得分：实验时间： 2009 年 03 月 17 日， 第 三 周， 周 三 ， 第 5-8 节实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙实验地点： 综合楼 501实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压实验题目： 氦氖激光器的模式分析实验仪器：（注明规格和型号）扫描干涉仪；高速光电接收器；锯齿波发生器；示波器；半外腔氦氖激光器及电源；准直用氦氖激光器及电源；准直小孔。
实验目的：（1） 了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法； （2） 学习观测激光束横模、纵模的实验方法。
实验原理简述：1. 激光器模式的形成激光器由增益介质、谐振腔、激励能源三个基本部分组成。
如果用某种激励的方式，使介质的某一对能级间形成的粒子数反转分布，由于自发辐射的作用，将有一定频率的光波产生，并在谐振腔内传播，被增益介质增强、放大。
形成持续振荡的条件是：光在谐振腔内往返一周的光程差为波长的整数倍，即q q uL λ=2满足此条件的光将获得极大的增强。
每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布λq ，叫一个纵模，q 称为纵模序数。
纵模的频率为uL c qq 2=ν 相邻两个纵模的频率间隔为uLc q 21=∆=∆ν 因此可以得知， 缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的办法之一。
当光经过放电毛细管时，每反馈一次就相当于一次衍射，多次反复衍射，就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑。
每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。
模式指激光器内能够发生稳定光振荡的形式，每一个膜，既是纵模，又是横模，纵模描述了激光器输出分立频率的个数，横模描述了垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。
激光的线宽和相干长度由纵模决定，光束的发散角、光斑的直径和能量的横向分布由横模决定。
，一个膜由三个量子数表示，通常记作TEM mnq 。
近代物理实验报告—He-Ne激光模谱分析与模分裂
2
q
（ 1） 。当一片双折射元件放入激光谐振腔中，由于双折射元件
对两正交偏振方向的光（o 光和 e 光）有不同折射率，o 光和 e 光在激光腔中的光程不同，所以原本唯一的
谐振腔长 “分裂” 为两个腔长， 两个腔长又不同的本征频率， 一个激光频率变成了两个。 其中 为光程差。 （3）模竞争
6.92ms
△t2,4
6.92ms
即自由光谱区 ：3.28ms 表 7 短激光管的纵模实验测量与计算值
△t1,2
平均值
1.24ms
△t3,4
1.12ms
即纵模间距：1.18ms 计算的结果为： 短激光管的纵模间距为：647.6MHz，误差为：4.5%。 观察的短管激光器的光斑如图 10：
4 L K （5）
其中 K 为整数。只有满足该驻波条件的光才可以因为干涉极大而透过干涉仪进入光电计测量光强。可 以证明光频率 v 的变化与腔长的变化量成正比， 也就是与加在压电陶瓷环上的电压成正比。 实验中示波器的 横向扫描采用与干涉仪的腔长扫描同步，示波器的横坐标 t 的变化就可以表示干涉仪的频率变化， 即 V L v t 。
将这些参数代入公式(3)、(4)中，可得两种激光管的出射光若存在不同的模式，则其纵模间隔与横模间 隔的理论值如表 2。 表 2 纵横模理论值
长激光管 纵模间隔 横模间隔 445.10MHz 87.75MHz 短激光管 619.83MHz 101.47MHz
5 / 9
2、长激光管模谱的实验测量与分析 实验中在示波器上观察到的长激光管的模谱如图 6 所示
1 2
3
4
5
6
7
8
9 10
11 12
11 实验十一 He-Ne激光器实验
（1.1）
由式（1.1）可知，只要我们测得离束腰很远的 z 处的光斑大小 2 w(z)，便可算出激
4 激光器的结构............................................................................................4
