专业实验 实验四 氦氖多谱线激光器实验讲义
He-Ne激光器模式分析实验
He-Ne 激光器模式分析一、 实验目的 1、 了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解； 2、 通过测试分析，掌握模式分析的基本方法； 3、 了解实验使用的共焦球面扫描干涉仪的工作原理及性能，学会正确使用 二、 实验原理1. 激光模式的一般分析 稳定腔的输出频率特性：（1）其中：L —谐振腔长度；q 纵横序数；R 、艮一两球面反射镜的曲率半径； m n 横模序数；n 腔内介质的折射率。
（1）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为: (1--) (1 - - )] 1/2R 1 R 2（其中 A m=n- m' ； A n=n_ rT ）对于相同的横模，不同纵模间的频差为 3 ' = —A q q ：q 2耳 L 相邻两纵模的频差为 C 2 F（3）由（2）、（ 3）式看出，稳定球面腔有如图 2— 1的频谱。
△表示不同的两横模（比如U 00与U 10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之比,2. 共焦球面扫描干涉仪的工作原理C1Vmnq「辽[q_(m n 1)]C0S-1[(1LR 1 )(1L R 2 )]1/2 Avmn:m'n'_1(m ；n)cos [(2)(△q=q — q ')(2)式除以(3)式得=mn:m ，n\l c ^ . .；n )cos _1[(1 —丄)(1 -丄)]AvqR 1R 2「/2(4)设:Avmn:m'nAu qS=丄 cos -1 [(1 -丄)(1 一 丄)]1/2兀R 1 R 2于是（4）式可简写作:(二m =n ) _ '： S(5)V 00q+1(1) 共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图 射镜的曲率半径R=R=L 。
(2) 正入射时，干涉相长条件为：4L=m ・(n 为折射率；L 为腔长)(3) 通常情况下，R 固定，而F 2装在一块管状压电陶瓷上。
如果在压电陶瓷 y 方 向上加一周期性的信号电压，那么 Fb 将随压电陶瓷周期变形并沿轴向在中心位置 附近做微小振动，因而干涉仪的腔长 L 也做微小的周期变化。
10.21 He-Ne激光器实验
实验报告课程名称： 指导老师： 成绩：__________________ 实验名称： He-Ne 激光器与激光谐振腔 同组学生姓名一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验目的和要求本套实验装置的核心He-Ne 激光器，采用的是一种半内腔结构，激光器的一个全反射镜与毛细管、储气套等做成一体，并在出厂前将全反射镜与毛细管调至垂直。
而另一个半反射镜则被安装在一个精密二维调整架上，可灵活移动。
通过一准直光源调整激光管和半反射镜，使之产生激光。
用激光功率计检测这束激光并进一步调整膜片使之达到最佳状态（功率最大）。
观察光斑大小和光强分布。
用扫描干涉仪观察其纵膜的频谱分布情况。
调整工作电流，观察输出功率的变化。
重复移动半反射镜并重新使之达到最佳状态，观察光斑大小和分布变化，记录功率，用干涉仪观察纵膜，比较前后变化，分析腔长对功率、纵膜、横膜、发散角、束腰、腔型的影响。
在激光管与半反射镜之间插入一可调损耗，使之与增益刚好达到平衡，通过对损耗的测量，求得 激光管的增益。
通过实验，掌握激光调谐的原理和技巧，验证谐振腔理论和有关增益的概念，全面、深入地了解激光器的结构、特性、工作条件和相关理论。
二、 实验内容和原理1.改变工作电流，观察电流与输出功率的关系。
（在超过5mA 的大电流时，工作时间不可过长。
） 2.腔长与激光功率、横模、纵模、束腰、发散角的关系1）设备调试完成后，用功率计测量其最大功率。
用显示屏在全反射端一定距离处（2-3米）观察光斑的大小和形状，光斑的大小反应了发散角的大小，光斑的形状即为激光的横模。
观察半反射镜上的光斑（束腰）大小。
在半反射镜端装上F-P 扫描干涉仪探头，观察纵模情况。
装订线专业： 姓名： 学号：日期： 10.21 地点：2）松开反射镜架滑块上的螺钉，移动反射镜，在适当位置上重新锁紧，以改变谐振腔的腔长和腔型。
氦氖激光参数测量实验
