猫眼谐振腔在全外腔长氦氖激光器中的应用
He-Ne激光器
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5：1－7：1谐振腔：一般用平凹腔，平面镜为输出镜，透过率约1％－2％，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He－Ne激光器的特点：典型谱线：632.8nm 1.15μm 3.39μm其他谱线：612nm 594nm 543nm优点：1. 光束质量好Θ＜1mrad2.单色质量好，带宽＜22Hz3.稳定性高功率稳定（＜2％）频率稳定（＜5×10-15）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0.6328μm和3.39μm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。
激光器件与技术简答题
一．He-Ne激光器1.谱线竞争的原因：具有相同上能级或者相同下能级的谱线之间，当产生辐射跃迁时，对公有能级的粒子数发生影响，存在相互作用，这就是谱线竞争。
2.如何抑制3.39μm?①.谐振腔的作用：对于较短的氦氖激光器，靠谐振腔的选择性来抑制3.39μm谱线，谐振腔采用对632.8nm高反射率的多层介质膜，使谐振腔对632.8nm有高的增益，而对3.39μm经反射镜反射后损耗很大，单程增益很低，使之不能振荡，只产生632.8nm的谱线输出。
②.谐振腔中加色散元件：在谐振腔一个反射镜和布儒斯特窗之间放置一块三棱镜，由于棱镜对632.8nm和3.39μm的折射率不同，通过棱镜后就有不同的偏向角，调整谐振腔的位置，使得3.39μm的辐射偏离出腔外，只让632.8nm在腔内振荡。
③.甲烷吸收法：甲烷（CH4）气体对 3.39μm处有强烈吸收，而对832.8nm是完全透明的。
④.外加轴向非均匀磁场：非均匀磁场引起的增宽对632.8影响不大，对3.39μm影响很大。
由于增益与线宽成反比，所以非均匀磁场造成的谱线加宽使3.39μm的增益明显下降，而632.8nm变化不大，因此大大提高了它对3.39μm的竞争能力，使632.8nm的增益增大。
二、二氧化碳（CO2）激光器1.P支和R支：二氧化碳激光器的跃迁发生在振动能级（0001）—（1000）和（0001）—(0200)之间。
从一个振动能级到另一个振动能级跃迁时，也可能同时发生转动量子数的变化，对二氧化碳分子的激光跃迁，其选择定则为：1∆，，1-=0±=∆J的跃迁称为R∆J的跃迁称为P支，1+=支，0∆J的跃迁称为Q支，在二氧化碳分子中，Q支是不存在的。
=P支较R支先振荡的原因：由于P支跃迁的上能级的统计权重（2J+1）比下能级的（2J+1）要小，而R支跃迁的上能级的统计权重（2J+3）比下能级（2J+1）要大，这就使P支的跃迁比R支的跃迁容易建立起粒子数的反转分布，又由于P支的跃迁几率比R支大，因而P支的激光振荡就比较容易实现。
实验 氦氖激光器的调整及光斑的测量 学习体会
实验氦氖激光器的调整及光斑的测量学习体会
应用物理2班曹朝榴 2014114025 关于氦氖激光器谐振腔调节，使激光输出，非常重要的前提就是分辨谐振腔是外腔式，还是半外腔式，才能选择十字光靶法和激光准直法中更为适合的一种方法。
本次实验使用的是半外腔式，所以使用激光准直法，能更为容易的调出激光。
在调节过程中，需要将已经调好的氦氖激光器放在导轨的另外一端，利用调节板的小孔调整氦氖激光器的方向，直至激光器出光方向与导轨平行。
紧接着按书上方法调整，直至出光为止。
因为激光是一条直线，且每个仪器透过的小孔都比较小，所以需要每个仪器都调整得高度精确。
就需要足够的耐心，并且非常仔细。
轻微的调节手扭，不断的透过小孔观察，因为耗时较长，且过程单一枯燥，所以极其容易失败，调节过程中应该克制住自己的急躁，静下心来，按照正确的方法调整激光。
氦氖激光器与谐振腔
氮氛激光器与激光谐振腔电子科学与技术实验室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，将产生受澈辐射现象，有可能将物质中的一定能量加到入射的光波中去，其结果是光披的能量获得了放大。
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澈振荡电路一样。
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 stimulHted cm i xs ion of rad i at iond 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原的粒子跃迁到一个较高能级E2上，且外来光子的频率u与粒子能级差E2-E1有如下关系：0 = (E2-E1) /h其中h为普朗克常数。
