氦氖激光器的谱线竞争效应
专业实验 实验四 氦氖多谱线激光器实验讲义
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。
激光器件与技术简答题
一．He-Ne激光器1.谱线竞争的原因：具有相同上能级或者相同下能级的谱线之间，当产生辐射跃迁时，对公有能级的粒子数发生影响，存在相互作用，这就是谱线竞争。
2.如何抑制3.39μm?①.谐振腔的作用：对于较短的氦氖激光器，靠谐振腔的选择性来抑制3.39μm谱线，谐振腔采用对632.8nm高反射率的多层介质膜，使谐振腔对632.8nm有高的增益，而对3.39μm经反射镜反射后损耗很大，单程增益很低，使之不能振荡，只产生632.8nm的谱线输出。
②.谐振腔中加色散元件：在谐振腔一个反射镜和布儒斯特窗之间放置一块三棱镜，由于棱镜对632.8nm和3.39μm的折射率不同，通过棱镜后就有不同的偏向角，调整谐振腔的位置，使得3.39μm的辐射偏离出腔外，只让632.8nm在腔内振荡。
③.甲烷吸收法：甲烷（CH4）气体对 3.39μm处有强烈吸收，而对832.8nm是完全透明的。
④.外加轴向非均匀磁场：非均匀磁场引起的增宽对632.8影响不大，对3.39μm影响很大。
由于增益与线宽成反比，所以非均匀磁场造成的谱线加宽使3.39μm的增益明显下降，而632.8nm变化不大，因此大大提高了它对3.39μm的竞争能力，使632.8nm的增益增大。
二、二氧化碳（CO2）激光器1.P支和R支：二氧化碳激光器的跃迁发生在振动能级（0001）—（1000）和（0001）—(0200)之间。
从一个振动能级到另一个振动能级跃迁时，也可能同时发生转动量子数的变化，对二氧化碳分子的激光跃迁，其选择定则为：1∆，，1-=0±=∆J的跃迁称为R∆J的跃迁称为P支，1+=支，0∆J的跃迁称为Q支，在二氧化碳分子中，Q支是不存在的。
=P支较R支先振荡的原因：由于P支跃迁的上能级的统计权重（2J+1）比下能级的（2J+1）要小，而R支跃迁的上能级的统计权重（2J+3）比下能级（2J+1）要大，这就使P支的跃迁比R支的跃迁容易建立起粒子数的反转分布，又由于P支的跃迁几率比R支大，因而P支的激光振荡就比较容易实现。
实验二 氦氖激光器的模式分析
实验二氦氖激光器的模式分析简述：相对于一般光源，激光还具有单色性好的特点，即具有非常窄的谱线宽度。
这样窄的谱线并不是从能级受激辐射就自然形成的，而是受激辐射后有经过谐振腔等多种机制的作用和互相干涉，最后形成的一个或多个离散、稳定而又精细的谱线，这些谱线就是激光器的模。
实验目的1.了解激光器模形成的特点，加深对其物理概念的理解；2.通过测试分析，掌握模式分析的基本方法；3.对于共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能、学会正确使用。
实验原理激光器模的形成激光之所以能够保证良好的单色性，除了其发光原理之外，更重要的是谐振腔的选频功能。
发光介质的光谱宽度就其形成原理上来讲由自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽叠加而成。
对于低气压小功率激光器其增宽以多普勒增宽为主，增宽线型呈高斯函数。
而谐振腔的选频放大功能则表现为只有满足谐振要求的光才能实现持续震荡：2qL q µλ=q 通常是很大的整数。
则可知纵模频率以及频率间隔分别为：2q cv qL µ=122q c c v L Lµ∆=∆=≈即腔长越长，选出的纵模个数越多，反之亦然。
缩短腔长是得到单纵模运行激光的有效方法之一。
谐振腔对光进行多次反馈，在纵向形成不同的场分布的同时，也在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑，每种光斑对应一种横向电磁场分布，称为一个横模。
横模间距为：1/2121()arccos[(1)(1)]2m n c L L v m n L R R µπ∆+∆⎧⎫∆=∆+∆−−⎨⎬⎩⎭图1.横纵模示意图共焦球面扫描干涉仪（具体结构说明及结构示意图见实验书）共焦球面干涉仪用压电陶瓷作为扫描元件或用气压进行扫描。