He －Ne 激光参数测量实验氦氖激光束光斑大小和发散角测量实验目的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。
实验仪器用具氦氖激光器、光功率指示仪、硅光电池接收器、狭缝、微动位移台。
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，激光束虽有方向性好的特点，但它不是理想的平行光，而具有一定大小的发散角。
在激光准直和激光干涉测长仪中都需要设置扩束望远镜来减小激光束的发散度。
1、激光束的发散角 θ激光器发出的激光束在空间的传播如图 1-1 所示，光束截面最细处成为束腰。
我们将柱坐标（z 、r 、φ）的原点选在束腰截面的中点，z 是光束传播方向。
束腰截面半径为0w ，距束腰为 z 处的光斑半径为 w(z)，则 2/1220])(1[)(w z w z w πλ+= 其中λ是激光波长。
上式可改写成双曲线方程1]/[])([22020=-λπw z w z w 双曲线的形状已画在1-1 中。
我们定义双曲线渐近线的夹角θ为激光束的发散角，则有z z w w /)(2)/(20==πλθ (z 很大）（1.1）由式（1.1）可知，只要我们测得离束腰很远的 z 处的光斑大小 2 w(z)，便可算出激光束发散角。
2、激光束横向光场分布如图 1-1，激光束沿 z 轴传播，其基模的横向光场振幅00E 随柱坐标值 r 的分布为高斯分布的形式)](/exp[)()(220000z w r z E r E -= （1.2）式中)(00z E 是离束腰z 处横截面内中心轴线上的光场振幅， w (z)是离束腰z 处横截面的光束半径，)(00r E 则是该横截面内离中心r 处的光场振幅。
由于横向光场振幅分布是高斯分布，故这样的激光束称为高斯光束。
当量值r =w(z) 时，则)(00r E 为)(00z E 的1/e 倍。
前面的讨论中，我们并未对光束半径下定义。
氦氖激光器的模式测定
实验目的
了解He-Ne激光器的结构与性质
了解激光横模、纵模的概念及产生机理
通过观察横模了解激光模式耦合、匹配理论
掌握激光纵模间隔与个数的测量方法
实验装置
He-Ne激光管、激光电源、共焦球面扫描干涉仪及其电子辅助系统（示波器、信号源、高压放大器）、显微目镜等
He-Ne激光器
实验目的了解hene激光器的结构与性质了解激光横模纵模的概念及产生机理通过观察横模了解激光模式耦合匹配理论掌握激光纵模间隔与个数的测量方法验装置hene激光管激光电源共焦球面扫描干涉仪及其电子辅助系统示波器信号源高压放大器显微目镜等hene激光器em00tem10tem00激光的横模与纵模郸加绕兄模的耦合及横模纵模观测实验目的了解hene激光器的结构与性质掌握激光纵模间隔与个数的测量方法实验装置hene激光管激光电源共焦球面扫描干涉仪及其电子辅助系统示波器信号源高压放大器显微目镜等hene激光器te解hene激光器的结构与性质了解激光横模纵模的概念及产生机理通过观察横模了解激光模式耦合匹配理论掌握激光纵模间隔与个数的测量方法实验装置hene激光管激光电源共焦球面扫描干涉仪及其电子辅助系统示波器信号源高压放大器显微目镜等hene激光器tem00tem10tem00
TEM00
TEM10
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激光的横模与纵模
5-1 氦氖激光器的模式分析 实验报告
近代物理实验报告指导教师：得分：实验时间： 2009 年 03 月 17 日， 第 三 周， 周 三 ， 第 5-8 节实验者： 班级 材料0705 学号 200767025 姓名 童凌炜同组者： 班级 材料0705 学号 200767007 姓名 车宏龙实验地点： 综合楼 501实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压实验题目： 氦氖激光器的模式分析实验仪器：（注明规格和型号）扫描干涉仪；高速光电接收器；锯齿波发生器；示波器；半外腔氦氖激光器及电源；准直用氦氖激光器及电源；准直小孔。
实验目的：（1） 了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法； （2） 学习观测激光束横模、纵模的实验方法。
实验原理简述：1. 激光器模式的形成激光器由增益介质、谐振腔、激励能源三个基本部分组成。
