氦氖激光器系列实验一

氦氖激光器系列实验

实验一：氦氖激光束光斑大小和发散角

实验目的：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

实验仪器：氦氖激光器，光功率指示仪，硅光电池接收器，狭缝，微动位移平

台

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。

图1 基模激光束在空间的传播

1. 激光器发出的基模激光束在空间的传播如图1所示，光束横截面最细处为束腰，坐标原点选在束腰截面的中点，z 是传播方向，距束腰为z 处的光斑半径w(z)

()1/2

20201z w z w w λπ⎡⎤

⎛⎫⎢⎥=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦

上式改写成双曲线方程：

()2

2

2001/w z z w w πλ⎡⎤⎡⎤

-=⎢⎥⎢⎥⎣⎦

⎣⎦ 双曲线渐近线的夹角θ为激光束的发散角，则

()022lim z w z z w λθπ→∞==

如何测量w(z), θ(z)?

w(z)

： 方法一：测出z ，算出w 0,可知w(z)

方法二：根据光斑半径定义测量. θ(z )： 方法一：算出w 0，可求θ(z)

方法二：测出离束腰很远的z 和光斑大小w(z)，算出θ(z) 本实验要求分别用两种方法计算出结果进行比较。 2. 激光束横向光场分布

激光沿z 轴传播，基模高斯光束分布的形式：

()()

222arctan 200,,()

r z r i k z R f w z C

E x y z e e

w z ⎡⎤

⎛⎫-+--⎢⎥ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦

=

⋅⋅

则基模振幅：()()

2200,()

r w z C

E r z e w z -=

⋅

光斑半径w(z)定义：振幅下降到1/e 的点离中心的距离。

实际测量中，只能测得光束横向光强分布，光强正比于振幅的平方

()()

()

22222

00002,,()

r w z C

I r z E r z e w z -

∝=⋅

所以，光束半径w(z)也可定义为中心光强e -2倍的点离中心的距离。在光束半径w(z)范围内集中了86.5%的总功率。 3 实验装置 氦氖激光器：

输出波长632.8nm ；平凹型半外腔：后腔镜R1=1m,前腔镜R2=∞； 管长：l =270mm. 束腰处的光斑半径为

1/4

1/2

101R L w L λπ⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪

⎝⎭⎝⎭

因为R2=∞，所以束腰位置在谐振腔输出平面镜R2的位置，即坐标原点在R2的位置。测量时，要求z 达到3-5米。为了缩短测量装置的长度，采用平面镜折返光路。 实验装置图：

实验装置如上图所示，氦氖激光器输出的激光经45度平面反射镜和三脚架上的平面镜反射入射到狭缝上面。测量狭缝连同其后面的硅光电池作为一个整

R R 2=∞

体沿光束直径方向作横向扫描。和硅光电池连接的反射式检流计（光功率计）测出激光束横向每个位置的光强。根据测得的激光束光强横向分布曲线，求出

光强下降到最大光强e-2倍处的光束半径w(z).根据

()

2w z

z

θ=，算出光速发散角

θ(z)。

实验步骤：

1.测量前的准备

（1）调整光轴，使各元件的光轴在同一水平线上。（调准直）

a.打开校准激光器，在轨道上放置小孔，调整激光器的螺丝，当小孔在近

处时，让光通过小孔，当小孔在远处时，光也可以通过。多次调节，让光能始终通过小孔，说明校准激光器光轴已水平。

b.放置反射镜R2，调整R2，使R2反射的光也可以通过小孔，说明R2光

轴也水平，镜R2与光学平台垂直。

c.调整氦氖激光器，使其后反射镜反射的光也可以通过小孔

（2）产生激光，连接各元件

a. 打开氦氖激光器电源，调整激光器的输出镜R2的位置，使其产生激光

振荡。找到输出激光能量最大的位置，固定R2。

b. 摆好光路其它各部件。（45度反射镜，平面镜三脚架，狭缝，硅光电池）

c. 调整标尺及平面反射镜使激光束照亮测量狭缝，取z值约3-5m.

d. 狭缝宽度是光斑大小的1/10以下，接好光功率指示仪，光功率指示仪调

零。

2. 光强横向分布的测量

（1）移动微调平台，使狭缝和硅电池接受器同时扫过光束，移动的方向与光传播方向垂直。

（2）每隔0.1mm~0.2mm，记录光功率指示仪的值，重复测量三次，进行激光束的光强横向分布测量。

（3）测量z，腔长L。

3. 光斑半径w(z)及发散角θ的确定

（1）做出光功率指示仪跟测量位移之间的变化曲线，由曲线求出光斑半径w(z).

三次测量，画出三条曲线，求出三个w(z)值。然后三个值求平均。

（2）根据()

2w z z

θ=

，算出θ值。 （3）根据公式

1/4

1/2

101R L w L λπ⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪

⎝⎭⎝⎭，算出w 0。然后根据()022lim z w z z w λθπ→∞==，()1/2

20201z w z w w λπ⎡⎤

⎛⎫⎢⎥=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦，算出w(z)和θ，并与前面的测量值进行比较。

注意事项：

1. 爱护各实验元件，轻拿轻放。

2. 光学元件各镜头不要用手摸，特别是平面镜镜头。