100312 实验一 He-Ne激光器与激光谐振腔
激光原理实验
激光原理实验指导老师陈钢1实验目的：加深对激光原理理论概念的认识和理解，培养实验动手能力。
2实验内容：（1）谐振腔参数认识、调节，调节外腔式He-Ne激光器，使其激光输出，并达到最大值，记录相关实验结果，包括工作电流和激光功率；（2）光学谐振腔的稳定范围；（3）激光输出功率随激光管在腔内位置变化的关系；（4）波长选择，通过选频元件，调出可能的5条谱线，记录波长和相对功率；（5）横模特征观测与判断。
此5个内容，第一个大家都要做一遍，其余四个选两个做，但最好分配好，把每个内容都做到。
3实验原理：实验从调整基本装置开始，这部分内容老师讲解。
只要调整好基本装置，就可以开始下面的各项实验。
3.1光学稳定性He-Ne激光器的光学谐振腔是根据激活介质Ne以及所要求的光束质量而设计的。
稳定性的目标就是要获得尽可能好的光束输出，也就是基模高斯光束TEM 00模式。
一般来说，要获得高功率输出和较好的光束质量是两个相矛盾的要求，因为高功率输出需要较大的激活体积，而基模运转时的激活体积却被限制在他所要求的模体积之内。
这也就说明了为什么平凹腔对He-Ne激光器是最佳的结构。
3.2光学谐振腔的稳定范围；实验可以这样进行，在激光稳定运转过程中，通过改变球面镜的位置，直到激光不能产生为止。
球面镜位置改变的具体方法为：把球面镜调节支架上的固定螺丝轻微松动，同时又使得它能够在轨道上保持静止不动。
位置改变过程尽量保持不要破坏激光的振荡。
重新固定调节支架到新的位置，并且通过调节球面镜的垂直和水平调节螺丝，使得激光功率重新达到最大值。
重复这些过程，直到达到一个不能获得激光震荡的新位置为止。
测量此时两面镜子的距离，并与由稳定性条件给出的最大距离L进行比较。
0乞g l乜2乞1g i =1and g2 =1 丄R i R212实验的测量方法如下，松开激光管支架的固定螺丝，使得它的位置可以在轨道上改变。
第一步准直已经调节好了，在这个实验中要保证激光管支架的机械轴要和准直光给出的光轴重合。
He-Ne激光器与激光谐振腔
He-Ne激光器与激光谐振腔一．实验目的通过实验，掌握激光调谐的原理和技巧，验证谐振腔理论和有关增益的概念，全面、深入的了解激光器的结构、特性、工作条件和相关理论。
二．实验仪器1.光学实验导轨：1000毫米一根2.准直光源：二维可调半导体激光器，650纳米3.5mW 一个3.小孔光栏屏一个4.激光管调整架：由两个二维调整架组成，可完成4个自由度的调整。
一个5.半内腔氦氖激光管：波长633nm，最大输出功率≥2mW（硬封长寿命管）一个6.激光电源：稳流，电流可调，范围4.5-8毫安一个7.二维反射镜架：精密细牙调整螺钉（含硬膜半反射镜）。
一付8.二维可调扩束镜一付9.激光功率指示计：3位半数子表头，测量范围：200微瓦、2、20、200毫瓦、可调档，含半导体激光电源。
一套10.显示屏：80毫米×100毫米一块三．实验原理1、半导体发光原理a.我们知道，白炽灯是把被加热钨原子的一部分热激励能转变成光能，发出宽度为1 000 nm 以上的白色连续光谱。
b.发光二极管（LED）却是通过电子在能带之间的跃迁，发出频谱宽度在几百 nm 以下的光。
c.在构成半导体晶体的原子内部，存在着不同的能带。
如果占据高能带（导带）的电子跃迁到低能带（价带）上，就将其间的能量差（禁带能量）以光的形式放出。
这时发出的光，其波长基本上由能带差所决定。
光的自发辐射、受激发射和吸收补充知识与举例：1)自发辐射---LED工作原理a.如果把电流注入到半导体中的P-N结上，则原子中占据低能带的电子被激励到高能带后；射b.当电子从高能带跃迁到低能带时，将自发辐射出一个光子，其能量为 hv。
c.电子从高能带跃迁到低能带把电能转变成光能的器件叫 LED。
e.当电子返回低能级时，它们各自独立地分别发射一个一个的光子。