4.1 激光工作介质 ........................................................................................................ 4 4.2 激励源 .................................................................................................................... 4 4.3 谐振腔 .................................................................................................................... 4
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。
2.1 开箱 ........................................................................................................................ 1 2.2 安装场地 ................................................................................................................ 1
激光实验报告
4将氦氖激光器，扫描F-P腔，光电探测器依次排列，并调整至共轴，接示波器，在一个上升沿中观察氦氖激光器模式，调节输出镜，观察不同谐振腔的模式并测量模式间频率间隔。
三.实验结果与分析
在调整过程中，氦氖激光器已经调节完毕。而且由于仪器的问题，可调节的范围很小，细小的变动可能会导致激光无法产生。
建议：加入滤光片，测量功率时采用uW量程
思考题：
1、请阐述脉冲固态激光器的静态和动态工作特性
静态工作时，激光器输出一连串不规则的尖峰脉冲，称为激光的弛豫震荡，动态的情况下，输出频率稳定功率高的窄脉冲
2、半导体激光器的光斑特点，说明内在原因
光斑呈椭圆形
3请阐述激光模式的概念及形成原因
概念：具有一定振荡频率和一定的空间分布的特定光束能够在谐振腔内形成稳定振荡。将光学谐振腔内可能存在的这种特定的光束称为腔的模式。不同的谐振腔具有不同的振荡模式。在垂直于传播方向的横向面内存在的稳定场分布，称为横模。沿谐振腔轴线方向上的激光光场分布就是纵模。由于谐振腔反射镜尺寸有限，所以当光波在两镜间往返传播时必然会因为镜的边缘的衍射效应而产生损耗，使能量分布变化，在足够多次的往返传播之后腔内形成一个稳定场，它的相对分布不再受衍射影响，在腔内往返一次之后能够“自再现”出发时的场分布。这种稳定的场分布称为自再现模或横模。光波在谐振腔中往返时会因为在腔镜上反射形成驻波，稳定的驻波场就是纵模。
3.27
4.47
6.30
8.50
电流mA
240
250
260
270
280
290
300
310
320
氦氖激光器系列实验
氦氖激光器实验袁庆勇 081273018 信息工程一、实验仪器氦氖激光器、光功率指示仪、硅光电池接收器、狭缝、微动位移台、扫描干涉仪、高速光电接收器及其电源、锯齿波发生器、示波器、氦氖激光器及其电源。
氦氖激光器技术参数：谐振腔曲率半径 1m ∞中心波长 632.8nm共焦球面扫描干涉仪技术参数：腔长20mm凹面反射镜曲率半径20mm凹面反射镜反射率99%精细常数>100自由光谱范围4GHz二、实验目的Ⅰ、氦氖激光束光斑大小和发散角1、掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法。
2、深入理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及激光束发散角的意义。
Ⅱ、共焦球面扫描干涉仪与氦氖激光束的模式分析1、了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法。
2、学习观测激光束横模、纵模的实验方法。
三、实验原理激光束的发散角和横向光斑大小是激光应用中的两个重要参数，激光束虽有方向性好的特点，但它不是理想的平行光，而具有一定大小的发散角。
在激光准直和激光干涉测长仪中都需要设置扩束望远镜来减小激光束的发散度。
1、激光束的发散角θθ为激光束的发散角，()()0=2/2/z z θλπωω=,z 很大只要我们测得离束腰很远的z 处的光斑大小2 w(z)，便可算出激光束发散角。
