3外腔He-Ne激光器的调试及参数测量

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I960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，装有散热风机的He-Ne激光器可长时间运行。

激光管的布儒斯特窗与输出镜、全反镜之间用模具成型的耐老化的硅胶套圭寸接。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

管一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TEM q,m,n。单独表示横模时可记成TEM m,n。如TEM 00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。

TEM® TEMoi TEMm TEM10TEMn

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

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（大蓝白点），微小幅度调整白硬纸板的上下、左右的位置，可看到

放电管内的小蓝白点随纸板向相反方向运动，使小亮白点与出光孔（大蓝白点）同心，然后固

定住白硬纸板，调节谐振腔螺丝使十字叉与蓝白点同心即可出光（如果不行，让叉丝在整个

出光孔内移动，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。

出光时的十字又也・ £出JML 亮白点.十字夏同轴）

5 •

实验内容二：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 二。

（3） 由于光栅常数d=10-5 m 已知，根据光栅方程可以计算出激光波长。

dsin J

-「 (j =0,_1,_2,)

爲

X

不出光时的十字又虹

亮白点

十字叉fll 光板

就电曾