因此，这些光波可以有不同的相位和不同的偏振方向，它们可以向各自方向传播。
f.同时，高能带上的电子可能处于不同的能级，它们自发辐射到低能带的不同能级上，因而使发射光子的能量有一定的差别，使这些光波的波长并不完全一样。
10.21 He-Ne激光器实验
实验报告课程名称： 指导老师： 成绩：__________________ 实验名称： He-Ne 激光器与激光谐振腔 同组学生姓名一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求本套实验装置的核心He-Ne 激光器，采用的是一种半内腔结构，激光器的一个全反射镜与毛细管、储气套等做成一体，并在出厂前将全反射镜与毛细管调至垂直。
而另一个半反射镜则被安装在一个精密二维调整架上，可灵活移动。
通过一准直光源调整激光管和半反射镜，使之产生激光。
用激光功率计检测这束激光并进一步调整膜片使之达到最佳状态（功率最大）。
观察光斑大小和光强分布。
用扫描干涉仪观察其纵膜的频谱分布情况。
调整工作电流，观察输出功率的变化。
重复移动半反射镜并重新使之达到最佳状态，观察光斑大小和分布变化，记录功率，用干涉仪观察纵膜，比较前后变化，分析腔长对功率、纵膜、横膜、发散角、束腰、腔型的影响。
在激光管与半反射镜之间插入一可调损耗，使之与增益刚好达到平衡，通过对损耗的测量，求得 激光管的增益。
通过实验，掌握激光调谐的原理和技巧，验证谐振腔理论和有关增益的概念，全面、深入地了解激光器的结构、特性、工作条件和相关理论。
二、 实验内容和原理1.改变工作电流，观察电流与输出功率的关系。
（在超过5mA 的大电流时，工作时间不可过长。
） 2.腔长与激光功率、横模、纵模、束腰、发散角的关系1）设备调试完成后，用功率计测量其最大功率。
用显示屏在全反射端一定距离处（2-3米）观察光斑的大小和形状，光斑的大小反应了发散角的大小，光斑的形状即为激光的横模。
观察半反射镜上的光斑（束腰）大小。
在半反射镜端装上F-P 扫描干涉仪探头，观察纵模情况。
装订线专业： 姓名： 学号：日期： 10.21 地点：2）松开反射镜架滑块上的螺钉，移动反射镜，在适当位置上重新锁紧，以改变谐振腔的腔长和腔型。
He-Ne激光器实验研究
He-Ne激光器实验研究日期2014年6月30日实验目的：通过对激光器主要结构的认识，利用各个组件安装完成激光器，进而测量激光的输出特性，了解激光的工作特性，输出光斑的模式特性，以便掌握激光有关知识并更好应用到科技创新中。
实验器材：He-Ne激光放电管，激光电源，反射镜，准直激光器，激光功率器，擦镜纸课题意义：1917年爱因斯坦提出了受激辐射的概念，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受激辐射现象。
1953年，汤斯研究小组发现了微波的受激辐射，这为实现光频波段的受激辐射奠定了基础。
1960年梅曼制造了光频波段的第一台红宝石激光器，这标志了激光的诞生。
按工作物质的类型不同，激光器主要可以分成四大类：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。
He-Ne激光器价格低，结构简单，是了解激光器工作原理非常理想的实验选择。
激光的工作原理涉及到光学、电学、量子力学、原子物理等许多基本物理学知识和实验技能，因此，通过组装一台He-Ne激光器的实验，对于了解激光器构造、激光器工作原理、特性，巩固和综合运用所学的物理知识以及了解激光器的应用很有意义。
实验原理和步骤谐振腔的认识开腔He-Ne激光器主要由两个带调节支架的反射镜、激光放电管及电源、准直激光器、滑轨、功率计等部件组成。
He-Ne激光器由于采用毛细管放电的形式，大多数采用了平—凹腔结构。
凹面镜用作谐振腔的全反镜，一般会标明“R=***”R代表凹面镜的曲率半径。