共焦球面扫描干涉仪是一个无源腔，由两块球形凹面反射镜构成，两块镜的曲率半径和腔长相等（即R1=R2=l，构成共焦腔）。
其中一块反射镜固定不动，另一块反射镜固定在可随外电压变化而变化的压电陶瓷环上。
如右图所示，由低膨胀系数材料制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜R1、R2总处于共焦状态。
氦氖激光器模式分析
模式分析1．氦-氖(He-Ne)激光器简介氦氖激光器（或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。
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集居数反转，产生受激辐射。
由于谐振腔的作用，使受激辐射在腔内来回反射，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，即满足激光振荡的阈值条件时，则有稳定的激光输出。
内腔式激光器的腔镜封装在激光管两端。
二．氦-氖(He-Ne)激光器的工作原理氦氖激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。
在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。
这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。
因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。
这就产生了激光必须具备的基本条件。
在发生受激辐射时，分别发出波长3.39μm，632.8nm，1.53μm三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。
因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。
3．He-Ne激光器结构及谐振腔He－Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。
激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。
放电管是氦一氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。
放电管通常由毛细管和贮气室构成。
放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。
贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。
专业实验 实验四 氦氖多谱线激光器实验讲义(1)
光电子与激光系列实验讲义多谱线氦氖激光器实验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光电子与激光系列实验讲义多谱线氦氖激光器实验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。
GCS-HNDU多谱线氦氖激光器实验
GCS-HNDU多谱线氦氖激光器实验此图不是很好，能否换一张和系统示意图能对应的？实验室有样品重新照-byg用途：氦氖（He-Ne）激光器中除了最常用的632.8nm波长之外，还包含很丰富的激光波长。
通过色散选择谱线方法，可以使得氖原子在不同能级之间的跃迁所发出的荧光产生激光震荡输出激光，波长分布在近红外、可见光区。
本实验可以得到氦氖激光器可见光区的4条谱线。
知识点：电子能级跃迁；激光原理；光谱分析。
对学生的要求：熟悉激光原理，对激光技术有一定了解，具备初步的谐振腔调整和单色仪使用经验。
涉及课程：激光原理与技术、信息光子学等。
实验目的：（1）了解多谱线He-Ne激光器结构和调整方法。
（2）测量各条激光谱线的波长。
（3）找出各条谱线的最佳放电电流，测量最大输出激光功率。
实验特点：本实验为典型的激光原理实验。
通过调整色散器件，选择不同的激光振荡波长，可以得到可见光区内红、橙、黄色4种不同的激光波长。
