实验3 氦氖激光器的偏振与发散特性测试数据处理与分析
氦氖激光器实验报告
氦氖激光器实验报告《氦氖激光器实验报告1》哎呀，老师说要做氦氖激光器实验的时候，我心里就像揣了只小兔子，既兴奋又紧张。
“这可是个超级酷的实验呢！”我对同桌说。
同桌眼睛放光，回应道：“是啊，感觉就像要去探索神秘宝藏一样。
”就像每次生日拆礼物的时候，那种期待感满满当当的。
那天走进实验室，各种仪器摆在那里，灯光有点暗黄，像是在暗示着这里即将发生神秘的事情。
我和同桌小心翼翼地走向放置氦氖激光器的地方，那感觉就像两个小探险家靠近神秘的魔法盒。
实验开始了，我们按照步骤连接线路。
“这根线插这儿对吗？”我有点不确定地问旁边的小组同学。
“我觉得是这样的。
”他挠挠头说。
这就像我们在玩拼图，每一块都得小心翼翼地放对位置。
当我们接通电源的那一刻，激光器发出了微弱的光，那光线就像黑暗中好不容易钻出来的小豆芽，那么微弱却又充满希望。
我忍不住欢呼起来：“哇，成功了一小步呢！”大家都笑了起来，那种喜悦就像在炎热的夏天吃到了最爱的冰淇淋。
这个小小的成功让我明白，哪怕是再复杂的事情，只要一步一步来，总会有收获。
《氦氖激光器实验报告2》“氦氖激光器？这名字听起来就很高级！”我刚听到这个实验项目就对朋友大喊。
朋友说：“那肯定超级有趣，就像科幻电影里的东西。
”就像我们看《星球大战》时对那些炫酷的激光武器充满向往一样。
来到实验室，那股淡淡的化学药品味道弥漫在空气中，有点刺鼻却又很熟悉，像是在提醒我这是个充满挑战的地方。
我看着那复杂的仪器设备，有点犯愁。
“这么多东西，从哪儿开始呢？”我嘟囔着。
这时老师走过来，拍拍我的肩膀说：“别慌，就像搭积木，一块一块来。
”我深吸一口气，开始摆弄那些仪器。
在调节镜片的时候，我和小组成员产生了分歧。
“我觉得应该往这边转一点。
”我坚持说。
“不，我觉得那边才对。
”他反驳道。
这就像拔河比赛，双方都不肯让步。
最后我们决定试一下我的方法，结果发现光的准直度更好了。
那一刻我特别开心，就像赢得了一场重要的比赛。
我懂得了在团队里，有时候要勇敢地坚持自己的想法。
激光技术实验报告
实验一 氦氖激光系列实验一、实验内容：1、氦氖激光器的调节 2、氦氖激光器的输出功率 3、氦氖激光器发散角测量4、用共焦球面扫描干涉仪观察、分析、判断激光器的模式组成 二、实验仪器：氦氖激光器、调节板、谐振腔反射镜、半内腔氦氖激光器、激光功率指示仪、共焦扫描仪、示波器 三、实验原理及方法次为例）10/1010∑==i i P P其中：0P 为十次测量的平均值。
激光器功率漂移=η%100/0⨯∆P P 其中2/)(min max P P P -=∆固定输出镜，调至出光，旋转输出镜俯仰倾斜旋钮，结合功率计，将其输出调至最大。
打开激光器电源并预热20～30分钟，将激光器光束对准激光功率指示仪探头中心位置，每隔10分钟记录一次，测量氦氖激光器的输出功率随时间变化曲线。
3. 用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布。
实验中使刀口平行于y 轴，沿垂直于x 轴方向移动当刀口缓慢推入光束时，设刀口挡住了a x ≤的所有点。
未被刀口挡住而通过的光功率P 用余误差函数表示为：)2(2),(0a Werfc P dxdy y x I P a==⎰⎰ 如果先用刀口把光束全部挡住，然后把刀口缓慢拉出时，未被刀口挡住而通过的光功率可用相应的误差函数表示。
)exp(),(2220σy x p y x I +-=)2(210σaerfc p p = 其中2/W =σ是数理统计中的标准偏差。
根据上式作出的归一化高斯分布和相对功率与刀口位置关系曲线如下图所示可以证明，相对功率为0.25和0.75的点分别位于高斯分布曲线极大值两侧，其距离σ6745.0=p e 。
所以从由实验得到的相对功率与刀口位置的关系曲线就可确定p e 的值。
算出σ值后就可计算P/0P 的理论值，进行曲线拟合。
如果拟合的好，就证明基横模光强是高斯分布。
用p e 的值可以计算光斑大小：)2(4826.1p e W = )2(7456.12/1p e D =如图所示，将刀口位于激光光斑边缘位置，并将功率计置于刀口后面来测量未被刀口挡住的激光光功率。
光信息专业实验报告：氦氖激光模式实验
光信息专业实验报告：氦氖激光模式实验氦氖激光器在实际应用，尤其是基础实验教育中应用非常广泛。
本实验对氦氖激光器的性质进行了测量，主要分为两个部分。