平面镜用作输出镜，镜上会标明“plane，T=***％”等字样，T代表平面镜的透过率。
如果没有标明，可以用准直激光分别照射两反射镜，透过率小的为凹面镜。
谐振腔调节前首先要分清平面镜、凹面镜，因为两镜的调节技巧差别较大。
谐振腔调节谐振腔调节前应用擦镜纸将各镜面及激光管的布儒斯特窗擦拭干净，尽量减少损耗。
He—Ne 激光器的最佳放电条件实验报告
He—Ne 激光器的最佳放电条件实验报告摘要：本实验利用真空系统，配以复合真空计、激光电源以及数字激光功率计研究He—Ne 激光器的最佳放电条件。
实验中配置了He、Ne混合气体，使得:7:1H e N ep p 。
保持气配比不变，改变气体总压强，对于每个压强值，分别测量输出光功率和压强值的关系，得到：对于每一个压强，都存在一个最佳放电电流，且随着总压强的降低，最佳放电电流的数值呈上升趋势；且随着压强的改变，激光器的输出功率存在极大值。
关键字：He—Ne激光器、输出光功率、压强、真空一，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。
He—Ne激光器是以He、Ne混合气体为工作物质，采用放电激励方式工作的激光器，其激光输出功率与放电条件（气体总压强、气体的配比、放电电流等）有密切关系。
研究它的放电条件对于制作和使用He—Ne激光器来说都说非常重要的。
本实验通过配置He—Ne激光器的工作气体，研究放电条件对激光输出功率的影响，从而进一步了解He—Ne激光器的工作原理和最佳放电条件，掌握真空与充气技术。
二，实验原理1，内腔式He—Ne激光器的结构内腔式He—Ne激光器由谐振腔和放电管组成，如图1.谐振腔由两个反射镜R1R2组成。
激光通过反射率较低的腔镜耦合到腔外，该镜通常称为输出镜。
放电管中央的细管为毛细管。
毛细管中充有He、Ne混合气体，是对激光产生放大的区域，毛细管的几何尺寸决定了激光的最大增益。
套在毛细管外面较粗的管子为储气管。
储气管与毛细管的气路相通，主要作用是稳定毛细管内的工作气压、稳定激光器的输出功率和延长其寿命。
图中，K为阴极，A为阳极。
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，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。
He—Ne激光器一般采用直流高压放电激励方式。
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。
激光原理技术基础实验之一-试用版-董全力
鲁东大学光电技术专业基础实验材料内部材料,注意保存用后回收,方便下级修改后再用He-Ne激光调腔实验一、实验目的与要求１、目的： １）使学生对＂激光谐振腔＂有直观的概念，并通过动手操作，进一步体会谐振腔的形成条件； ２）使学生掌握激光输出的＂阈值＂概念。
２、要求： 本套实验装置的核心－Ｈｅ－Ｎｅ激光器，采用的是一种半内腔结构，激光器的一个全反射镜与毛细管、储气套等作成一体，并在出厂前将全反射镜与毛细管调至垂直。
而另一个半反射镜则被安装在一个精密二维调整架上，可灵活移动。
、 １）学生需要通过一准直光源调整激光管和半反射镜，精确建立起谐振腔，产生激光输出。
用功率指示计检测这束激光并进一步调整膜片使之达到最佳状态（功率最大）。
２）调整工作电流，观察输出功率的变化，并绘制输入电压ｘ电流－输出功率曲线，粗估激光形成阈值。
二、实验类型综合型（基本认知，实际操作，技能训练） 三、实验原理及说明激光器是一种利用物质的受激辐射现象来工作的光学器件，受激辐射最早是由爱因斯坦于１９１７年提出的，其基本意思为：当物质与光波相互作用时，将产生受激辐射现象，有可能将物质中的一定能量加到入射的光波中去，其结果是光波的能量获得了放大。
如果光波在物质中传播时损耗足够的小，并同时引入适当的正反馈，就可以构成一个光学振荡器－激光器，就象我们在电学中使用的自激振荡电路一样。