本实验包含多个知识点，原理清晰、效应明显、训练全面，有助于学生全面深入地理解激光产生机理。
本实验如配合“GCS-HNFZ气体激光器放电管增益特性研究实验”一同开设，更可加强实验内容的层次性和连贯性，可作为相关课程的专题实验。
基本原理：氦氖混合气体中氦气通过非弹性碰撞使得氖原子电子跃迁到3S能级，从3S 能级向2P能级跃迁的过程中发射不同波长荧光，此段跃迁发射的光谱在可见范围内。
本实验是在长度为1米的He-Ne激光器的腔内插入色散器件，由于色散器件对于不同波长光的色散角度不同，导致只有一个波长的光在激光腔内可以按照原路返回，从而满足激光振荡条件而产生激光。
通过调整色散器件角度，就可以选择不同的激光波长输出。
系统示意图：典型实验结果：输出4种激光波长，分别是：632.8nm; 611.8nm; 604.6nm; 594.3nm。
插入4种颜色光斑照片技术指标系统指标●输出波长：632.8、611.8、604.6、594.3nm●腔长：1250mm●偏振状态：水平偏振●最佳工作电流：～15mA ●单色仪1.波长准度：±2nm2.波长重复：1nm3.焦距：100mm零部件指标●辅助激光波长：632.8nm 1.5mW●光学元件（1）光学材料:A级精密退火（2）透镜焦距：±2%（3）透镜直径：0/-0.2mm（4）光圈：1-5（5）面粗糙度：60/40（Scratch/Dig）●机械和调整部件（1）角度精度：±4’（2）分辨率：0.005mm平凹腔镜增益管色散元件平凹腔镜功率计单色仪主要配置。
激光器偏振、纵模和模竞争实验概述
实验三激光器偏振、纵模和模竞争实验【实验目的】1.了解F-P扫描干涉仪的结构和性能，掌握其使用方法；2.了解激光器的偏振特性，掌握激光偏振测量方法；3.了解激光纵模正交偏振理论与模式竞争理论。
【实验原理】1.氦氖激光器原理与结构氦氖激光器（简称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。
对He-Ne激光器而言增益介质就是在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。
内腔式He-Ne激光器的腔镜封装在激光管两端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、输出镜及全反镜是安装在调节支架上的。
调节支架能调节输出镜与全反镜之间平行度，使激光器工作时处于输出镜与全反镜相互平行且与放电管垂直的状态。
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。
氦氖激光器激励系统采用开关电路的直流电源，体积小，份量轻，可靠性高，可长时间运行。
图1：氦氖激光器结构原理图2.激光器模的形成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，将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。
被传播的光波决不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是光中心波长而已）。
因能级有一定宽度，所以粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽迭加而成。
不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。
例如低气压、小功率的He-Ne 激光器6328 A 谱线，则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz ，只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放大。
氦氖激光器横模纵模分析及模分裂与模竞争
氨氛激光器横模纵模分析及模分裂与模竞争【摘要】本实验观测了长为33.8cm的长激光管和长为24.2cm的短激光管的模谱，通过己知的自由光谱区1875MHz定标，测得长激光管纵模间距440.63MHz；长激光管横模间距为93.75MHz：短激光竹纵模间距61935MHZo实验数抵与理论值符合较好。
