半外腔He-Ne 激光器的调试及参数测量
1. 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，未能在实验中观察到。

直到1960年，第一台红宝石激光器才面世，它标志了激光技术的诞生
按工作物质的类型不同，激光器可以分成四大类：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。

因此有必要通过实验对He-Ne 激光器作全面的了解。

2. 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、横模式等性能参数。

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。

3. 基本原理
3.1 He-Ne 激光器结构
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，如下图
He-Ne 激光器激励系统采用开关电路的直流电源，体积小，重量轻，可靠性高，并装有散热风机，可长时间运行。

激光管的布氏窗与输出镜、全反镜之间用模具成型的耐老化的硅胶套封接。

避免了因灰尘、潮气污染布氏窗、输出镜、全反镜而造成的激光输出功率下降。

输出镜、全反射调节采用差动螺丝，粗调调节范围大，可锁定。

细调调节范围小，调节时不易出差错。

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。

激光器外壳接地，手碰激光器外壳无静电感应的刺痛感。

放电毛细管内充的氦氖混合气体的压强比约为7:1，总压强在100Pa 至400Pa 。

放电管两端贴有用水晶片制成的布儒斯特窗。

窗口平面的法线与放电管轴向间的夹角也恰好等于水晶的布儒斯特角，约56°。

安装布儒斯特窗口可以使激光器输出的激光为在纸面内振动的偏振光，沿该方向振动的偏振光通过布儒斯特窗时不会反射，因此有利于减少损耗，提高输出功率。

3.2 He-Ne 激光器谐振腔与激光横模
光学谐振腔的两个反射镜构成腔的边界，他对腔内的激光场产生约束作用，使激光场的分布以及振荡频率都只能存在一系列分离的本征状态，每一个本征态称为一种激光模式。

激光模式有两类：一类称为纵模，它是指可能存在于腔内得每一种驻波场，用模序数q 描述沿腔轴线的激光场的节点数。

另一类是横模，指可能存在于腔内的每一种横向场分布，用模序数m 和n 描述。

如果谐振腔由两面方形孔径的反射镜组成，则m 和n 分别表示沿镜面直角坐标系的水平和竖直坐标轴的激光场节线数。

如果谐振腔由两面圆形孔径反射镜组成，则m 和n 分别表示沿镜面极坐标系的角向和径向的激光场节线数。

因此每一个激光模式可以用三个独立的模序数表示，记成n m q TEM ,,。

单独表示横模时可记成n m TEM ,。

如00TEM 表示基
横模。

横模的产生，是由于光在谐振腔中的来回反射也伴随着光波的来回衍射，而在光束的横断面上出现的不同的场分布----衍射花样，每种分布形式（花样）即叫做一种横模。

一般横向模式用眼睛不易看清，可用透镜将激光扩束放大，下图是几种扩束放大了的激光横向模式。

多模输出激光器可通过调节输出镜与反射镜的平行度及放电管的直度可改变其横模（既改变放电管激光振荡的有效截面积）。

4.实验内容一（调整与定性观察部分）
4.1 学习He-Ne激光器结构组成
打开He-Ne激光器外盖，对照激光器原理图，观察并熟悉He-Ne激光器各部分组成。

4.2 用十字叉法将He-Ne激光器调出光
当输出镜与全反镜平行度偏离到一定程度，激光器无功率输出，这时可用十字叉调光将激光调出，其方法是：
在一块不透光的白硬纸板上画一个正交的十字叉，在交点上用大头针刺一个边缘光滑的小孔。

松开谐振腔粗调锁紧螺丝，按照下图，用电灯照明白硬纸板上的十字叉，在放电管处在工作状态时，用眼睛在硬纸板背后通过小孔观察放电管，当眼睛适应放电管亮度后，可看到放电管内的出光孔（大亮白点），微小幅度调整白硬纸板的上下、左右的位置，可看到放电管内的小亮白点随纸板向相反方向运动，使小亮白点与出光孔(大白点)同心，然后固定住白硬纸板，调节谐振腔螺丝使十字叉与亮白点同心即可出光（如果不行，让叉丝在整个出光孔漫游，以找到实际出光位置）。

4.3 He-Ne激光器横模调整
把透镜置于He-Ne激光器出光口前，让光束穿过透镜，从而使光束扩大，并在远处用屏观察放大的光斑（光斑尽量丰满规则），判断一下横模式的种类。

仍然调整谐振腔后端的反射镜螺钉（注意不要调节量过大，致使无光），再观察，判断横模式的变化情况。

4.4外腔He-Ne激光器偏振态验证
在外腔He-Ne激光器的谐振腔内由于放置了步儒斯特窗，限制了输出光偏振态为垂直桌面的线偏振，因此，可在输出前方放置一个偏振片，通过旋转偏振片来分析外腔He-Ne激光器激光的偏振方向。

4.5 He-Ne激光器最佳工作电流的选择(不做)
由于He-Ne激光器的P-I曲线是峰值形式变化的，一根确定的管子可以通过调节工作电流来测定激光器的峰值输出功率，此时的电流读数便是He-Ne激光器的最佳工作电流。

5．实验内容二（定量测量部分）
5.1高斯光束的发散角测量原理（不做）
激光器的光强分布为高斯函数型分布，故称为高斯光束。

我们用全发散角2θ表征它的发散程度，定义
2θ≡2/142422)(2)(200
-+=λωππωλωz z dz z d (1) 现在分析2θ在整个光路中的变化情况。

显然，在z ＝0处，2θ＝0，当z 增大，2θ增加。

在z ＝0→z ＝z r 这段范围内，全发散角变化较慢，我们称z r 为准直距离，
λπω2
≡r
z (2) 在z>z r ,全发散角变化加快,当z →∞, 2θ变为常数,我们将此处的全发散角称为远场发散角,有
22πωλθ= (3) 不难看出,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。

实验中,由于不可能在无穷远处测量,故(3)式只是理论上的计算式,不能作为测量公式,
而需用近似测量来代替.可以证明,当z ≥7z r =7πω02/λ时, 2θz /2θ(∞) ≥99%,即当z 值
大于7倍z r 时所测得的全发散角,可和理论上的远场发散角相比,误差仅在1%以内,那么z 值带来的实验误差已不是影响实验结果的主要因素了,这就为我们提供了实验上测远场发散角所应选取的z 值范围。

可采用以下两种近似计算:
一种方法是,选取z>z r 的两个不同值z 1,z 2,根据光斑尺寸定义,从I ～ρ曲线中分别求出ω(z 1),ω(z 2)根据公式
122
1)()(22z z z z --⋅=ωωθ （4）
另一种方法是,由于z 足够大时,全发散角为定值,好像是从源点发出的一条直线,所以实验上还可用一个z 值(z ≥7z r )及与其对应的ω(z),通过公式
2θ=2ω(z)/z （5）
来计算,选择哪一个近似公式更好,要根据具体情况和误差分析而定。

5.2 He-Ne 激光器发散角测量步骤（不做）
关键是如何保证接收器能在垂直光束的传播方向上扫描，这是测量光斑尺寸和发散角的必要条件。

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 ΠW 02/λ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P max /e 2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。

5.3利用光栅方程验证波长。

我们所用的He-Ne 激光器的波长是623.8nm, 通过光栅的夫琅和费衍射可以验证激光器的波长值。

（1） 观察衍射图样，在零级附近任意找一个衍射级，数出衍射级数j 。

（2） 测量并计算出衍射角θ。

（3） 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 λ
θ。