激光器的物理基础是光的受激辐射放大，激光的英文单词ｌａｓｅｒ就是来自于light amplification by stimulated emission of radiationd 中的头几个字母。
光与物质的相互作用主要可以归结为三个方面：吸收、自发辐射和受激辐射。
１．受激吸收：吸收是激光工作物质从外界吸收能量的过程，在这里我们关心一种特殊的吸收过程－受激吸收。
受激吸收是一种与后面将要介绍的受激辐射相反的过程，既一个外界光子将使一个处于低能级E1的粒子跃迁到一个较高能级E2上，且外来光子的频率ν与粒子能级差有如下关系： ν=（E2−E1）/h ，其中ｈ为普朗克常数。
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。
hene激光器谐振腔的观察及调整原理的实验心得
hene激光器谐振腔的观察及调整原理的实验心得一、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TEMmn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结构。
由无源腔理论可知：共轴稳定球面谐振腔TEMmn模的频率为式中m、n为横模阶次，q为纵模阶次，L为腔长，R1R2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。
四、实验步骤与内容1.按照实验装置图连接线路，经检查无误后方可接通电源。
2.点燃激光器，调整光路，首先使激光束从小孔光阑通过，调整扫描干涉仪上下、左右位置，使光束正入射孔中心，再细调干涉仪板架上的两个方位螺丝，使从干涉仪腔镜反射的最亮的光点回到光阑小孔的中心附近，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。
12氦氖激光器与激光谐振腔
氨氛激光器与激光谐振腔实验虽然在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，笫一台红宝石激光器才面世，它标志了激光技术的诞生。
激光器III光学谐振腔、工作物质、激励系统构成，相对一般光源，激光有良好的方向性，也就是说，光能量在空间的分布高度集中在光的传播方向上，但它也有一定的发散度。
在激光的横截面上，光强是以高斯函数型分布的，故称作高斯光束。
同时激光还具有单色性好的特点，也就是说，它可以具有非常窄的谱线宽度。
受激辐射后经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉，最后形成一个或者多个离散的、稳定的谱线，这些谱线就是激光的模。
在激光生产与应用中，如定向、制导、精密测量、焊接、光通讯等，我们常常需要先知道激光器的构造，同时还要了解激光器的各种参数指标。
因此，激光原理与技术综合实验是光电专业学生的必修课程。
—、实验原理激光器是一种利用物质的受激辐射现象来丄作的光学器件，受激辐射最早是山爱因斯坦于1917年提出的，其基本意思为：当物质与光波相互作用时，将产生受激辐射现象，有可能将物质中的一定能量加到入射的光波中去，其结果是光波的能量获得了放大。
如果光波在物质中传播时损耗足够的小，并同时引入适当的正回馈，就可以构成一个光学振荡器一一激光器，就象我们在电学中使用的自激振荡电路一样。
激光器的物理基础是光的受激辐射放大，激光的英文单词laser就是来自于light amplification by stimulated emission of radiation 中的头儿个字母。
光与物质的相互作用主要可以归结为三个方面：吸收、自发辐射和受激辐射。
1.受激吸收：吸收是激光工作物质从外界吸收能量的过程，在这里我们关心一种特殊的吸收过程一一受激吸收。