同时观测了氢氛激光器的出光带宽，并观察双折射效应卜纵模分裂的现象，分析激光偏振态的性质。
【关键词】He-Ne激光器，横模与纵模，共焦球面七1描干涉仪，自由光谱区引言激光是20世纪60年代的伟大发明，它的诞生开创『光学技术的崭新局向，影响到了自然科学的各个领域。
新的交叉学科如激光化学、激光生物学、激比医学等。
激光具有极好的方向性，单色牲，柑干性和极高的亮度。
激光貝有这些特件是由于其发光机理和普通光源根本不同，激光是受激辐射光，而普通比是自发辐射光；此外还由于激光器的光学谐振腔的选模作用。
激光器有増益介质、光学谐振腔和激励能源组成，激光谐振腔右•本征频率，每•个频率对应-•种广场分布，叫做-种模式。
引入横模纵模的概念來描述谐振腔内每个本征频率对应的光场分布。
谐振腔不同，他的模式就不相同。
本实脸利用“共焦球面扫描干涉仪”來测最激光的频率间隔，结合激光的远场横向分布，町以分析激光器建立的澈光横模序数，并且观察模分裂和模竞争现象。
二、实验原理1＞激光的产生原理频率的U光照射具有能级为耳，E?的介质时，将同时有受激辐射和自发跃迁吸收过程, 前者辐射光与入射光典右相同的模式，受激辐射光与入射光相互叠加，产生光的放人作用: 后者则使光减弱。
半介质粒子数分布状态满足粒子数反转状态时，介质对光有增益作用才能引起光的放人。
2、He-Ne激光器，横模与纵模及其频率间隔激光器由增益介质，光学谐振腔和激励能源组成，激光谐振腔有本征频率，每一个频率对应种广场分布，叫做一种模式。
纵模描述轴向光场分布状态，横模描述横向的分布状态。
He-Ne激光器谐振腔由两片直径为2a,间隔为L的介质膜反射镜相对放宜组成，用放电激励的方法使某个上能级E?的粒子数多于卜能级耳的粒子数，这种状态成为粒子数反转。
氦氖激光器的输出功率
氦氖激光器的输出功率1．放电条件对输出功率的影响。
激光器的输出功率是一个重要的参数，对于一个激光器必须选择适当的放电条件（气体总气压、气体配比以及放电电流等），才能获得最大的激光输出功率。
（1）对一个激光器，在一定的气体的配比下，输出功率随充气压变化有一个极大值。
气压比较低时随气压增加输出功率增大，逐渐达到一个输出功率极大值，再增高气压，输出功率却下降，即存在一个最佳充气气压。
（2）输出功率与放电毛细管的直径有关。
（3）在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流。
2．谱线竞争效应对输出功率的影响。
有些激光跃迁具有同一个激光上能级（或下能级），在它们之间存在着通过公有能级粒子数发生的相互影响，即某一条纹光谱线产生振荡以后，将使其它激光谱线的粒子数反转差额降低，从而使它的增益和输出功率降低。
这就是所谓谱线竞争效应。
在He/Ne激光器中常采用抑制3.39um的振荡，来提高632.8nm激光的输出功率。
常用方法：（1）在腔中加色散元件。
在谐振腔一个反射镜与布氏窗片之间放置一块三棱镜。
利用棱镜的色散作用，使经过反射只有632.8nm的激光返回激光放电管，而3.39um的激光则偏离腔轴而逸出腔外。
（2）在谐振腔中加入对3.39um的激光有吸收作用的元件。
对小型激光器可利用K8玻璃的布纸窗片对3.39um的激光进行吸收。
对较长的激光器必须在腔中装入甲烷气体吸收盒，因甲烷气体在3.39um波长处有一个强的吸收峰。
（3）外加轴向非均匀磁场。
由于塞曼效应，磁场可引起谱线分裂使谱线变宽，这种由于非均匀磁场所引起的谱线展宽，称为“塞曼展宽”。
氦氢激光器632.8nm和3.39um的线宽Δv分别为1500MHz和300MHz左右，如果激光器处于200－300高斯的非均匀磁场中，由磁场造成的谱线加宽对3.39um的激光影响大，而对632.8nm的激光谱线影响小。
因增益系数反比于线宽，谱线的增宽将使增益下降，从而起到抑制3.39um激光的作用。
632.8nm氦氖激光器工作物质的多普勒宽度
标题：632.8nm氦氖激光器工作物质的多普勒宽度解析一、引言在现代科技领域中，激光技术一直扮演着重要的角色。
而氦氖激光器作为其中一种重要的激光器，其工作物质的多普勒宽度更是一个重要的研究课题。