如果用某种激励的方式，使介质的某一对能级间形成的粒子数反转分布，由于自发辐射的作用，将有一定频率的光波产生，并在谐振腔内传播，被增益介质增强、放大。
形成持续振荡的条件是：光在谐振腔内往返一周的光程差为波长的整数倍，即q q uL λ=2满足此条件的光将获得极大的增强。
每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布λq ，叫一个纵模，q 称为纵模序数。
纵模的频率为uL c qq 2=ν 相邻两个纵模的频率间隔为uLc q 21=∆=∆ν 因此可以得知， 缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的办法之一。
当光经过放电毛细管时，每反馈一次就相当于一次衍射，多次反复衍射，就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑。
每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。
模式指激光器内能够发生稳定光振荡的形式，每一个膜，既是纵模，又是横模，纵模描述了激光器输出分立频率的个数，横模描述了垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。
激光的线宽和相干长度由纵模决定，光束的发散角、光斑的直径和能量的横向分布由横模决定。
，一个膜由三个量子数表示，通常记作TEM mnq 。
氦-氖激光器简介
氦-氖(He-Ne)激光器摘要：本文介绍了He-Ne激光器的工作原理，结构及谐振腔，He和Ne原子的能级图，He-Ne激光器的速率方程，激发过程和输出特性，影响其寿命的因素，并简单介绍了其应用和优点。
关键词：He-Ne激光器；激发原理；结构及谐振腔；速率方程；激发过程；输出特性；寿命一．氦-氖(He-Ne)激光器简介气体激光器是以气体或蒸气为工作物质的激光器。
由于气态工作物质的光学均匀性远比固体好，所以气体激光器易于获得衍射极限的高斯光束，方向性好。
气体工作物质的谱线宽度远比固体小，因而激光的单色性好。
但由于气体的激活粒子密度远较固体为小，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出，因此气体激光器的体积一般比较庞大。
由于气体工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光源泵浦，通常采用气体放电泵浦方式。
在放电过程中，受电场加速而获得了足够动能的电子与粒子碰撞时，将粒子激发到高能态，因而在某一对能级间形成了集居数反转分布。
除了气体放电泵浦外，气体激光器还可采用化学泵浦，热泵浦及核泵浦等方式。
He-Ne激光器是最早研制成功的气体激光器。
在可见及红外波段可产生多条激光谱线，其中最强的是632.8nm,1.15μm和3.39μm三条谱线。
放电管长数十厘米的He-Ne激光器输出功率为毫瓦量级，放电管长（1~2）m的激光器输出功率可达数十毫瓦。
由于它能输出优质的连续运转可见光，而且具有结构简单、体积较小、价格低廉等优点，在准直、定位、全息照相、测量、精密计量等方面得到广泛应用。
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。
He—Ne激光器的调整
He —Ne 激光器的调试物理系 光学 赵婷 0811130052引言：He —Ne 激光器的调试有两种方法，十字叉丝法和激光准直法，这次实验就是体会一下这两种调试方法，然后调整激光的最大输出功率实验原理：He —Ne 激光器的结构如图所示：图1：He —Ne 激光器的结构示意图其中，1R ，2R 为反射镜，另外在激光器工作时放电管两侧还加了磁场，磁场的作用是保证打出的光是632.8nm 波长的光，限制其他波长光的产生。
在放电管里通以额定电流使之放电，则放电管内就会产生稠密等离子体，由于等离子体的自由电子与氦原子发生碰撞使氦原子激发，在氦氖能级中，氦有亚稳态32s （19.8电子伏）和12s （20.6电子伏），氦原子被分别激发到这两个态上，由于氖存在比这些能级稍微低一点的能级2s 与3s ，所以被激发的氦原子一方面在进行热运动，一方面在进行高效率的能量交换，氖就被激发到亚稳态2s 或3s 态上，这是氦又一次回到激态，氦的作用就是通过放电为氖提供激发能量。