受激吸收是一种与后面将要介绍的受激辐射相反的过程，既 一个外界光子将使一个处于低能级£的粒子跃迁到一个较高能级£上，且外来光子的频 率V 与粒子能级差有如下关系：卩=空生，其中方为普朗克常数⑴h2. 自发辐射：在没有外界干扰的情况下，处于高能级的粒子，可以自发地向低能级 跃迁，同时发射一个光子，这个光子的频率一般由下式决定：v=(万n£) /h(2)丘1-方1为发生跃迁的上下能级能量差。
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。
激光实验报告
激光实验报告He-Ne 激光器模式分析一．实验目的与要求目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。
对本实验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。
要求：用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne 激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。
二．实验原理1.激光模式的一般分析由光学谐振腔理论可以知道，稳定腔的输出频率特性为：LCV mnq η2=[1q (m 2n 1)+++π]cos -1[(1—1R L )(1—2R L )]1/2(17)其中：L —谐振腔长度； R 1、R 2—两球面反射镜的曲率半径；q —纵横序数； m 、n —横模序数； η—腔内介质的折射率。
横模不同（m 、n 不同），对应不同的横向光场分布（垂直于光轴方向），即有不同的光斑花样。
但对于复杂的横模，目测则很困难。
精确的方法是借助于仪器测量，本实验就是利用共焦扫描干涉仪来分析激光器输出的横模结构。
由（17）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为：)(12'':n m L C n m mn ∆∆πηυ∆+=cos -1[（1－1R L ）(1－2R L )]1/2 （18）其中：Δm=m －m ′；Δn=n －n ′。
对于相同的横模，不同纵模间的频差为q LCq q ∆ηυ∆2':=其中：Δq=q －q ′，相邻两纵模的频差为LCq ηυ∆2=（19）由（18）、（19）式看出，稳定球面腔有如图2—1的频谱。
（18）式除以（19）式得cos )(1'':n m n m mn q ∆∆πν∆∆+=-1[(1－1R L )(1－2R L )]1/2（20）设：qn m mn υ∆υ∆∆'':=； S=π1cos -1[(1－)]1)(21R LR L -1/2 Δ表示不同的两横模（比如υ00与υ10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之比，于是（20）式可简写作：Sn m ∆=∆+∆)( （21）只要我们能测出Δ，并通过产品说明书了解到L 、R 1、R 2（这些数据生产厂家常给出），那么就可以由（21）式求出（Δm +Δn ）。
He-Ne laser1(1)
地点：理工楼506 时间：Friday From 8:00 to 17:00实验9 He-Ne激光器与激光谐振腔前言激光即Laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，原意是受激辐射光放大所产生的光。
它是从微波激射器（Maser）发展而来的。
Maser( Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation)意为通过辐射的受激发射进行微波放大。
1954年初，美国的汤斯（C. H. Towns）等人，制成了世界上第一个微波激射器。
1958年，汤斯和肖洛（A. L. Schawlow）将Maser原理推广到光学波段。