本文将从浅入深，逐步探讨632.8nm氦氖激光器工作物质的多普勒宽度，并尝试共享个人对这一主题的理解和观点。
二、多普勒效应的基础知识多普勒效应是指当光源和观察者相对运动时，波的频率随源和接收器之间的相对速度而变化的现象。
对于激光器而言，其工作物质的多普勒宽度即表示了由于分子或原子热运动所引起的频率的展宽。
三、632.8nm氦氖激光器的原理和结构632.8nm氦氖激光器是一种重要的氦氖激光器，其工作原理是利用氦和氖气体在放电激发下产生激光。
这种激光器通常被应用于干涉测量、医疗设备、激光打印等领域。
在其工作过程中，多普勒效应对激光的频率稳定性和谱线宽度都会产生影响。
四、多普勒宽度对632.8nm氦氖激光器的影响由于工作物质分子或原子的热运动，氦氖激光器发出的激光会存在多普勒频率展宽的现象。
而多普勒宽度的大小将决定激光的频率稳定性和激光谱线的宽度。
研究和理解632.8nm氦氖激光器工作物质的多普勒宽度对于提高激光器性能至关重要。
五、632.8nm氦氖激光器工作物质的多普勒宽度的测量与控制为了减小多普勒宽度对激光器的影响，必须对其进行准确的测量和控制。
目前，研究人员常常采用光学共振腔或其他光谱学方法来测量氦氖激光器的多普勒宽度，并尝试通过调节激光器结构或工作条件来控制多普勒宽度的大小。
六、个人观点与总结个人认为，深入研究632.8nm氦氖激光器工作物质的多普勒宽度对于提高激光器的性能和应用具有重要意义。
而在实际应用中，测量和控制多普勒宽度的技术将对激光技术的发展起到积极的推动作用。
在本文中，我们从多普勒效应的基础知识入手，逐步介绍了632.8nm 氦氖激光器的原理和结构，分析了多普勒宽度对激光器性能的影响，并探讨了多普勒宽度的测量与控制。
He-Ne激光器的旁侧光谱
He-Ne 激光器的旁侧光谱王舒涵 201311141005日期：2016年5月26日 指导教师：王引书【摘要】本实验分别测量了有无激光时的氦氖激光器的旁侧光谱，以及交替有无激光时的锁相放大信号。
通过分析数据得到氦氖激光器中实现了粒子束的反转，分析了在有无激光出射时的不同谱线强度变化的原因。
【关键词】锁相放大器；氦氖激光器；旁侧光谱一、引言：He-Ne 激光器是应用广泛的一种原子气体激光器，对于放电激励的气体激光器，其输出功率及效率都与发生受激辐射时各有关能级的粒子数分布密切相关。
因此，研究气体放电过程中，某些能级的粒子数分布具有重要意义。
本实验通过测量放电等离子体辐射的光谱强度，研究分析He-Ne 激光器在不同条件下的有关能级粒子数的分布情况，了解用光强法进行光谱分析的原理和方法，并学会使用锁相放大对微小信号进行测量。
二、实验原理1、He 原子和Ne 原子的能级He 原子由带+2e 电荷的原子核和两个核外电子构成，其基态电子组态为1S 2，按照L-S耦合，He 原子的基态为10S .He 原子激发态由一个电子被激发至高能级而另一个留在基态构成。
根据L-S 耦合，其可形成原子态有13130110,1,2,,,S S P P 。
本实验只考虑与产生激光有关的312S 和102S 两个能级。
Ne 原子是惰性气体，核外10个电子把K 壳层和L 壳层全部填满，其电子组态为1s 22s 22p 6，基态为1S 0，Ne 原子激发态是一个2p 电子跃迁至高能级形成的，余下的9个电子集合相当于一个孔穴，角动量与一个2p 电子一样。
Ne 的这激发态的耦合为(j,l)耦合。
对2p 电子空穴，1111131,,,222l s j ===而跳到ns （n>2）层的电子得中间角动量于是原子的四个能级状态为：1210,2l s ==31,22K =21013311,,,2222ns ns ns ns ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤''⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦其中ns '表示这一能级112j =。
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