从氖的2p 到1s 的跃迁强，所以2p 的能级寿命短，在2s 与2p ，3s 与3p 之间建立粒子数反转分布，所以当采用与振荡地波长相适合的光学共振腔时，就可得到2s —2p 和3s —3p 的振荡或者产生3s —2p 的跃迁，这种跃迁产生波长是632.8nm的近红外光。
另外，因为处在1s能级上的氖原子必须迅速返回到基态，所以把放电管做的细一些，让氖原子与管壁发生碰撞而使能量猝灭。
2：激光发生示意图实验步骤：（一）十字叉丝法1．调整激光器电压约为12伏特，用能让光透过的中心有小孔的十字叉丝座来观察阴极激光，这时一般会看到直径相当于放电管直径的蓝色斑点。
2．调节十字叉丝的位置，直到蓝色斑点的中心出现一较小直径的亮蓝色斑点。
反复调节反射镜，使亮蓝色斑点正好位于十字叉丝的中心。
3．用同样的方法调节阳极端。
4．在激光器的出光端对十字叉丝所在范围通过调整反射镜进行扫描，直到看到红色的激光射出。
氦氖激光器的模式分析实验(修订)
mn、m n
共焦球面扫描干涉仪：
间隔圈
压电陶瓷环
1.压电陶瓷内外两面加上锯齿波电压后，驱动一个 反射镜做周期性运动，从而改变腔长l而实现光 谱扫描 。 2. 腔长l等于曲率半径R，所以两反射镜焦点重 合，组成共焦系统。
共焦球面干涉仪的性能指标： ①自由光谱范围
波长在
~ 范围内的光，产生的干涉圆环不互相重叠 ( k )k 1 2 4 l
c 2 L
横模——描述垂直于激光传播方向的平面内光场分布情况
mnq
c 2 L L 1 2 2q ( m n 1)arccos[(1 )(1 )] 4 L r1 r2
c 1 L L 1 2 ( m n)arccos[(1 )(1 )] 2 L r1 r2
激光器
扫描干涉仪
放大器
激光电源
锯齿波 发生器
实验内容及步骤
1. 调整光路。首先使激光束从光阑小孔通过，调整扫描干涉仪 上下、左右位置，使光束正入射孔中心，再细调方位螺丝， 以使从干涉仪腔镜反射的最亮的光点回到光阑小孔的中心附 近，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。
2. 将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。 3. 接通放大器、锯齿波发生器、示波器的电源开关。 4. 观察示波器上展现的的频谱图，进一步细调干涉仪的方位螺丝， 使谱线尽量强，噪声尽量小。 5. 根据干涉仪的曲率半径计算出干涉仪的自由光谱范围。 6. 以计算所得的自由光谱范围在示波器上定标，测出自由光谱范围 相对应的标尺长度，计算出二者的比值——每厘米代表的频率间 隔值。由示波器上显示的纵模、横模波形测出纵模频率间隔、横 模频率间隔 。
自由光谱范围??波长在范围内的光产生的干涉圆环不互相重叠?????214kk?????????4cl????l分辨本领r分辨本领波长0r和在该处可分辨的最小波长间隔0r????精细常数f描述干涉仪谱线的细锐程度为干涉仪的自由光谱范围和分辨率极限之比f??????????的比值???21frr???反射率实验仪器及装置激光器扫描干涉仪放大器放大器电源示波器yx小孔光阑激光电源锯齿波发生器实验内容及步骤1
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多谱线氦氖激光器实验实验讲义大恒新纪元科技股份有限公司版权所有不得翻印多谱线氦氖激光器在增益管长为1m的外腔式He-Ne激光器中，用腔内插入色散棱镜选择谱线的方法，在可见光区分别使氖原子的九条谱线产生激光振荡。
实验要求掌握He-Ne多谱线激光线器的工作原理及腔型结构的特点；学习外腔式激光器及腔内带棱镜激光器的调节方法；测量各条激光谱线的波长；找出各条谱线的最佳放电电流及测量最大输出功率。
一、实验原理一台激光器除激励电流外主要由两部分组成，一是增益介质；二是谐振腔。
对He-Ne激光器而言增益介质就是在两端封有布儒斯特窗的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。
由于介质的增益具有饱和特性，增益随激光强度增加而减小。
初始建立激光振荡时增益大于损耗，随着激光的增强而增益逐渐减小直到增益等于损耗时才有持续稳定的振荡。
稳定振荡时的增益叫阈值增益，初始的增益叫小信号增益。
小信号增益与阈值增益之差越大，腔内的激光强度越强，对小信号增益很低的激光谱线是否能获得激光振荡，关键在于谐振腔的损耗能降低到什么程度。
