氦氖激光器的调试实验

氦氖激光器调试实验

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。在没有外界作用时会自发地向低能级（E1）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

2受激辐射和光的放大

受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量h υ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激

E 2

E 2

E 1

ν

h (a) 自发辐射

E 2

E 2

E 1

ν

h (b) 受激吸收

νh E 2

E 2 E 1 νh ν

h νh ν

h (c) 受激发射 高能态原子 低能态原子

双能级原子中的三种跃迁

电子碰

撞

激

发

波数

1

3390nm 632.8nm

1150nm

自发辐射

管壁效应驰豫 3P （525p p ）

1S （523p s ） 2S （5

24p s ）

共振转移

共振转移

电子碰撞激发

Ne

10S He

17

1

6

15 14 13

12 11

3S （525p s ）

2P （523p p ）

光。

3 粒子数反转

一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。

4 激光器的结构

激光器一般包

括三个部分：激光工作介质；激励源； 谐振腔 二

He-Ne 气

体激光器工作原

理：

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。

四、 实验内容与步骤：

1、将准直光阑放在准直用的氦氖激光器和半外腔氦氖激光器之间，取掉其

他元件。

2.、开启光具座上的准直氦氖激光器的电源，前后移动准直光阑，使准直氦氖激光器的激光都能穿过准直光阑。

3、调节固定半外腔氦氖激光器两个环上的六个旋钮，使穿过准直光阑的氦氖激光穿过半外腔氦氖激光器的毛细管，并照到其后面的全反镜上。

4、再仔细调节半外腔氦氖激光器两个环上的六个旋钮，使从全反镜反射的激光再次穿过毛细管，照射到光阑的中心，这时半外腔氦氖激光器的激光管的轴线与准直光线重合。

5.、从点燃的氦氖激光器判断毛细管的轴线是否通过光阑。

毛细管点燃时，呈桔红色（氖光色），但管内轴心却有一束兰白色的光（氦光色）。当通过针孔板从毛细管前端观察毛细管内部时，只要人的瞳孔正对着毛细管轴线，可以看到管中心处有一个兰白色亮点，其直径约为0.2mm，它是轴心光束的前端点，如图2 (a)所示。苦瞳孔偏高，就看不全这个亮点，可以看到如图2(b)所示的光点，它象拖着尾巴似的，亮点头朝下，尾巴朝上。图2（c)、(d)、(e)所示图形是瞳孔偏下、偏右或偏左时观察到的轴心光束。小亮点是毛细管的中心，是轴线的前端点，也是调试的基准点。这时，可关掉电流源，根据光学原理来调试谐振腔。

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。

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