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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
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He-Ne激光器纵模分裂和模竞争及模谱分析
He-Ne激光器纵模分裂和模竞争及模谱分析【摘要】：本实验主要利用氦氖激光器、扫描干涉仪、示波器观察了不同激光器的纵模横模，认识了自由光谱区；又利用了纵模分裂和模竞争测量了增益曲线，测得出光带宽，观察了模分裂现象，观测了激光偏振态。
关键词：氦氖激光器、纵模、横模、自由光谱区、增益曲线、出光带宽、模分裂一、实验引言：激光是20世纪60年代的伟大发明。
它的诞生影响到自然科学的各个领域。
激光是受激辐射光，所以它具备与普通光源不同的性质，即极好的方向性、单色性和极高的亮度。
激光器由增益介质、光学谐振腔和激励能源组成。
激光谐振腔有本征频率，每一个频率对应一种光场分布，叫做一种模式。
纵模描述轴向光场分布状态，横模描述横向光场分布状态。
谐振腔的结构不同，它的模式也不同。
激光模分裂指的是由物理效应，如双折射和塞曼效应等把激光器的一个频率分裂成两个的现象。
激光束由受激辐射产生，光束中的光子都具有相同的偏振状态，所以大多数类型的激光器输出的每一个纵模（频率）也都是线偏振的，而且相邻的两个纵模要么是正交偏振的，要么是平行偏振的。
本实验正式利用激光器输出光束的偏振特性研究由双折射效应引起的激光频率分裂。
二、实验原理：2.1激光以及氦氖激光器如果一个腔体中同时存在着原子体系和光讯号，它们之间的相互作用可以归结为三个基本过程，即自发辐射、受激吸收和受激发射。
对于激光束，同时存在着受激吸收和受激发射。
有激光输出，要求受激发射超过受激吸收，必须是高能级的原子数密度N2大于低能级的原子数密度N1。
我们把出现N2>N1的情况称为“粒子数反转”。
用放电激励的方法使N2>N1，那么，由于激光器两端有两块互相平行的高反射镜子，使光讯号在激光器的腔体中不断来回振荡，不断放大，最终就形成强烈的激光束。
受激发射的光子具有相同的能量（频率）、相同的相位、偏振态，且从同一方向发出。
图一、激光管结构示意图2.2氦氖激光器的纵模横模纵模是描述谐振腔内轴向光场的分布状态，横模是描述腔内横向光场的分布状态。
氦-氖激光器简介
氦-氖(He-Ne)激光器摘要：本文介绍了He-Ne激光器的工作原理，结构及谐振腔，He和Ne原子的能级图，He-Ne激光器的速率方程，激发过程和输出特性，影响其寿命的因素，并简单介绍了其应用和优点。
关键词：He-Ne激光器；激发原理；结构及谐振腔；速率方程；激发过程；输出特性；寿命一．氦-氖(He-Ne)激光器简介气体激光器是以气体或蒸气为工作物质的激光器。
由于气态工作物质的光学均匀性远比固体好，所以气体激光器易于获得衍射极限的高斯光束，方向性好。
气体工作物质的谱线宽度远比固体小，因而激光的单色性好。
但由于气体的激活粒子密度远较固体为小，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出，因此气体激光器的体积一般比较庞大。
由于气体工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式。
在放电过程中，受电场加速而获得了足够动能的电子与粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，因而在某一对能级间形成了集居数反转分布。
除了气体放电泵浦外，气体激光器还可采用化学泵浦，热泵浦及核泵浦等方式。
He-Ne激光器是最早研制成功的气体激光器。
在可见及红外波段可产生多条激光谱线，其中最强的是632.8nm,1.15μm和3.39μm三条谱线。
放电管长数十厘米的He-Ne激光器输出功率为毫瓦量级，放电管长（1~2）m的激光器输出功率可达数十毫瓦。
由于它能输出优质的连续运转可见光，而且具有结构简单、体积较小、价格低廉等优点，在准直、定位、全息照相、测量、精密计量等方面得到广泛应用。