1、在可见光区激光谱线的小信号增益系数在氦氖混合气体的增益管中氖原子的3S2能级对2P i（2P i是2P1，2P2，…，2P8，2P10九个能级的简称，3S2-2P9的跃迁是违禁的）九个能级之间能够产生粒子数反转，使介质具有增益，九条谱线的小信号增益系数G0如表1所示。
测量时各谱线的放电电流值不相同；表中相对增益系数是用用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性的装置测得的，各谱线的放电电流相同。
表1 He-Ne 3S2-2P i谱线的小信号增益系数2、谐振腔的稳定条件激光器的谐振腔是由两块相距为L ，曲率半径分别为球面的反射镜组成。
要使腔内近轴传播的光线多次来回反射不会逸出腔外，腔镜的曲率半径级腔长必须满足111021<⎪⎪⎭⎫⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-<R L R L （1） 对平凹腔来说，若R 2＝∞，稳定条件为0<(1-L /R 1)<1，则凹面镜的曲率半径必须大于腔长。
对于对称腔，R 1＝R 2＝R ，稳定条件为(1-L /R )2<1，则反射镜的曲率半径必须大于腔长的一半。
由于相对小的曲率半径对应相对大的发射角，通常反射镜的曲率半径选择2～5倍腔长。
3、激光振荡条件建立激光振荡必须满足光在增益介质中来回运行一次得到的增益足以补偿运行中的损耗，用公式表示为12ex p 21=-a a G L r r α （2）式中r 1和r 2分别为谐振腔两镜片上的反射率，L a 为增益介质长度，G 为建立稳定激光时介质单位长度的增益，叫阈值增益系数。
a a 为增益介质内的损耗，包括衍射损耗。
两镜片总的反射率r 与投射率t 及吸收散射损耗a s 的关系有s t r α--=1 （3）4、谐振腔反射镜谐振腔反射镜镀有多层光学介质膜。
实验使用反射率高达99.9％。
而损耗小于0.1％的高质量介质膜，使低增益激光谱线实现振荡成为可能。
介质膜反射率带宽（即波长范围）通常为1000A 左右，实验中涉及的九条激光谱线覆盖的波长范围约2000A ，需使用两种或三种不同波长范围的反射膜片。
5、腔内棱镜在谐振腔中插入色散棱镜P ，如图1所示。
由于棱镜分光作用，对不同波长其偏向角不同，谐振腔只能对其中一条谱线满足振荡条件，而其它波长由于偏离谐振腔光轴，损耗大于增益不能起振。
若要改变振荡谱线，需把棱镜和谐振腔调准到使该谱线满足振荡条件的位置。
棱镜调谐波长的方式基本上有两种，一种是棱镜的入射角不变，不同波长对应不同出射角，调谐波长时，棱镜保持不动，只改变谐振腔反射镜的方位，使相应波长的光束沿原路返回实现振荡。
另一种是棱镜出射角不变，反射镜相对棱镜不动，当改变波长时，使棱镜和反射相对入射光做整体转动。
后一种也可采用半棱镜结构，在半棱镜的出射面上镀有全反射介质膜，取代谐振腔反射镜。
用半棱镜优点是调节元件损耗小，缺点是棱镜的角色散和角分辨减小了一半。
本实验采用第二种方式的全棱镜结构。
图1 色散棱镜的作用（1） 关于棱镜材料与加工在可见光波段He-Ne 激光谱线的增益是很小的，每厘米约为10-3～10-5量级。
在谐振腔内插入色散棱镜必然会增加腔内损耗，因此在选择棱镜材料和加工时要尽可能减少损耗。
棱镜材料要求透明度高，色散大，熔石英的透明度很好，在可见光区每厘米长度的吸收率小于0.001，但色散不理想，可用在增益小而谱线间隔相对大的短波长区。
重火石玻璃在可见光区吸收比熔石英大好几倍，但色散也比熔石英大几倍，可用在6328A 附近谱线间隔密集而增益系数相对大的光谱区。
棱镜表面加工光洁度在顶角A 附件要求达到I 级。
（2） 棱镜顶角的设计为了减少光束在棱镜界面上的反射损耗，光束在棱镜界面上的入射角应是布儒斯特角θb ，同样从棱镜出射的光束也是布儒斯特角，如图2所示。
从图中光线的几何关系可知棱镜顶角A 应满足1arctan 22n A b='=θ （5） 式中b θ'为棱镜材料内的布儒斯特角，n 0为棱镜所用波段中心波长的折射率。
实验中提供了两块棱镜供选用，一块为熔石英，棱镜顶角为A ＝68º55′，另一块为重火石玻璃，棱镜顶角为A ＝61º52′，中心波长均为6328A ，各种波长都以6328A 的布儒斯特角θb ,633为出射角，各种波长相应的入射角θλ可用下式求得：⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=633,sin 1arcsin sin arcsin b n A n θθλλλ （6）式中n λ表示相应波长的折射率，其数值是根据文献【2】给出的特征波长折射率，用内插法求得。