2、激光束横向光场分布将光束半径w(z)定义为振幅下降到中心振幅1/e 的点离中心的距离，光束半径w(z)也可定义为光强下将为中心光强e -2倍的点离中心点的距离。
3、光束半径和发散角的测量束腰处的光斑半径为由这个值，也可从算出激光束的发散角θ4、纵模频率差△ν=c/2n 2L ，L 为激光器腔长5、不同横模之间的频率差6、自由光谱范围△λ：7、精细常数F：()F=1-R 四、实验内容1、光强横向分布的测量移动微动平台，使狭缝和硅光电池接收器同时扫过光束，移动的方向应与光传播方向垂直。
每隔0.1~0.2mm ，记录光功率指示仪的读值，重复测量三次，进行激光束的光强横向分布测量，测量Z 值。
21氦氖激光报告
实验名称：He-Ne激光器放电条件的研究实验学时：16学时（分两次作）实验目的：1、给He-Ne激光器配气；2、观测放电条件对激光输出功率的影响。
通过对He-Ne激光器的配气和输出功率的测量过程，进一步了解He-Ne激光器的工作原理和放电条件对激光输出功率的影响；3、进一步熟悉真空的获得、测量和充气技术。
实验仪器：内腔式He-Ne激光器、配气装置、U型管压力计、真空系统（机械泵、扩散泵、电离规等）、功率计。
由机械泵、扩散泵、工作物质气体储气瓶、真空管路、以及U型液体压强计等构成的真空系统，复合真空计，光电检流计和实验待测250mmHe-Ne激光管。
实验原理：激光器的基本结构包括三部分：工作物质、光学谐振腔和激励能源。
要形成激光，第一，必须利用激励能源使工作物质激活，即使工作物质内部的电子在某些能级之间实现粒子数的反转分布。
在He-Ne激光器中，粒子数反转是通过气体放电来实现的。
第二，必须满足产生激光的阈值条件，即要使光在谐振腔中来回一次在激活介质中获得的增益，足以补偿由各种因素所导致的光的损耗。
引言气体激光器的种类很多，He-Ne气体激光器是目前应用最广泛的气体激光器。
由于它的发散角小、单色性和方向性极好、稳定性高，故在准直、计量、全息、检测、导向、信息处理、医疗等技术中得到了广泛的应用。
但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气体激光器在适当的总气压、气体配比和放电电流下运转，以获得最大功率的激光输出。
1 He-Ne气体激光器工作原理1.1 He-Ne气体激光器工作物质能级的特点He-Ne气体激光器是充有He和Ne混合气体的器件，其中产生激光跃迁的是Ne气，He是辅助气体，其作用是提高Ne原子的泵浦速率。
光拍法测光速实验实验报告
光速平均值
c / 10 (m s )
8 1
相对不准 确度/% 1.56
标准 差S 0.05
50.00
2 2
13.80 14.00
308.00 310.00
294.20 296.00
2.942 2.960
2.951
表 1 光速测量数据及结果
6 实验结果及分析
实验测得光速平均值为 2.951×108m/s，与真空中光速值 2.99792×108m/s 比较， 实验结果的相对不确定度为 1.56%， 标准差为 0.05， 在误差应许的范围内。 实验测量的光速低于真空中光速是由测量仪器处在空气环境中所致， 实际为空气 中光的传播速度。 取空气折射率为 1.0003，将实验测得的光速平均值折合成真空中光速为 2.952×108m/s。此时，相对不确定度为 1.53%，标准差为 0.04，结果优于前文。
差为 2 时， 光程差为光拍波的波长 时， 示波器荧光屏上的二光束的波形就会 完全重合.由公式 c f LF ，便可测得光速值 c 。若二光拍信号的相位差 为 时，光程差为光拍波的半波长
，示波器荧光屏上的二光束的波形相差半 2
个波长而不重合。式中 L 为光程差, F 为功率信号发生器的振荡频率。 3.5 仪器工作原理
(7) 用斩光器挡住近程光，调节半反镜<8>全反镜<6，7>三棱镜<10，11，12> 经半反镜<9>与近程光在半反镜上的相同的路线 入射到光敏管的光敏面中心点
上。 示波器上应看到光拍波形出现。 (6)， (7)两步骤应反复调节， 直至达到要求。 (8) 光电二极管（即它的光敏面）的方位可通过调节装置<20、21>反复仔细调 节，使波形振幅值最大。 (9) 检查示波器是否工作在外触发状态。接通斩光器的电源开关，调节斩光器 频率控制旋钮，在示波器上显示出近程光和远程光稳定的信号波形。 (10) 移动棱镜<11、12>改变远近光程差，可使相应二光拍信号同相（相位差 为 2 ）。 (11) 测量光程差 L , 拍频 f 2 F , 其中 F 为功率信号源的振荡频率。 (12) 根据公式 C 若 ，则 L
氦氖激光模式实验
氮氛激光模式实月摘要：简述了激光束光斑大小、发散角、激光器模式等的意义。