一是氦氖激光器光斑大小和发散角的测量，二是利用共焦球面扫描干涉仪与示波器对氦氖激光器的模式进行分析。
实验仪器及技术参数：1、氦氖激光器：中心波长632.8nm、谐振腔腔长246mm、谐振腔曲率半径为1m2、共焦球面扫描干涉仪：腔长20mm、凹面反射镜曲率半径20mm、凹面反射镜反射率99%、精细常数>100、自由光谱范围4GHz3、示波器、光学镜若干实验一氦氖激光器光斑大小和发散角的测量氦氖激光器发出的光束为高斯光束，高斯光束是我们非常熟悉的一种光束。
我们可以从横向和纵向两个角度来理解高斯光束。
1、横向方向高斯光束之所以称为高斯光束，正是因为其基模在横向上光强的分而呈高斯分布型。
即⁄]（1）是I oo(r,z)=I oo(z)exp[−2r2w2(z)其中，下标00表示基横模，I oo(z)表示中心处的光强，r表示横截面离中心的距离，z 表示所研究的光斑所处的纵向上的位置，w(z)表示z处的光束半径。
光束半径w(z)定义为振幅下降到中心振幅1/e的点离中心的距离，或者说光强下降到中心光强1/e2的点离中心的距离。
从（1）式可以看出，高斯光束横向上光强随着离中心位置越远，光强越小，至w(z)处已基本下降为0，集中了86.5%的功率。
以上的说明可以用图1表示。
图1 高斯光束横向上振幅分布和光强分布2、纵向方向由横向方向上高斯光束的说明可以看出，整个高斯光束可以看成是横向上高斯光斑沿纵向z 轴传播形成的。
那么，纵向上光斑是如何传播的呢？理想的高斯光事假设传播过程中光的总能量不变，传播的过程只是光斑大小发生了变化。
激光器发出的激光束在空间的传播如图2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w0,距束腰为z处的光斑半径为w(z)，则w(z)=w o[1+(λzπw o)2]12⁄（2）其中是λ激光波长。
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。
氦氖激光器实验数据处理(近代物理)
由于实验者将实际硅油柱高度下降数与总压力下降数混淆，以下分析以实际实验数据来进行，即每次下降5mm油柱高度差进行测量，相当于每次下降总气压大约0.41Torr，所得实验结果影响不大。
***********
油柱高度差/cm
5.7
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
气体总气压/T电毛细管、管壳等）、零部件的加工处理（包括凹、平面反射镜、布儒斯特窗片）、电极装配、排气充气封口等等。
4.为什么存在最佳气压值使激光器达到最大功率？
答：因为Ne的2P4能级的粒子数密度n2通常比Ne的3S2能级的粒子数密度n3小得多，故反转粒子数密度△n主要取决于n3.当He、Ne气压比和放电电流一定时，如果总气压较低，n0和n1将减少。n3也随之减少。总气压很高时，虽n0和n1增加，但电子与原子碰撞次数也增加，使电子的动能减少，电子温度Te降低，电子就不能有效地把He和Ne激发到上能级去，使n3下降。因此，有最佳总气压，使粒子数最高。
答：激光管中原子受外场电能激发产生电离，电子跃迁，而产生光。某一级受激辐射和粒子能级差之间是一一对应的。对应于632.8nm的激光谱线是Ne能级3S2和2P4之间的差值。激光器中氦气为辅助气体，氖气为工作气体。产生激光的是氖原子，不同能级的受激辐射跃迁将产生不同波长的激光。
3.气体激光器的制造过程中渗透着哪些真空技术的应用？
数据处理
1.实验前计算
根据公式： 、
其中，K=12.26 0.06，N= ，n=7：1
计算不同的总压下，充入的氦气、氖气的分压如下表
总压力/Torr
4.5
4
3.5
3
2.5
2
/mm硅油柱
氦氖激光器实验数据分析
1
1 2
0.61GHz 0.1652 0.10GHz
横模频率间隔误差
2
0.11 0.10 0.10 100% 10%
根据高阶横模具有高频率
随时间增长，锯齿波电压变大，干涉仪的谐振腔变长。
4la ka
在K序中，峰3对应的波长大于峰2对应的波长，所以峰3对应的 频率小于峰2对应的频率。 峰2对应的模式是TEM01k （或是TEM10k ） 峰3对应的模式是TEM00k .
c 其中 F 3.75GHz ,l 20 mm 该实验取4GHz 4l
其理论值为 c / 2L ≈ 0.61GHz .其中c为真空光速， L是激光器谐振腔的长度, L=246mm.