2・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，同吋发射一个光子，这个光子的频率一般由下式决定：u - (Em-En) /hEnrEn为发生跃迁的上下能级能量差。
自发辐射过程与外界相互作用无关，各个原子的辐射都是自发的、随即的、独立的进行，因而各个粒子发出的光子的发射方向、偏振态和相位是不同的，随机的。
自发辐射是一种非相干光辐射。
3・受傲辐射：当存在外来光子时，光子与粒子相互作用，当外来光子的频率u正好满足o = (E2-E I) /h条件时，则处于E2能级的粒子就会输射出•个同频光子，井跃迁到□能级。
而且，这个被诱发的光子与外來光了可能还会有相同的相位、偏振态和传播方向•受激辐射是一种相干辐射。
氦氖激光器模式分析
模式分析1．氦-氖(He-Ne)激光器简介氦氖激光器（或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。
二电极通过毛细管放电激励激光工作物质，在氖原子的一对能级间造成集居数反转，产生受激辐射。
由于谐振腔的作用，使受激辐射在腔内来回反射，多次通过激活介质而不断加强。
如果单程增益大于单程损耗，即满足激光振荡的阈值条件时，则有稳定的激光输出。
内腔式激光器的腔镜封装在激光管两端。
二．氦-氖(He-Ne)激光器的工作原理氦氖激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。
在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。
这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。
因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。
这就产生了激光必须具备的基本条件。
在发生受激辐射时，分别发出波长3.39μm，632.8nm，1.53μm三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。
因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。
3．He-Ne激光器结构及谐振腔He－Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。
激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。
放电管是氦一氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。
放电管通常由毛细管和贮气室构成。
放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。
贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。
微波等离子体谐振腔的作用
微波等离子体谐振腔的作用
谐振腔，通信术语，微波技术中作谐振回路的金属空腔。
谐振腔是磁控管和速调管等微波电子管的主要组成部分。
有空心金属腔及同轴腔两种。
前者有矩形、圆柱形、环形等；后者由一端或两端用金属片封闭的一段同轴线制成。
品质因数很高，可达几千或几万。
谐振腔可用于测量微波波长。
1、提供光学正反馈作用
激光器内受激辐射过程具有“自激”振荡的特点，即由激活介质自发辐射，在腔内多次往返而形成持续的相干振荡。
振荡光束在腔内行进一次时，除了由腔内损耗和通过反射镜输出激光束等因素引起的光束能量减少外，还能保证有足够能量的光束在腔内多次往返经受激活介质的受激辐射放大而维持振荡。
影响谐振腔的光学反馈作用的两个因素一是组成腔的两个反射镜面的反射率，反射率越高，反馈能力越强;二是反射镜的几何形状以及它们之间的组合方式。
这两个因素的变化都会引起光学反馈作用大小的变化，即引起腔内光束损耗的变化。
2、对振荡光束的控制作用
作用主要表现为对腔内振荡光束的方向和频率的限制。
由于激光束的特性和光腔结构有密切联系，因而可用改变腔参数（反射镜、几何形状、曲率半径、镜面反射率及配置）的方法来达到控制激光束的目的。
具体地说，可以达到以下几方面的控制作用：
（1）有效控制腔内实际振荡的模式数目，使大量的光子集中在少数几个状态之中，提高光子简并度，获得单色性好、方向性强的相干光;
（2）可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率以及光束发散角等，
（3）可以改变腔内光束的损耗，在增益一定的情况下能控制激光束的输出功率。