通过对基模光束横向光场的 分布特性测最，得出所用氨氛激光器发散角的人小，并利用共焦球面打描仪对实验激光器模 式数目进行测定。
一、实验原理1.激光束发散角与横向光场分布激光器的基模比束为高斯光束，即光束截而上光强满足沿径向的高斯分布。
光束边界定 义为振幅是中心的1/e 的等幅线，也就是光强为中心的1/J 的曲线。
光束半径即为振幅下降 到中心的1/e,或光强下降到中心的l/e?的点到中心的距离。
激光器发出的光束如卜图2（光轴轴截面）:光束截面最细处为束腰，将柱坐标原 点选在束腰中心，Z 是光束传播方向，束腰 半径为w o > z 处半径为W （z ）则：其中九为光波长.上式町写成双曲方程:定义双曲线渐近线夹角e 为激光发散角:叫很人）2.光束半径打发散角的测量a ）理论上.根据激光器输出波长与谐振腔参数町以得出束腰半径大小:可以得出发散角。
b ）实验上，可以通过对z 较大时的光束半径进行测最，再利用卜式得出发散角: Z3・激光器的振荡模式激光器内能产生稳定光振荡的形式成为模式，分纵模和横模。
纵模描述了激光器输 出分立频率的个数；横模描述了在垂直于激光传播方向平面内光场的分布情况。
激光器 的线宽和相干长度由纵模决定，而光束发散角，光斑直径和能量的横向分布由横模决定。
a ）纵模当腔长L 是波长的半幣数倍时，形成驻波，稳定振荡，q 是纵模阶数，九是光波在 激活物质中的波长，故有：w ⑵叫+ （紛丫再由:图1激光束示意图Uq = qc/2n 2L上式表示形成稳定振荡的频率，不同的整数q 值对应着不同的输出频率，相邻两纵 模的频率差为：Av = c/2n 2L再者.激光器对不同频率有不同的增益，只有人于阈值才能形成振荡产生激光。
b ）横模对于满足形成驻波共振条件的齐个纵模来说，还存在不同的横模。
同意纵模不同横 模频率有差异，某一个任意TEM mnq 模的Vmnq 为g =佥佃+紳+ " + »心皿［（1-扒1-；|）］ } 其中r ■订2分别为谐振腔两反射镜曲率半径。
氦氖激光器系列实验
氦氖激光器系列实验第一章 简 介氦氖激光器系列实验，主要用于氦氖激光器相关的参数测量。
通过有关实验，可以掌握氦氖激光器的调整方法，了解激光器的基本原理、基本结构以及输出激光的特性等。
主要用于高校物理教学演示。
1.1实验项目1、氦氖激光器半内腔谐振腔调节实验。
2、氦氖激光器功率稳定性的测量实验。
3、氦氖激光器光斑发散角的测量实验。
4、用共焦球面扫描干涉仪观察、分析、判断激光器的模式组成。
1.2 技术参数半内腔氦氖激光器谐振腔曲率半径 1m ∞中心波长 632.8nm全内腔氦氖激光器腔长 250mm功率 ≥1.5mW中心波长 632.8nm共焦球面扫描干涉仪反射中心波长 632.8nm自由光谱范围 2.5GHz精细常数 ＞100第二章 激光原理2.1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、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。
激发的过程是一个“受激吸收”过程。
处在高能级（E 2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E 1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。
辐射光子能量为12E E h −=ν这种辐射称为自发辐射。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外其位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E 2上的原子数密度N 2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E 的原子数密度N 的大小随能级E 的增加而指数减小，即N ∝exp(－E /kT )，这是著名的波耳兹曼分布规律。
于是在上、下两个能级上的原子数密度比为]/)(exp[/1212kT E E N N −−∝式中k 为波耳兹曼常量，T 为绝对温度。
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。
氦氖激光
表一激光输出功率与压强和放电电流数据
68nm
50nm
25nm
电流mA
功率mw
电流mA
功率mw
电流mA
功率mw
4.1
0.28
4
0.31
5.2
0.125
5
0.3
5
0.36
6
0.145
5.5
0.33
5.5
0.38
6.7
0.168