1960年7月，美国的梅曼（T. H. Maiman）成功地做出了世界第一台激光器——红宝石激光器。
此后，激光的发展突飞猛进，在激光理论、激光技术、激光应用等各个方面都取得了巨大的发展。
激光技术的发展，还带动了一些新兴学科，如全息光学、非线性光学、傅立叶光学、激光光谱学、光化学等学科的迅速发展。
激光技术的出现和发展，也标志着人类对光频相干电磁辐射的手段、控制能力及其与物质相互作用规律性的认识，都达到了一个新的更高级的阶段。
He—Ne激光器：以He、Ne混合气体为激光工作物质的一种气体激光器，是一种典型的四能级激光器。
由于它具有结构简单、使用方便、光束质量好、工作可靠和制造容易等优点，是应用最广泛的一种气体激光器。
本实验通过调整半内腔He-Ne激光管外部的部分反射，使之满足激光起振条件，产生激光。
通过实验，掌握激光器工作原理和激光谐振腔理论，同时对He-Ne激光器的输出特性有一初步的了解。
一、实验目的1、调整一台半内腔He-Ne激光器，使之满足激光起振条件，产生激光。
2、改变激光器的工作电流，观测放电条件对激光输出功率的影响。
3、通过在导轨上移动反射镜，改变谐振腔腔长，观察测量腔长与横模、功率的关系，以及对束腰直径、发散角的影响。
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。
激光调腔论文_3
激光调腔与纵横模分析论文内容摘要：本实验利用He-Ne激光器和示波器等仪器在示波器上观察了长短两个He-Ne激光器的模谱，并在模谱上辨认了自由光谱区，测量了纵、横模的频率间隔，然后观察了横模的图样。
又利用频率分裂和模竞争实验激光器测量了增益曲线，观察了模分裂现象。
关键字：纵模，横模，自由光谱区，晶体光折射，纵模分裂一实验原理1、激光以及氦氖激光器（１）激光器由光学谐振腔、增益介质和激励能源组成。
He-Ne激光器谐振腔由二片直径为2a、间隔的L的介质膜反射镜相对放置组成。
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。
(２)调腔实验调节方法：十字小孔成像准直法图2.如图1所示，十字屏中心有一小孔，用照明光源照亮十字屏。
通过小孔沿光轴观察放电管，移动十字屏位置，在放电管端头找到放电管中心的光点，如图2（a）所示。
然后调节腔镜，并观察十字线的像，使其交点与放电管中心光点重合，调节到如图2（c）所示状态后（标志着腔镜已经与放电管轴线垂直），将十字屏、照明光源换到激光腔另外一端，按照以上调节方法，同样调节到如图2（c）所示状态，即可能有激光输出。
否则，可重复以上步骤，反复调节，直至输出红色激光。
可以使用光功率计（自备）检测输出激光强度，微调两腔镜，以达到最佳输出光强。
波长632.8nm。
2、He-Ne激光器的纵模、横模及其对应的频率间隔（1）纵模激光器是由增益介质、光学谐振腔和激励能源组成。
激光谐振腔
激光谐振腔摘要：本实验通过对He-Ne激光器的调节加强学生对激光谐振腔以及相关知识的理解，熟悉和掌握激光器调节的原理和技巧。
关键词：光模式；谐振腔；He-Ne激光器Laser resonatorDuo Wang(School of Science, BUPT. Beijing, 100876)Abstract:In this study, through the regulation of the He-Ne laser to enhance students' understanding of the laser resonator and knowledge and master the principles and techniques of laser adjustment. Keywords:Light mode; Resonator; He-Ne laser自1960年激光器问世以来，作为一种新光源，激光器具有光束发散角小、亮度高、单色性和相干性好的特点。
