专业实验实验一氦氖激光原理与技术综合实验

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1、大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印氦氖激光原理与技术综合实验仪一.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，未能在实验屮观察到。直到1960年，第一台红宝石激光器才面世，它标志Y激光技术的诞生。激光器由光学谐振腔、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，故称作高斯光朿。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

2、和相互干涉，最后形成-个或者多个离散的、稳定的谱线，这些谱线就是激光的模。在激光生产与应用屮，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Y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。二.实验目的1.理解激光谐振原理，掌握激光谐振腔的调节方法。2.掌握激光传播特性的主要参数的测量方法。3.丫解F-P扫描干涉仪的结构和性能，掌握其使用方法。4.加深激光器物理概念的理解，掌握模式分析的基本方法。5.理解激光光束特性，学会对高斯光束进行测量与变换。6.了解激光器的偏振特性，掌握激光偏振测量方法。7.了解激光纵模正交偏振

3、理论与模式竞争理论。三.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

4、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。、A/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

5、(通常所谓某一波长的光，不过是光中心波长而己)。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&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6328A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。但只有单程放大，还不足以产生激光，还需要奋谐振腔对它进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定持续的振荡，才冇激光输出的可能。而形成持续振荡的条件是，光在谐振腔中往返一周

6、的光程差应是波长的整数倍，即：2uL=qXq(1)这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强，其它则相互抵消。式中，P是折射率，对气体L是腔长，q是正整数，每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布Xq，叫一个纵模，q称作纵模序数。q是一个很大的数，通常我们不需要知道它的数值。而关心的是有几个不同的q值，即激光器有几个不同的纵模。从式(1),我们还可以看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，q值反映的恰是驻波波腹的数0。纵模的频率为V

7、隔和激光器的腔长成反比。即腔越长，△v&越小，满足振荡条件的纵模个数越多；和反腔越短，△v%越大，在同样的增宽曲线范围内，纵模个数就越少，因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。以上我们得出纵模具有的特征是：相邻纵模频率间隔相等；对应同一横模的一组纵模，它们强度的顶点构成了多普勒线型的轮廓线。任何事物都具有两重性，光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强，另一方面也存在着不可避免的多种损耗，使光能减弱。如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面透射损耗和放