6
0.31
6
0.39
7.1
0.17
6.5
（2）储气罐
储气罐与毛细管相通，主要作用是稳定毛细管内的工作气压，从而稳定激光器的输出功率和延长其寿命。
（3）电极
电极的质量直接关系到激光器的寿命。He—Ne激光器工作时，毛细管要进行辉光放电，电压很高，受电场加速的正离子撞击阴极会引起阴极材料的溅射与蒸发。这些气化的阴极材料的金属原子，可能沉积在附近玻璃表面上及腔镜上，它会吸收与吸附一些工作气体，结果导致放电管内工作气体压强不断减小，以及污染谐振腔的反射镜，使腔镜的反射率降低很多。因此，通常选溅射较弱的AI作阴极，A1表面的氧化层能较好地防止离子轰击造成的侵蚀。阴极通常制成圆筒形以降低溅射效应。小功率He—Ne激光器通常用钨杆制作阳极，和正离子相比，电子质量要小很多，所以电子轰击阳极造成的损害比阴极要小得多。
(1)
考虑到
式中 为折射率，则有
（2）
上粒子数必须反转分布。
2）增益系数 与粒子数差值 成正比。
（3）放电条件对激光器输出功率的影响．
激光器必须选择最佳放电条件才能获得最大的激光输出功率。对于He—Ne激光器来说，应当根据以下几条实验规律选择其最佳放电条件．
氦氖激光器模式分析实验报告
普通物理实验C课程论文题目氦氖激光器模式分析实验学院物理科学与技术学院专业物理学（师范类）年级2011级学号姓名指导教师论文成绩_____________________答辩成绩_____________________2012年12月07日氦氖激光器模式分析实验研究Helium neon laser model analysis Experimental Study赵子龙2011级物理学院摘要：首先阐述了氦氖激光器漠视分析实验的实验原理，其次介绍了氦氖激光器模式分析实验仪器，说明氦氖激光器在物理学中的应用。
Abstract:First elaborated the He-Ne laser indifference analysis experiment principle, followed by the introduction of the He-Ne laser mode analysis of the experimental apparatus, description of He-Ne laser in the application of physics.关键词：氦氖激光器，横模，纵模，自由光谱范围，精细常数。
Key word:Helium neon laser, transverse, longitudinal mode, free spectral range, fine constant.引言：该实验主要目的是了解激光器模式分析的实验原理以及方法，要掌握激光器模式分析的一般方法。
1 问题的提出：关于激光器的运用很广泛，因此要对激光器的原理及应用有所了解，这就是要进行激光器模式分析实验的原因。
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，而激光器稳频和激光测距等不仅要基横模而且要求单纵模运行的激光器。
因此进行模式分析是激光器的一项基本又重要的性能测试。
氦氖激光器的配气及特性研究中山大学物理学院
近代物理实验 I
氦氖激光器的配气及特性研究
13 级材料物理 合作人： 指导老师： 实验时间：2016.9.20
一、实验原理
1、He－Ne 激光器介绍 He－Ne 激光器是最先制成的气体激光器，它在可见和红外区可产生六种波长的激光谱
线，它们是：(1)，543.5nm(绿色)；(2)，594.2nm(黄色)；(3)，610.0nm(橙色)；(4)，632.8nm(红 色)；(5)，1.15μm(红外)；(6)，3.39μm(远红外)。
是活塞 10 和 11 之间的体积）。
a. 在体积V1 中先充入任一气体（例如 Ne 气），设此时在 U 型计上得出的压强为 PA 。
b. 打开活塞 10，气体将充满体积（V1 V2 ），设此时在 U 型计上读出的压强为 PB ，
则 N V2 PA 1，设激光管中 He 气和 Ne 气的气压比为 n，He 气和 Ne 气混合后的总压 V1 PB
3．充氦气前，5 应关闭，开 4 将 4，5 之间的空气抽调，然后关 4，待系统真空度103 Pa
时，关真空计，按以下步骤充气。 4．充氦，关 3 阀，开 5 关 5；开 4 关 4；开 5 关 5；开 4 关 4，反复进行，同时观测
油柱高度，在 (V1 V2 ) 体积内充入氦气的压强为计算值 PHe 。
误差分析：
1、 本实验由于时间原因，真空系统的真空度尚未达到10-3Pa 即开始充气。实际达到的真空