纵模频率间隔误差
0.61 0.67 0.61
1
100% 9.8%
在同一个纵模序中的两个不同横模的频率间隔为
氦氖激光器模式分析
实验数据处理
2
6
7 3 4
8
1 5
K序
K+1序
• 读出各个的峰的横坐标值分别是:
t1=0.21775 t3=0.21824 t5=0.22019 t7=0.22067 t2=0.21817 t4=0.21857 t6=0.22060 t8=0.22102
自由光谱由光Δν F 对应的时间间隔为
t 5 t1 t6 t 2 t7 t 3 t 8 t 4
4 2.4375 10 3
同一干涉序K中 ,纵模频率间隔
t1 - t 4 q 1 ( /2.4375 10-3 ) F 2 0.21775 0.21857 ( /2.4375 10-3 ) 4GHz 2 0.67GHz
氦氖光斑实验报告
1. 了解氦氖激光器的工作原理及特点；2. 掌握氦氖激光器输出光斑的形成原理；3. 通过实验，观察氦氖激光器输出光斑的大小、形状及发散角；4. 分析影响氦氖激光器输出光斑的因素。
二、实验原理氦氖激光器是一种气体激光器，由氦气和氖气混合气体作为工作物质，通过放电激发产生激光。
激光器输出光斑的形成主要与激光器的谐振腔结构、工作物质以及放电参数等因素有关。
1. 谐振腔结构：谐振腔由一对反射镜组成，反射镜之间的距离决定了激光器的波长和频率。
根据谐振腔的长度，可以将激光器分为三种类型：长腔激光器、短腔激光器和准直腔激光器。
2. 工作物质：氦气和氖气混合气体作为工作物质，其分子结构决定了激光器的波长。
氦氖激光器的波长通常为632.8nm。
3. 放电参数：放电参数包括放电电流、放电电压等。
放电参数的优化可以提高激光器的输出功率和光斑质量。
三、实验仪器与材料1. 氦氖激光器；2. 光功率计；3. 光学显微镜；4. 屏幕板；5. 放大镜；6. 秒表；7. 记录纸；8. 计算器。
1. 将氦氖激光器放置在实验台上，确保激光器与屏幕板之间的距离适中。
2. 使用光功率计测量激光器的输出功率，记录数据。
3. 将光学显微镜对准激光器输出端，观察激光束的形状和大小。
4. 使用放大镜观察屏幕板上的光斑，记录光斑的大小和形状。
5. 记录实验环境温度、湿度等参数。
6. 重复实验，观察不同放电参数下激光器输出光斑的变化。
五、实验结果与分析1. 实验结果（1）激光器输出功率：5mW；（2）光斑大小：直径约为1mm；（3）光斑形状：圆形；（4）发散角：约10mrad。
2. 分析（1）光斑大小与放电参数的关系：实验结果表明，放电参数对光斑大小有一定影响。
放电参数优化后，光斑大小可减小，从而提高激光器的光束质量。
（2）光斑形状与放电参数的关系：实验结果表明，光斑形状与放电参数关系不大，主要由激光器谐振腔结构决定。
（3）发散角与放电参数的关系：实验结果表明，发散角与放电参数关系不大，主要由激光器谐振腔结构决定。
实验3 氦氖激光器的偏振与发散特性测试数据处理与分析
He-Ne激光器偏振光数据处理与分析1、He-Ne激光器偏振光测量表1 He-Ne激光器偏振光测量数据表偏振角度(°)输出功率（mW）偏振角度(°)输出功率（mW）偏振角度(°)输出功率（mW）0 1.1361250.8032500.0905 1.0731300.8592550.096100.9951350.9342600.119150.835140 1.0022650.169200.743145 1.0662700.204250.665150 1.1172750.252300.556155 1.1452800.315350.464160 1.1872850.412400.378165 1.2012900.495450.291170 1.1722950.618500.225175 1.1473000.710550.170180 1.1043050.801600.130185 1.0343100.867650.0981900.9483150.966700.0881950.841320 1.027750.0922000.755325 1.102800.1132050.659330 1.145850.1532100.574335 1.174900.1982150.473340 1.192950.2812200.386345 1.1831000.3622250.285350 1.1681050.4592300.223355 1.1471100.5252350.172360 1.0981150.6082400.1271200.6992450.099图1 He-Ne激光器偏振特性曲线图分析：由图1 He-Ne 激光器偏振特性曲线图可知，He-Ne 激光器输出的光为线偏振光；而且从图中曲线可知，曲线并非完全的平滑，有一定的凹凸瑕疵，这说明实验存在误差，这主要是受实验环境光变化的影响所致。
