氦氖激光器实验数据处理(近代物理)
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。
氦氖激光器的配气及特性研究-中山大学物理学院2016
N 1 n1
本实验中：K=12.26+0.06， N V2 / V1 =1.19+0.003。
二、实验仪器
He-Ne 气体激光管充排气真空系统、光功率计（最小量程 10mV、最小刻度 0.2mV） 、阴 极电离真空计、硅油 U 型压强计 He-Ne 气体激光器真空系统简介
图 2、He－Ne 气体激光器真空系统示意图
'
P ，其分压强应为 PHe 和 PNe 。根据波义耳—马略特定律，当气体纯度不变时，混合前气体
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物理学院
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
近代物理实验 I
的压强和体积的乘积应等于混合后气体的压强和体积的乘积，即有如下关系式：
' N 1 PHe V2 PHe (V1 V2 ) ' 解以上方程组得： PHe nP ' N (n 1) PNe V1 PNe (V1 V2 )
三、实验步骤
l．关闭 l 阀，开机械泵，转动 2 阀通扩散泵，五分钟后开扩散泵加热电炉及冷却水龙 头，20 分钟后开 3 阀．开真空计，测量系统真空度 103 Pa 时，开 10 阀。 2．计算 PHe 和 PNe ，注意它们的单位换算关系，由于实验时间限制，只做气压比 n=7； 总压力 P=4Torr；3.5 Torr；3 Torr；2.5 Torr；2 Torr。 3． 充氦气前， 5 应关闭， 开 4 将 4， 5 之间的空气抽调， 然后关 4， 待系统真空度 103 Pa 时，关真空计，按以下步骤充气。 4．充氦，关 3 阀，开 5 关 5；开 4 关 4；开 5 关 5；开 4 关 4，反复进行，同时观测 油柱高度，在 (V1 V2 ) 体积内充入氦气的压强为计算值 PHe 。 5．关 10 开 3，将 V1 中的氦气慢慢抽调，反复充氖气前，7 应关闭，开 6 将 6，7 之 间的空气抽调，开真空计，待系统真空度 103 Pa 时，关真空计，关 6。开激光电源。 6．充氖：关阀门 3，在 V1 体积中充入氖气，开 7 关 7；开 6 关 6，同时观测油柱高 度，在 V1 体积内充入氖气的压强为计算值 PNe 。 7．开 10 阀使 V1 中的氖气与 V2 里的氦气充分混合，待 10 分钟后，调节激光管的放 电电流，观察激光功率的变化规律。 8．利用减压阀 9 减少 P (每次约减 0.5 Torr 至 1.5 Torr)，列表记下实际的 P、Pw、I。 测出当 n=7, P=1.5 托,2 托,2.5 托, 3 托,4 托，5 托时的激光输出功率及最佳放电电流值。 9．待老师检查数据后，做关机的准备，按一定的程序关机。 A）先关活塞 13 和活塞 10，然后关闭活塞 3，导通活塞 8。 B）切断扩散泵加热电炉的电源，待油冷却后，关闭活塞 2 和冷却永， C）切断机械泵电源，打开活塞 1，使大气进入机械泵内。
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
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。
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 。
近代物理实验报告—He-Ne激光模谱分析与模分裂
2
q
（ 1） 。当一片双折射元件放入激光谐振腔中，由于双折射元件
对两正交偏振方向的光（o 光和 e 光）有不同折射率，o 光和 e 光在激光腔中的光程不同，所以原本唯一的
谐振腔长 “分裂” 为两个腔长， 两个腔长又不同的本征频率， 一个激光频率变成了两个。 其中 为光程差。 （3）模竞争
6.92ms
△t2,4
6.92ms
即自由光谱区 ：3.28ms 表 7 短激光管的纵模实验测量与计算值
△t1,2
平均值
1.24ms
△t3,4
1.12ms
即纵模间距：1.18ms 计算的结果为： 短激光管的纵模间距为：647.6MHz，误差为：4.5%。 观察的短管激光器的光斑如图 10：
4 L K （5）
其中 K 为整数。只有满足该驻波条件的光才可以因为干涉极大而透过干涉仪进入光电计测量光强。可 以证明光频率 v 的变化与腔长的变化量成正比， 也就是与加在压电陶瓷环上的电压成正比。 实验中示波器的 横向扫描采用与干涉仪的腔长扫描同步，示波器的横坐标 t 的变化就可以表示干涉仪的频率变化， 即 V L v t 。
将这些参数代入公式(3)、(4)中，可得两种激光管的出射光若存在不同的模式，则其纵模间隔与横模间 隔的理论值如表 2。 表 2 纵横模理论值
长激光管 纵模间隔 横模间隔 445.10MHz 87.75MHz 短激光管 619.83MHz 101.47MHz
5 / 9
2、长激光管模谱的实验测量与分析 实验中在示波器上观察到的长激光管的模谱如图 6 所示
1 2
3
4
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6
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8
9 10
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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
88.84
78.97
69.09
59.22
49.36
39.48
/mm硅油柱
15.1
13.42
11.75
10.07
8.39
6.71
表1不同总压力下He、Ne的分压
2.本实验在真空度降为9.8*10-3Pa的条件下进行。
1Torr=12.26mm油柱=133.33Pa
按实验要求，每下降0.5Torr测一次最佳Pw以及最佳工作电流。也即，每次下降0.5*12.26=6.13mm硅油柱进行测量。
在总压力为4.5Torr时，充入7.9cm硅油柱的He气，1.3cm硅油柱的Ne气。得到最初的压强为5.7cm硅油柱。
、
图5最佳放电电流与最大光功率关系曲线图
分析：随着电流I的增大，最大光功率有线性上升的趋势。
误差分析：
1.由于仪器抽气过慢，也可能是仪器装置存在漏气问题，实验只能在真空度为9.8*10-3Pa的条件下进行，可能对实验气体、气压产生一定影响。
2.读数数据存在误差。一是因为没有精度更高的尺子，二是因为人眼观察油柱会有偏差，比如液面最低处与人的视角问题。
4.08
3.67
3.26
2.85
2.45
最大光功率Pw/mW
0.6
1.0
1.2
1.7
2.0
2.2
最佳放电电流I/mA
6
8
9
10
13
15
表2总压力与最大光功率、最佳放电电流的关系
依此表分别作图如下：
图1PW~P关系图图2理论PW~P关系图
分析：
1.与理论图相比，在高压部分呈现差不多一致的趋势。但实验结果在低气压情况不符合，可能实验没能测到更低的总压；在更高压的部分，也没有显示出缓和的趋势，可能是也没有测到更高的总压。
2.实验所测的PW偏小，可能原因是光功率计没有对准激光束，但在保证光功率计位置不变的情况下，对PW与P的趋势关系没有很大影响。
图3 I~P关系曲线图图4理论I~P关系曲线图
分析：
1.与理论图相比，最佳放电电流与之呈现相同趋势，但在高压部分没有出现平缓趋势。
2.出现这种趋势的原因是，气压越高，粒子密度越大，系统越易发生偏转，因此最佳放电电流随气压增大而降低。
3.实验整体偏差不算太大，与理论趋势基本相符。
【思考题】
1.激光管两端的反射镜能否做成全反射镜呢？为什么？
答：不能。这两个反射镜分别被称为全反射镜和输出镜。
对于全反射镜来说，理论上反射率是越高越好。但由于工艺的现实而无法做成真正意义上的全反射镜片。对于输出镜而言，也要求一定的透射率供其输出激光。
2.He-Ne激光器中0.6328μm激光是怎样产生的？