度为 4.910-2Pa 。可能导致管内实际的； PHe / PNe 发生较小的偏离。
5．关 10 开 3，将 V1 中的氦气慢慢抽调，反复充氖气前，7 应关闭，开 6 将 6，7 之
间的空气抽调，开真空计，待系统真空度103 Pa 时，关真空计，关 6。开激光电源。
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由于实验者将实际硅油柱高度下降数与总压力下降数混淆，以下分析以实际实验数据来进行，即每次下降5mm油柱高度差进行测量，相当于每次下降总气压大约0.41Torr，所得实验结果影响不大。
***********
油柱高度差/cm
5.7
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
气体总气压/T电毛细管、管壳等）、零部件的加工处理（包括凹、平面反射镜、布儒斯特窗片）、电极装配、排气充气封口等等。
4.为什么存在最佳气压值使激光器达到最大功率？
答：因为Ne的2P4能级的粒子数密度n2通常比Ne的3S2能级的粒子数密度n3小得多，故反转粒子数密度△n主要取决于n3.当He、Ne气压比和放电电流一定时，如果总气压较低，n0和n1将减少。n3也随之减少。总气压很高时，虽n0和n1增加，但电子与原子碰撞次数也增加，使电子的动能减少，电子温度Te降低，电子就不能有效地把He和Ne激发到上能级去，使n3下降。因此，有最佳总气压，使粒子数最高。
答：激光管中原子受外场电能激发产生电离，电子跃迁，而产生光。某一级受激辐射和粒子能级差之间是一一对应的。对应于632.8nm的激光谱线是Ne能级3S2和2P4之间的差值。激光器中氦气为辅助气体，氖气为工作气体。产生激光的是氖原子，不同能级的受激辐射跃迁将产生不同波长的激光。
3.气体激光器的制造过程中渗透着哪些真空技术的应用？
数据处理
1.实验前计算
根据公式： 、
其中，K=12.26 0.06，N= ，n=7：1
计算不同的总压下，充入的氦气、氖气的分压如下表
总压力/Torr
4.5
4
3.5
3
2.5
2
/mm硅油柱
88.84
78.97
69.09
59.22
49.36
39.48
/mm硅油柱
15.1
13.42
11.75
10.07
8.39
6.71
表1不同总压力下He、Ne的分压
2.本实验在真空度降为9.8*10-3Pa的条件下进行。
1Torr=12.26mm油柱=133.33Pa
按实验要求，每下降0.5Torr测一次最佳Pw以及最佳工作电流。也即，每次下降0.5*12.26=6.13mm硅油柱进行测量。
在总压力为4.5Torr时，充入7.9cm硅油柱的He气，1.3cm硅油柱的Ne气。得到最初的压强为5.7cm硅油柱。
、
图5最佳放电电流与最大光功率关系曲线图
分析：随着电流I的增大，最大光功率有线性上升的趋势。
误差分析：
1.由于仪器抽气过慢，也可能是仪器装置存在漏气问题，实验只能在真空度为9.8*10-3Pa的条件下进行，可能对实验气体、气压产生一定影响。
2.读数数据存在误差。一是因为没有精度更高的尺子，二是因为人眼观察油柱会有偏差，比如液面最低处与人的视角问题。
4.08
3.67
3.26
2.85
2.45
最大光功率Pw/mW
0.6
1.0
1.2
1.7
2.0
2.2
最佳放电电流I/mA
6
8
9
10
13
15
表2总压力与最大光功率、最佳放电电流的关系
依此表分别作图如下：
图1PW~P关系图图2理论PW~P关系图
分析：
1.与理论图相比，在高压部分呈现差不多一致的趋势。但实验结果在低气压情况不符合，可能实验没能测到更低的总压；在更高压的部分，也没有显示出缓和的趋势，可能是也没有测到更高的总压。
2.实验所测的PW偏小，可能原因是光功率计没有对准激光束，但在保证光功率计位置不变的情况下，对PW与P的趋势关系没有很大影响。
图3 I~P关系曲线图图4理论I~P关系曲线图
分析：
1.与理论图相比，最佳放电电流与之呈现相同趋势，但在高压部分没有出现平缓趋势。
2.出现这种趋势的原因是，气压越高，粒子密度越大，系统越易发生偏转，因此最佳放电电流随气压增大而降低。
3.实验整体偏差不算太大，与理论趋势基本相符。
【思考题】
1.激光管两端的反射镜能否做成全反射镜呢？为什么？
答：不能。这两个反射镜分别被称为全反射镜和输出镜。
对于全反射镜来说，理论上反射率是越高越好。但由于工艺的现实而无法做成真正意义上的全反射镜片。对于输出镜而言，也要求一定的透射率供其输出激光。
2.He-Ne激光器中0.6328μm激光是怎样产生的？