两块棱镜的数据分别由表2和表3给出。
图2 棱镜光路表2 重火石玻璃棱镜激光波长与入射角的关系（A ＝61º52′） 波长λ/A 折射率n λ 入射角θλ 入射角改变量 7304.83 1.65548 57º35′ -1º29′ 6401.07 1.66802 59º0′ -4′ 6351.85 1.66846 59º2.6′ -1.4′ 6328.17 1.66867 59º4′ 0 6293.74 1.66897 59º6′ +2′ 6118.01 1.67052 59º17′ +13′ 6046.13 1.67099 59º20′ +16′ 5939.31 1.67210 59º28′ +24′ 5433.651.6780660º10′+1º6′表3 熔石英棱镜激光波长与入射角关系（A ＝68º55′） 波长2/2/L R r L r mm -'=折射率n λ 入射角θλ 入射角改变量7304.83 1.45493 55º16′ -16′ 6401.07 1.45706 55º31′ -1.5′ 6351.85 1.45721 55º32′ -0.5′ 6328.17 1.45728 55º32.5′ 0 6293.74 1.45739 55º33.3′ 0.8′ 6118.01 1.45792 55º37′ 5′ 6046.13 1.45808 55º38′ 6′ 5939.311.4584655º41′9′5433.65 1.4603955º54′22′二、实验装置实验装置如图3所示，图中Las是氦氖气体放电管，增益区长1m，氦氖比例为5:1，总气压为250Pa，内径2.5mm，放电管两端封窗为熔石英材料。
图3 实验装置示意P为色散棱镜，SP为棱镜转台，转台的最小分度为1′。
M，M2，M3为谐振腔反射镜，分别装在两个调节自由度的镜架上。
如图4 1所示，图中M表示装在镜架上的反射镜，a，b为把镜架支撑在基座上的弹簧螺丝，A，B，C为镜架微调螺丝，一般不调C，调节A钮时镜片M以CB连线为水平轴作微小转动，调B钮时M以CA为垂直轴作微小转动。
图4 反射镜调节架M，M2组成辅助腔，M1为凹面全反射镜，曲率半径一般选择2～3m，M21为平面镜，反射率要求不严格，一般大于97％。
首先在M 1和M 2之间调出6328A 激光，为调整棱镜P 和反射镜M 3提供准直光线。
M 1和M 3构成带棱镜的可调谐波长的谐振腔。
M 3的曲率半径一般选择3m 以上。
反射率取决于谱线增益及对输出功率的要求，反射率大于99.7％的镜片，适用于波长大于6118A 的谱线，对波长最短的三条谱线，反射率要求达到99.9％，尤其是5433 A 谱线增益最低，对调节精度的要求也是最高的。
W 表示激光功率计，最小量程10μW ，最大量程50mW 。
WDG 表示WDG-30型光栅单色仪，用来鉴别激光波长。
波长精度为1A ，入缝处用毛玻璃减光，出缝处可用目镜直接观测。
三、 实验内容及要求1、谐振腔的调整 （1） 谐振腔的调整偏差谐振腔的调整要使腔的光轴与放电毛细管的管轴基本重合，其偏差直接影响激光功率的大小。
为了便于分析，把谐振腔的调整偏差分解为平行度偏差δ1和垂直度偏差δ2两部分。
以对称腔为例，腔镜M 1，M 2的曲率中心，其连线为谐振腔的光轴，光轴相对管轴的距离为r ，假设允许的最大偏差r m 为毛细管直径D 的1/10，则平行度偏差δ1可用M 1或M 2镜的偏斜角表示1110-⨯==RDR r m δ （7）腔镜的曲率半径R 越大，允许的平行度偏差越小，对调节的精度要求越高。
图5 平行度偏差示意图6 垂直度偏差示意图6给出垂直度δ2的示意，镜M 1，M 2的曲率中心分别为21,C C ''，分布在管轴的两侧，位移量为r ′，新的光轴为21C C ''连线，这时M 1与M 2是相互平行的，只是光轴与管轴有一交角，假设毛细管长等于腔长L ，光轴允许的最大偏差在镜片上用r m 表示，由图中几何关系可知。
2/2/L R r L r mm -'=（8） 谐振腔垂直度偏差δ2可用镜片的偏角θ表示R r m /2'==θδ （9）用（8）式中的mr '代入（9）式得 ⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=121212L R L R R r m δδ （10） （10）式表明当腔镜的曲率半径比腔长大时，允许的垂直度偏差比平行度偏差大。