He-Ne激光器是一种应用很广的典型激光器件，它是由（1）起放大作用的工作物质；（2）具有选频（或者说滤波）和正反馈作用的光学谐振腔；（3）激励能源等三部分组成。
激光模式的研究对激光器研制和激光应用技术都有很大意义。
1 实验原理1.1谐振腔和纵模频率由两块互相平行的平面反射镜组成的平行平面腔是一种典型的光学谐振腔。
其原理如图1所示。
图 1 平行平面腔示意图平行于轴线传播的平面波A在两反射镜间经过偶数次发射后得到光波B、C……，这些光波和A叠加在一起，根据干涉现象的原理，A、B、C等只有当它们的相位相同是才能互相加强，腔内才能发生“谐振”，最后才能形成激光。
设谐振腔长度为L，腔内工作物质的折射率为μ，光波的频率为ν，相应的真空中波长为λ0=cν⁄，式中c是真空中的光速。
工作物质中的波长为λ=cμν⁄，于是可得平行平面腔的谐振条件为L=Nλ2=Nλ02μ（1）式中N是整数。
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He-Ne激光器与激光谐振腔实验指导书
浙江大学光电系
特别提示！！！
1.He-Ne激光器的阳带有几千伏的高压，请注意安全！！！
2.激光管为玻璃结构，易碎，特别是布氏窗结构，由多种玻璃构成，应避免受力和碰撞。
激光膜片是非常易损的光学元件，应绝对避免人手的触摸和剐蹭，必要的清洁请使用专用长
丝棉或脱脂棉结合干净的乙醚或丙酮轻轻擦拭。
一．实验内容与目的
本套实验装置的核心He-Ne激光器，采用的是一种半内腔结构，激光器的一个全反射镜与毛细管、储气套等做成一体，并在出厂前将全反射镜与毛细管调至垂直。
而另一个半反射镜则被安装在一个精密二维调整架上，可灵活移动。
通过一准直光源调整激光管和半反射镜，使之产生激光。
用激光功率计检测这束激光并进一步调整膜片使之达到最佳状态（功率最大）。
观察光斑大小和光强分布。
用扫描干涉仪观察其纵膜的频谱分布情况。
调整工作电流，观察输出功率的变化。
重复移动半反射镜并重新使之达到最佳状态，观察光斑大小和分布变化，记录功率，用干涉仪观察纵膜，比较前后变化，分析腔长对功率、纵膜、横膜、发散角、束腰、腔型的影响。
在激光管与半反射镜之间插入一可调损耗，使之与增益刚好达到平衡，通过对损耗的测量，求得激光管的增益。
通过实验，掌握激光调谐的原理和技巧，验证谐振腔理论和有关增益的概念，全面、深入地了解激光器的结构、特性、工作条件和相关理论。
二．实验设备
光学导轨、
准直光源（650nm 3.5mW半导体激光器），
二维可调架，
小孔光栏屏，
激光管调整架（由两个二维调整架组成，可完成4个自由度的调整），
半内腔氦氖激光管：波长6328nm，最大输出功率≥2mW，
激光电源：稳流，电流可调，范围4.5-8毫安
二维反射镜架：精密细牙调整螺钉（含硬膜半反射镜）
二维可调扩束镜：
激光功率计：3-1/2位数字表头，测量范围：200微瓦、2、20、200毫瓦、可调档, 含半导体激光电源。
显示屏：80毫米×100毫米
增益测量组件：三维可调
扫描干涉仪
示波器
三．实验装置的设置
1）将导轨放置在稳定的平台上。
2）将He-Ne激光器及四维调整架放置在导轨的一端（如左手端），布氏窗朝向导轨的另一端（右手端），锁紧滑块上的两个螺钉，使激光器与导轨紧固连接。
3）将半导体激光器（Laser Diode, LD）及二维调整架放置在导轨的右手端，使其发光侧指向He-Ne激光器，锁紧滑块上的螺钉，将半导体激光器固定在导轨上，并将电源线插入功
率计上LD电源插孔。
4）紧靠LD放置小孔光栏屏并锁紧滑块上的螺钉。
5）在小孔光栏屏与He-Ne激光器之间放置一个滑块用以放置He-Ne激光器的反射镜。
6）将He-Ne激光器的高压电源线与He-Ne激光器电源可靠连接。