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He-Ne激光器偏振光数据处理与分析
1、He-Ne激光器偏振光测量
表1 He-Ne激光器偏振光测量数据表
偏振角度(°)输出功率（mW）偏振角度(°)输出功率（mW）偏振角度(°)输出功率（mW）
0 1.1361250.8032500.090
5 1.0731300.8592550.096
100.9951350.9342600.119
150.835140 1.0022650.169
200.743145 1.0662700.204
250.665150 1.1172750.252
300.556155 1.1452800.315
350.464160 1.1872850.412
400.378165 1.2012900.495
450.291170 1.1722950.618
500.225175 1.1473000.710
550.170180 1.1043050.801
600.130185 1.0343100.867
650.0981900.9483150.966
700.0881950.841320 1.027
750.0922000.755325 1.102
800.1132050.659330 1.145
850.1532100.574335 1.174
900.1982150.473340 1.192
950.2812200.386345 1.183
1000.3622250.285350 1.168
1050.4592300.223355 1.147
1100.5252350.172360 1.098
1150.6082400.127
1200.6992450.099
图1 He-Ne激光器偏振特性曲线图
分析：由图1 He-Ne 激光器偏振特性曲线图可知，He-Ne 激光器输出的
光为线偏振光；而且从图中曲线可知，曲线并非完全的平滑，有一定的凹凸瑕疵，这说明实验存在误差，这主要是受实验环境光变化的影响所致。
2、激光光束的束腰半径和发散角的测量
（1）激光光束的束腰半径测量
（2）激光基模束腰半径和发散角的测量
数据处理：
由表可得,
125z z cm -=,633nm λ=，10.8201mm ω=，20.8325mm ω=
把以上数据带入公式
2
012z z πωλ
-=
-
并用MATLAB 求解即可得到基模束腰半径0ω,如下图所示：
图2 MATLAB 处理数据图
由计算结果可知，满足条件的解只有两个，取平均值可得基模束腰半径
根据高斯光束发散角与束腰半径0ω的关系可得光束发散角大小为
3、误差分析
00.160810.16086
0.1608352
mm ω+==
06
0226330.00250.16083510λ
θπωπ︒
⨯==≈⨯⨯
通过He-Ne激光器输出的偏振光曲线图可知，实验存在误差，分析可知，本实验的误差主要来自以下几方面：
（1）实验室环境光的变化对实验结果造成的误差。
在实验开始时，我们注意到，在没有打开激光器，而先打开光功率计时，光功率计有示数，这说明实验室的光会对实验结果产生影响。
（2）由于在调节仪器时不可能百分百的准直，会存在一定的偏差，这也会对实验结果产生影响，从而造成误差。
（3）读数产生的误差，实验时，我们注意到光功率计的示数在不停地变化，而我们所记录的数据只是我们第一眼所看到的的数据，这也会对实验结果造成误差。
4、实验总结
通过此次实验，我对He-Ne激光器的工作原理以及He-Ne激光器的偏振特性有了深入的了解；学会了如何测量判断激光器的偏振状
ω以及发态；同时也学会了如何测量He-Ne激光器的基模束腰半径0
散角0θ。
5、思考题
（1）激光器主要由哪几部分构成，对于氦氖激光器具体指的是什么？
答：激光器由三个基本部分组成，分别是工作物质（增益介质）、光学谐振腔及激励系统。
氦氖（He-Ne）激光器是气体激光器的一种，是以“四能级系统”工作、连续发光的激光器；它的输出功率通常约数
毫瓦，高可达几十毫瓦，相干长度可达数米以至数十米。
具有制造简便、售价低、体积小，且寿命长、可靠性高的特点。
能发射出632.8nm 、
1.15m μ、3.39m μ三种波长的激光，其中在可见光频段的63
2.8nm 波
长氦氖激光器最为常见。
（2）实验中使用的激光器输出的是什么偏振光，解释为什么？
答：由图1 He-Ne 激光器偏振曲线图可知，激光器输出的是线偏振光。
因为由图可知，光矢量端点的轨迹为一直线,这说明在光的传播方向上,光矢量只沿一个固定的方向振动，所以激光器输出的是线偏振光。
（3）为何测量时He-Ne 激光器应与CMOS 保持足够远的距离？
答：原因有两点，第一，为了测量激光光束的发散角；第二，由于激光器输出能量较高，为防止激光损坏CMOS 器件，所以测量时He-Ne 激光器应与CMOS 保持足够远的距离。