二．氦-氖(He-Ne)激光器的工作原理氦氖激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。
在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。
这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。
氦氖激光器模式分析与竞争
实验中改变扫描干涉仪的偏执电压，只能使示波器中模谱发生平移，而不 能改变示波器中的各模间的距离；改变扫描锯齿波的幅度，可以改变示波器中 的各模间的距离，随着锯齿波的幅度增大，示波器中的模间距变小，还可能出 现其他级次的模谱。
用偏振片观察短管两纵模间的偏振关系；
将激光源换成 JX-1 氦氖激光器，此时观察到的模谱轮廓如图七所示，图中 画出了两个不同的纵膜，可观察到激光管的模谱中也只包含不同模式的纵模，
t5-t4 0.16
t7-t6 0.16
t8-t7 平均 0.16 0.152
表 5 长管横模间隔
纵膜
t6-t3
Δt 纵
0.72
t7-t4 0.76
t8-t5 0.76
平均 0.747
实验测得自由光谱区对应的时间间隔为Δt = 3.240 ms，相邻纵模间隔对应
的时间间隔为Δ������纵 = 0.747 ms，相邻横模对应的时间间隔为Δ������横 = 152 ������������，故
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 。
要定量的分析就必须用自由光谱区来标定频宽，自由光谱区的范围是由干
涉仪的构造决定的。故在实验时激光输出的两个间隔最大的纵模间距要小于自
由光谱区。由纵横模在模谱上的间隔与自由光谱区的间隔进行比较可以得出纵
而没有不同模式的横模。
2
4
1
3
Δ������纵
自由光谱区
图七 JX-1 氦氖激光器模谱示意图
在激光器的出口加上偏振片后，然后旋转偏振片，我们会发现模的高
激光器件
选择填空：1、气体放电过程中参与相互作用的粒子可能有：中性粒子、带点粒子、光子、受激粒子2、正常辉光放电是一种：小电流自持放电。
3、气体放电激励中放电管的阴极区时维持放电的关键区域，形成受激辐射的区域是：正柱区。
4、阴极溅射效应最小的材料是：铝5、属于第一类非弹性碰撞的选择过程：电子碰撞；第二类非弹性碰撞的是：潘宁效应、电荷转移、共振激发能量转移。
6、气体放电过程中有中性粒子、带点粒子、光子、受激粒子的相互作用，是一个复杂的7、气体激光器采用的激励方式是气体放电激励。
还采用电子束激励、热激励、化学能激励、光激励。
8、碰撞截面α的物理意义是：单个气体粒子的有效截面。
9、在气体放电过程中，工作物质聚集数反转分布的建立和维持依赖于两个过程，一是电离过程，这是维持放电所必不可少的；二是激励过程，这是建立反转分布做必须的。
10、按照是否需要外加电离源来维持放电，可分为自持放电和非自持放电；按放电参量是否随着时间变化来分类，可分为直流放电、射频放电和脉冲放电等形式，其中直流放电形式有正常辉光放电、非正常辉光放电、弧光放电等。
11、全伏安特性曲线中，曲线EF断以后对应着反常辉光放电，EF断多对应的放电称为正常辉光放电，其特点是电流增加，二次电子迅速增加，是一种稳定的小电流自持放电，此时放电完全依靠放电管内部的物理作用，放电管侧面呈现明暗相同的辉光空间区域，这正常辉光放电的名称来由。
12、正常辉光放电放电管侧面呈现明暗相同的辉光空间区域，可分为8个区域主要是阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区、阳极辉区。
13、选择激发是指在气体放电中有选择地使粒子被激发到有光激光上能级中，气体激光器中主要选择激发过程有共振激发、电荷转移、潘宁效应、和电荷碰撞等。
14、激发粒子与基态粒子相碰撞，使基态粒子激发到高能态，而原激发态粒子则跃迁到较低能级或返回基态，这种过程称为共振激发能量转移，使用于原子-原子，分子-分子之间的内能转移。
氦氖激光器的增益谱
氦氖激光器的增益谱
增益谱的特性取决于氦氖激光器的工作原理。
氦氖激光器中的
氦气和氖气在受到电击的激发后会产生共振辐射，从而产生特定波
长的光。
增益谱的宽度和形状受到激发条件、气体压力、激光腔的