7）在确定He-Ne激光电源开关处于“关”状态后，将功率指示器和激光电源与220V电源相连。
四．装置的调试
装置的调试主要是调整He-Ne激光器与半反射镜的相对位置关系，只有当谐振腔的两个反射镜均与激光器毛细管相垂直时，才有可能产生激光。
本实验在调试过程用一束半导体激光作为基准，用自准直的方法使激光谐振腔达到谐振条件，产生He-Ne激光。
调整步骤：
1）打开功率计的电源，LD发出激光。
2）松开激光管调整架上的6个调整螺钉，使激光管处于自由悬挂状态。
3）调整LD的高度和方向，同时调整小孔屏的高度和位置，使通过小孔的激光可打在He-Ne 激光管的布氏窗中心区域。
4）将He-Ne激光器的半反射镜连同二维精密调整架放置在He-Ne激光管前的滑块上，调整反射镜架的高度使激光大致打在反射镜的中心位置上，锁紧反射镜架。
5）前后滑动半反射镜，注意光斑在半反射镜上的位置，并反复调整LD和小孔光栏屏方向和位置，以使半反射镜在前后滑动的过程中，光斑始终位于半反射镜膜片的中心区域。
这时LD激光束基本上与导轨平行，我们将以这条激光束作为基准来调整谐振腔。
在实
验过程中这个基准不应再变动。
6）取下He-Ne激光器反射镜架，这时LD激光束又会落在 He-Ne激光器的布氏窗上，通过激光器的玻璃外壳我们会看到这束LD激光是否进入了毛细管（这时 He-Ne激光器光源
应处于“关”状态，以便于观察）。
调整布氏窗一端的二维调整架，使LD光束进入毛细
管，这时我们应可在小孔光栏屏上看见从He-Ne激光器的另一个反射镜反射回来的光，
一般为环形。
尽量使之明亮。
7）调整He-Ne激光器全反射镜端的二维调整架，小孔光栏屏上的反射光的强度和形状也随之变化，尽量使这个环形光斑变小、变强并成为一个亮点。
8）反复调整He-Ne激光器前后的两个二维调整架，使反射到小孔光栏屏的亮点尽可能对称、明亮，并重合于小孔，此时可认为毛细管基本以LD激光束（基准）相重合，全反射镜
与LD激光束垂直。
9）将步骤5）中取下的半反射镜重新放回到导轨上，调整高度使LD光斑落在膜片中央位置。
10）调整半反射镜架上的两个精密调整螺钉，使该半反射镜反射回小孔屏上的光斑落于小孔中心。
11）用脱脂棉和丙酮擦拭布氏窗。
12）打开He-Ne激光电源，激光管亮。
调整电流到5mA左右。
（不可过大以免损激光管和电源）。
13）这时应有He-Ne激光输出。
如没有，请仔细调整半反射镜上的两个精密调整钉，直到有He-Ne激光输出为止。
14）将功率计探头放入光路，探测He-Ne激光器的输出功率，反复仔细调整半反射镜上的两个精密调整螺钉，使功率达到最大。
激光的调试即告完成。
五．实验内容：
一．改变工作电流，观察电流与输出功率的关系。
（在超过5mA的大电流时，工作时间不可过长。
）
二．腔长与激光功率、横模、纵模、束腰、发散角的关系
1）设备调试完成后，用功率计测量其最大功率。
用显示屏在全反射端一定距离处（2-3米）观察光斑的大小和形状，光斑的大小反应了发散角的大小，光斑的形状即为激
光的横模。
观察半反射镜上的光斑（束腰）大小。
在半反射镜端装上F-P扫描干涉
仪探头，观察纵模情况。
2）松开反射镜架滑块上的螺钉，移动反射镜，在适当位置上重新锁紧，以改变谐振腔的腔长和腔型。
重复9）、10）、12）、13）中的必要步骤，重复1）中的实验和观察。
在导轨上可均匀的选择3-4个位置，重复1）中的实验和观察，以了解、掌握这些参数的变化规律。
三．激光增益的测量：
1）将半反射镜放在布氏窗前10cm处，调出激光。
2）将增益测量组件插入腔外光路，用功率指示计监测功率。
3）调整两个水平调整螺钉和旋转平台，使激光功率最大。
4）将增益测量组件插入腔内光路，仔细调整激光谐振腔和增益测量组件，使输出功率到达最大。
5）仔细调整旋转平台，使激光正好消失，这时损耗与激光增益相当等，
6）连同滑块一起取下增益测量组件，放置在腔外光路中，测出损耗，即得到我们需要的激光增益。