氦氖激光原理
氦氖激光原理氦氖激光是一种常见的气体激光，它广泛应用于医疗、科研、工业和通信等领域。
氦氖激光的原理是基于氦氖气体在放电激发下发生受激辐射而产生的。
下面我们将详细介绍氦氖激光的原理。
氦氖激光的原理主要包括以下几个方面，氦氖气体、激发源、共振腔和输出镜。
首先，氦氖气体是氦氖激光的工作介质，它在放电激发下产生受激辐射。
其次，激发源是氦氖激光的能量来源，它通过电流或光能将氦氖气体激发至受激辐射的能级。
共振腔是氦氖激光的谐振腔，它能够增强激光的光子，使其在腔内来回反射。
最后，输出镜是氦氖激光的输出装置，它能够选择性地使激光通过，并将其输出为单色、单向的激光束。
氦氖气体的受激辐射主要是由于氦原子和氖原子在放电激发下发生能级跃迁而产生的。
在氦氖激光中，氦原子和氖原子分别处于激发态和基态之间的跃迁过程中，产生了相干辐射，即受激辐射。
这些受激辐射的光子经过共振腔的多次反射和放大，最终形成了强度和相位高度一致的激光束。
氦氖激光的输出波长主要集中在可见光和红外光区域，通常为632.8纳米。
这种单色性和单向性的激光束特性，使得氦氖激光在医疗、测量、显示和通信等领域有着广泛的应用。
例如，在医疗领域，氦氖激光可用于眼科手术、皮肤治疗和牙科治疗等；在科研领域，氦氖激光可用于光谱分析、干涉测量和激光诱导荧光等；在工业领域，氦氖激光可用于切割、打标和测量等；在通信领域，氦氖激光可用于光纤通信和激光雷达等。
总之，氦氖激光的原理是基于氦氖气体在放电激发下产生受激辐射的过程，通过共振腔和输出镜的作用，最终形成单色、单向的激光束。
这种激光具有单色性好、方向性强的特点，广泛应用于医疗、科研、工业和通信等领域。
希望本文对氦氖激光的原理有所帮助，谢谢阅读。
激光器中光学谐振腔的作用
激光器中光学谐振腔的作用激光器是一种产生高强度、单色、相干光束的装置，其中光学谐振腔起着至关重要的作用。
本文将从激光器的基本原理和激光器中光学谐振腔的作用两个方面来详细介绍。
我们来了解一下激光器的基本原理。
激光器的工作过程可以简单地分为三个步骤：激发、放大和反馈。
激发阶段通过外界能量输入，将介质中的原子或分子激发到高能级，形成激发态。
放大阶段通过激发态的粒子之间的相互作用，将激发态的能量转移到更多的粒子上，形成光子的集合体，从而得到放大的光束。
反馈阶段则是利用光学谐振腔的作用，将一部分光子反射回介质内部，使得光子在谐振腔内来回多次反射，增强光的放大效果。
接下来，我们来重点讲解光学谐振腔在激光器中的作用。
光学谐振腔是激光器中的一个重要组成部分，它通常由两个反射镜构成，可以是平面镜、球面镜或其他曲面镜。
其中一个镜子是半透明的，用于输出激光束。
光学谐振腔的作用可以从以下几个方面来解释：1. 增强光的放大效果：光学谐振腔的主要作用是将光子在腔内多次反射，使得光子与激发态的粒子频繁相互作用，从而增强光的放大效果。
谐振腔内的光子来回反射，形成驻波场，使得光与谐振腔内的介质相互作用时间延长，从而使得光的放大效果更加显著。
2. 选择特定的振动模式：光学谐振腔可以选择特定的振动模式，只有与这些模式相匹配的光才能在谐振腔内得到放大。
这是由于谐振腔与特定振动模式相匹配时，光的相位条件得到满足，才能够得到增强的效果。
因此，光学谐振腔可以对光进行滤波，只放大特定频率的光。
3. 提供光的反馈：光学谐振腔中的反射镜可以将一部分光子反射回介质内部，形成光的反馈。
这种反馈作用使得光子在谐振腔内来回多次反射，增加了光与激发态粒子的相互作用时间，从而实现更高的放大效果。
同时，反射镜的反射率也会影响光的输出功率，通过调节反射镜的反射率，可以控制激光器的输出功率。
4. 稳定激光输出：光学谐振腔对激光器的输出功率和频率起到了稳定的作用。
谐振腔的长度和反射镜的位置可以影响激光器的工作频率，通过调节这些参数，可以实现对激光器输出频率的精确控制。
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文章编号:025827025(2005)1221609205猫眼谐振腔在全外腔长氦氖激光器中的应用许志广,张书练,杜文华,李 岩,朱 钧(清华大学精密仪器系,北京100084)摘要 将猫眼逆向器作为反射镜,应用在全外腔长氦氖激光器中组成猫眼谐振腔来提高激光谐振腔的稳定性,并设计了一套检测猫眼逆向器的装置。
以功率稳定性为参考指标,做了一系列对比实验来研究猫眼谐振腔氦氖激光器和现有氦氖激光器在失调特性、温度漂移方面的性能差异。
结果表明,猫眼谐振腔激光器稳定性显著优于传统平凹谐振腔激光器。