设计和镜面反射率等因素的影响。
一般来说，氦氖激光器的增益谱是窄带的，通常集中在几个特
定的波长上。
这些波长通常位于红色光谱范围，包括可见光的红色
和橙色区域。
这使得氦氖激光器在实验室、医疗、测量和指示等领
域有着广泛的应用。
总的来说，氦氖激光器的增益谱是在可见光范围内的窄带光谱，具有特定的波长特性，这使得氦氖激光器在各种应用中发挥着重要
作用。
氦氖激光器中ne -20的632.8nm谱线的跃迁上能级
氦氖激光器中ne -20的632.8nm谱线的跃迁上能级氦氖激光器中的632.8nm谱线是由氖原子的跃迁上能级产生的。
本文将探讨氦氖激光器中的ne - 20能级与632.8nm谱线的关系及其跃迁机制。
1. 氦氖激光器简介氦氖激光器是一种常见的气体激光器，其工作介质为氦气和氖气的混合物。
该激光器通过电弧放电激发氦氖混合物中的氖原子，产生特定波长的激光光束。
2. 氖原子的能级结构氖原子的能级结构包含多个电子壳层和能级。
其中，我们主要关注的是ne - 20能级，它是跃迁至632.8nm谱线的上能级。
3. 632.8nm谱线的跃迁机制在氦氖激光器中，632.8nm谱线的跃迁机制来自氖原子的上能级ne - 20。
该能级可能通过以下的跃迁过程产生632.8nm谱线：a. 激发：初始阶段，氦氖激光器中的电弧放电使氖原子的电子从基态跃迁至ne - 20能级。
b. 自辐射跃迁：ne - 20能级的氖原子通过自发辐射跃迁返回基态。
c. 稳定性：ne - 20能级具有较长的寿命，使得跃迁至基态的自发辐射数较少。
4. 632.8nm谱线的应用632.8nm谱线是氦氖激光器中最常见的谱线之一，由于其特定的波长和亮度，具有广泛的应用价值：a. 激光显示：632.8nm谱线可用于显示器的红色激光光源，其色彩鲜艳且亮度高。
b. 实验研究：632.8nm谱线可用于常见的实验研究，如光学干涉、光学相干和散射实验等。
c. 医学领域：632.8nm谱线在眼科手术中常被用作切割和焊接组织的激光工具。
5. 能级调整与谱线精细结构在氦氖激光器中，通过调整氦氖混合物的比例及激发能量，可以实现能级结构的调整和谱线的精细结构控制。
这对于特定应用场景的要求具有重要意义。
结论：通过研究氦氖激光器中的ne - 20能级与632.8nm谱线的跃迁机制，我们了解了该谱线的应用和意义。
随着技术的进步，氦氖激光器在更广泛的领域中发挥着重要作用，促进了科学研究和应用技术的发展。
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氦氖激光器的谱线竞争效应
氦氖激光器的谱线竞争效应是指当两个或多个氦氖激光器同时工作时，由于它们产生的光谱线位置重叠，会导致光谱线的强度减弱。
在氦氖激光器中，氦原子和氖原子被激发到高能级上，然后通过受激辐射跃迁回低能级，释放出能量并发出特定波长的光。
这些光的波长由激光器的谐振腔长度和氦氖原子的能级差决定。
当两个或多个氦氖激光器同时工作时，它们产生的光谱线位置可能会重叠。
这意味着一些光线会被吸收或散射，从而使它们的强度减弱。
这种现象被称为谱线竞争效应。
要减轻谱线竞争效应的影响，可以采取以下措施：
1. 使用不同的激光器：选择不同波长的激光器可以避免它们产生的光谱线重叠。
2. 使用光纤放大器：将多个激光器的信号传输到一个光纤放大器中，可以增强信号并减少谱线竞争效应的影响。
3. 调整激光器的参数：通过调整激光器的谐振腔长度、增益和相位等参数，可以优化激光器的输出，并减少谱线竞争效应的影响。
谱线竞争效应还可以通过使用非线性光学器件来减轻。
例如，可以使用具有非线性放大作用的二极管或晶体管来增加激光器的输出功率，并减少谱线竞争效应的影响。
此外，还可以使用光隔离器来分离多个激光器的输出信号，以避免它们之间的干扰和相互影响。
在实际应用中，谱线竞争效应可能会对某些特定的实验产生影响，因此需要根据实验的具体需求进行优化和调整。
例如，在医学成像领域中，需要使用高分辨率的光谱仪来分析人体组织的分子结构，而谱线竞争效应可能会影响到这种分析的精度和可靠性。
因此，需要采取一些特殊的措施来避免或减轻谱线竞争效应的影响，以确保实验结果的准确性和可靠性。