HeNe激光器.pdf

He-Ne 激光器谐振腔调整 走进 He-Ne 激光器 气体激光器的优点：1.工作物质均匀性好，输出激光光束质量好 2.谱线宽，从远红外到紫外 3.输出功率大，转换效率高（电光转换）4.结构简单，成本低 氦氖激光器的结构：工作物质：He-Ne 气体（He 为辅助气体），气压比为 5：17：1 谐振腔：一般用平凹腔，平面镜为输出镜，透过率约 12，凹面镜 为全反射镜 泵浦系统：一般采用放电激励 激光管结构：按谐振腔与放电管的放置方式分为内腔式 外腔式 半内腔式 按阴极及贮气室的位置不同分为 同轴式 旁轴式 单细管式 HeNe 激光器的特点：典型谱线：632.8nm 1.15m 3.39m 其他谱线：612nm 594nm 543nm 优点：1.光束质量好 1mrad 2.单色质量好，带宽22Hz 3.稳定性高 功率稳定（2）频率稳定（510-15）4.在可见光区 He-Ne 激光器的输出功率：He-Ne 激光器属于以非均匀加宽为主但又不能忽略均匀加宽影响的综合加宽线型，按照综合加宽的情况计算其输出功率。输出功率的稳定性：He-He 激光器在工作过程中，输出功率会随时间做周期性的或随即的波动。造成漂移的原因有：1 放电电流波动造成输出功率的波动；2 谐振腔光轴与毛细管轴线相对位置发生变化引起功率波动；3 纵模的变化引起输出功率的波动。在只有少数几个纵模振荡的短腔激光器中，温度的变化或其他原因导致腔长发生了变化，谐振腔的纵模也要发生改变，将造成增益曲线的烧孔面积变化，从而引起输出功率的波动。解决方法：1.外部控制的办法减小功率漂移；2.根据产生漂移的原因，在器件结构和工艺上采取改进措施；He-He 激光器的频率特性：在适当的放电条件下，He-He 激光器已经获得了 100 多条谱线。其中最主要的是0.6328m 和 3.39m 两条。He-Ne 的实验调整 相对一般光源，激光具有单色性好的特点，也就是说，它具有非常窄的谱线宽度。这样窄的谱线，不是受激辐射后自然形成的，而是受激辐射经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉后形成的。所形成的一个或多个离散的、稳定的又很精细的谱线就是激光器的模。每个模对应一种稳定的电磁场分布，即具有一定的光频率。相邻两个模的光频率相差很小，我们用分辨率比较高的分光仪器可以观测到每个模。当从与光输出的方向平行（纵向）和垂直（横向）两个不同的角度去观测和分析每个模时，发现又分别具有许多不同的特征，因此，为方便每个模又相应称作纵模和横模。在激光器的生产与应用中，我们常常需要先知道激光器的模式状况，如精密测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距等不仅要求基横模，而且要求单纵模运行的激光器。因此，模式分析是激光器的一项基本而又重要的性能测试。操作原理：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207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，2=D2-D1/L2-L1,便可以算出全发散角 2。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。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(sinjjd 调整方法：1按实验装置图连接线路。经检查无误，方可进行实验。2开启激光电源。3用直尺测量扫描干涉仪光孔的高度。调节 He-Ne 激光管的高低、仰俯，使激光束与光学平台的表面平行，且与扫描干涉仪的光孔大致等高。4使激光束通过小孔光阑。调节扫描干涉仪的上下、左右位置，使激光束正入射到扫描干涉仪中，再细调干涉仪上的四个鼓轮，使干涉仪腔镜反射回来的光点回到光阑的小孔附近（注意：不要使光点回到光阑的小孔中），且使反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合，这时入射光束与扫描干涉仪的光轴基本平行。5开启扫描干涉仪驱动器和示波器的电源开关。调节驱动器输出电压的大小（即调节“幅度”旋钮）和频率，在光屏上可以看到激光经过扫描干涉仪后形成的光斑。注意：如果在光屏上形成两个光斑，要在保持反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合的条件下，调节扫描干涉仪的鼓轮，使经过扫描干涉仪后形成的两个光斑重合。6 降低驱动器的频率，观察光屏上的干涉条纹,调节干涉仪上的四个鼓轮，使干涉条纹最宽。注意：调节过程中，要保持反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合 7将光电二极管对准扫描干涉仪输出光斑的中心，调高驱动器的频率，观察示波器上展现的频谱图。进一步细调扫描干涉仪的鼓轮及光电二极管的位置，使谱线尽量强。8根据干涉序个数和频谱的周性期，确定哪些模属于同一个干涉序。9改变驱动器的输出电压（即调节“幅度”旋钮），观察示波器上干涉序数目的变化。改变驱动器的扫描电压起点（即调节“直流偏置”旋钮），可使某一个干涉序或某几个干涉序的所有模式完整地展现在示波器的荧光屏上。10根据自由光谱范围的定义，确定哪两条谱线之间对应着自由光谱范围.RS(本实验使用的扫描干涉仪的自由光谱范围.RS=2.5GHz)。测出示波器荧光屏上与.RS相对应的标尺长度，计算出二者的比值，既示波器荧光屏上 1 毫米对应的频率间隔值。11在同一干涉序内，根据纵模定义，测出纵模频率间隔1q。将测量值与理论值相比较(注：待测激光器的腔长L由实验室给出)。12确定示波器荧光屏上频率增加的方向，以便确定在同一纵模序数内哪个模是基横模，哪些模是高阶横模。提示：激光器刚开启时，放电管温度逐渐升高，腔长L逐渐增大，根据（2-2）式，q逐渐变小。在示波器荧光屏上可以观察到谱线向频率减小的方向移动，所以，其反方向就是示波器荧光屏上频率增加的方向。13测出不同横模的频率间隔nm，并与理论值相比较，检查辨认是否正确，确定nm的数值。（注：谐振腔两个反射镜的曲率半径1R、2R由实验室给出）。14观察激光束在远处光屏上的光斑形状。这时看到的应是所有横模的叠加图，需结合图 2-4 中单一横模的形状加以辨认，确定出每个横模的模序,既每个横模的m、n值。现象：横模光斑图 纵模、横模的分布