关键词 激光技术;猫眼谐振腔;猫眼逆向器;免调激光器中图分类号 TN 248.2+1;TN 243 文献标识码 AApplication of C at ′s Eye R esonator in Long Full 2External H e 2N e LasersXU Zhi 2guang ,ZHAN G Shu 2lian ,DU Wen 2hua ,L I Yan ,ZHU J un(Department of Precision I nst ruments ,Tsinghua Universit y ,B ei j ing 100084,China )Abstract Laser cavity stability is a conventional and concerning subject f rom the birth of laser.With cat ′s eyereflector applied in the long f ull 2external He 2Ne laser as the reflecting mirror ,the new laser can solve the conventional problems of laser adjustment and power stability.The principle of the cat ′s eye reflector is described.It is compared with the traditional laser resonator mirrors in stability.The assembling and testing of a cat ′s eye reflector are also prehensive experiments are carried out in the long f ull 2external cavity He 2Ne laser ,and the cat ′s eye cavity is compared with the plane 2concave mirror cavity.The results show that the use of the cat ′s eye cavity can improve the laser stability and lower the power drift significantly.The adjustment problem is also considered and solved.A stable and adjustment 2f ree long f ull 2external He 2Ne laser is finally realized ,which exhibits remarkable advantages to current long f ull 2external He 2Ne lasers.K ey w ords laser technique ;cat ′s eye resonator ;cat ′s eye reflector ;adjustment 2f ree laser 收稿日期:2005202223;收到修改稿日期:2005205212 基金项目:国家自然科学基金(50127501,60178010)资助项目。
作者简介:许志广(1977—),男,清华大学精密仪器系博士研究生,主要从事激光在计量领域中的应用研究。
E 2mail :xuzhiguang99@1 引 言 近年来新型的激光谐振腔被不断提出[1,2]。
从结构上讲,常见的主要有稳腔、临界腔和非稳腔,组成谐振腔的主要是平面镜、凹面镜和凸面镜[3]。
而激光谐振腔的稳定性是一个长期存在的问题。
猫眼逆向器的结构有多种,最常见的有三种:一种是由一个凸透镜和一凹面镜组成的[4],另一种是由两个折射率相同但曲率半径不同的玻璃半球组成的[5],除此之外,折射率等于210的玻璃球本身也可以作为猫眼逆向器使用[6]。
有些干涉仪系统里使用猫眼逆向器来代替直角棱镜取得了良好的效果[7～9],但它们是作为激光器外的一个反射镜,不直接构成激光谐振腔。
T.Li 等[10]早在1965年曾介绍过猫眼谐振腔的设想,但他们是用做小孔光阑选择横模输出的一个办法,而且对谐振腔的稳定性没有深入研究和利用;俄罗斯研究人员S. A.Dimakov 等[11～14]曾把猫眼逆向器应用在CO 2激光器领域,但由于CO 2激光器输出功率较高,在猫眼逆向器后部的凹面镜上形成的激光焦点容易毁坏所镀的膜层,所以不得不使用复杂的圆锥光学来解决此问题,而且猫眼的结构也有根本性的变化;法国研究人员B.Fermigier 等[15]曾在半导体激光器里使用猫眼逆向器,但结构比较复杂,而且使用了柱透镜第32卷 第12期2005年12月中 国 激 光C H IN ESE J OU RNAL O F L ASERSVol.32,No.12December ,2005和光栅,加工成本很高。
所以说,结构简单合理而又有合适应用场合的猫眼谐振腔激光器还很不成熟。
氦氖激光器是猫眼谐振腔应用的理想领域。
但氦氖激光器增益较小,输出功率较低,较大的损耗会明显地影响其性能,因而对谐振腔的稳定性要求相对较高。
而猫眼谐振腔正好弥补了这个缺陷,可以大大提高其稳定性,拓宽其应用领域。
2 猫眼逆向器 猫眼逆向器的结构有多种,根据实际需要,我们选择了由一个镀双面增透膜的凸透镜和镀全反射膜的凹面镜组成的结构,并保证凸透镜焦距、凹面镜曲率半径和凸透镜与凹面镜的间距三者相等。
猫眼逆向器具有良好的逆向平行反射性,一束平行光正入射到逆向器时会沿同方向出射;当一束平行光以较小角度斜入射到猫眼逆向器时,仍然会沿原方向平行射出。
这是传统的激光谐振腔腔镜(平面镜或者凹面镜)所不具备的,如图1所示。
这也是猫眼逆向器作为激光谐振腔反射镜能提高激光器稳定性的基础。
图1平行光以较小角度α斜入射到三种反射镜(a )猫眼逆向器;(b )平面镜;(c )凹面镜Fig.1Obliquely incident paraxial beam to a cat ′s eye reflector (a ),a plane mirror (b ),and a concave mirror (c )3 猫眼谐振腔氦氖激光器稳定性对比 较大输出功率的长氦氖激光器一般采用全外腔结构的平凹腔,图2是典型的全外腔长氦氖激光器的结构。
由于谐振腔长较长,谐振腔对失调特性更加敏感,两端谐振腔镜微小的晃动都会对激光器的输出功率造成显著影响。
实验中的激光器参数为:长度111m ,毛细管直径112mm ,最大输出功率约40mW ,一端为平面输出镜,另一端分别用凹面(R =3m )全反射镜和猫眼逆向器来组成平凹腔和猫眼谐振腔。
图2典型的全外腔氦氖激光器Fig.2A typical external cavity He 2Ne laser图3凹面镜和猫眼分别沿上下和左右方向转动时激光输出功率的变化(a )平凹腔;(b )猫眼谐振腔Fig.3Laser power variety with the two reflectingmirrors respectively adjusted in up 2and 2down and right 2and 2left directions (a )plane 2concave cavity ;(b )t he cat ′s eye cavity311 两种谐振腔的失调特性对比原地沿两个互相垂直的方向(上下方向和左右方向)旋转凹面镜和猫眼,使激光输出功率从零到最大再到零,分别记录下两种反射镜可以使激光器出光的最大角度范围,作为衡量两种激光谐振腔失调特性的指标。
实验结果如图3所示,应用平凹腔时,反射镜上下和左右方向的最大旋转角度均约1′,而使用猫眼0161中 国 激 光 32卷 谐振腔时,猫眼逆向器两个方向的最大旋转角度约为60′,大约是传统激光谐振腔的60倍。
3.2 平面输出镜的允许旋转角度分别在应用两种谐振腔时原地沿上下方向和左右方向旋转平面输出镜,使激光输出功率从零到最大再到零,分别记录下两种反射镜可以使激光器出光的最大角度范围。
实验结果如图4所示,应用平凹腔时,平面输出镜上下和左右方向的最大旋转角度均约2′,而使用猫眼谐振腔时,平面输出镜两个方向的最大旋转角度约为4′,大约是前者的2倍。
图4在两种谐振腔里平面输出镜分别沿上下和左右方向转动时激光输出功率的变化(a )平凹腔;(b )猫眼谐振腔Fig.4Laser power variety with the output mirroradjustedinup 2and 2downandright 2and 2leftdirections in the plane 2concave cavity (a )and in the cat ′s eye cavity (b )3.3 猫眼逆向器的平移范围在应用猫眼谐振腔时,沿两个互相垂直的方向,即水平和竖直方向平移猫眼,使激光输出功率从零到最大再到零,记录下激光输出功率的变化,如图5所示。
结果表明:沿水平方向,猫眼能移动的最大位移量约1108mm ;沿竖直方向,猫眼能移动的最大位移量约为0186mm ,这是凹面镜难以实现的。
314 应用两种谐振腔时激光输出功率的温度漂移在长激光器周围环境温度变化时,激光谐振腔图5猫眼沿水平和竖直方向移动时激光输出功率的变化Fig.5Laser power variety with the cat ′s eye reflectormovinginup 2and 2downandright 2and 2left directions的腔长会缓慢变化,组成谐振腔的两端腔镜不可能完全理想地沿光轴方向伸缩,而是不断地做微小扭动;另外,毛细管本身也会发生变形,这都会导致谐振腔失谐,使激光输出功率变化。