激光原理与器件实验指导书

实验一 氦－氖激光器搭建与调腔实验

（设计性实验）

【实验目的】

1． 了解激光器的组成及各组成部件的工作原理。 2． 掌握激光器平台的搭建及调试出光的具体步骤。 3． 掌握激光各种模式光斑的分布特点。

【实验原理】

一、激光器的组成及工作原理

一个装置要能给产生净的受激辐射（激光）必须具备三个基本条件： 1． 工作物质（激活物质）。

激光器的物理基础是光频电磁场与物质的相互作用（特别是共振相互作用）。 爱因斯坦从辐射与原子相互作用的量子论观点出发提出：光与物质的相互作用包含原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。

（1） 自发辐射跃迁是指：处于高能态2E 的一个原子自发地向低能态1E 跃迁，并发射一

个能量为hv 的光子。由于这种跃迁是自发的，其产生的光子具有随机的处相位，放出的光子是非相关光。

（2） 受激吸收跃迁是指：处于低能级1E 的一个原子，在频率为v 的辐射场的作用下，吸

收一个能量为hv 的光子并向2E 能态跃迁。这个过程只能减少场中的光子数，不会产生新的光子。光能量转换为工作物质原子的原子能。

（3） 受激辐射跃迁是指：处于高能态2E 的原子在频率为v 的辐射场的作用下，跃迁至低

能态1E 并辐射一个能量为hv 的光子。由于受激辐射是在外界辐射场的控制下的发光过程，因而其产生的受激辐射具有和外界辐射场相同的相位，是相干光。

在物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数（集居数）服从玻耳兹曼统计分布

T

k E E b e n n )(1

2

12--=

其中，21,n n 分别为低能极和高能级上的原子数。因为12E E >，所以12n n <

，即在热平

hv

1E

2E

hv

hv

（a ）自发辐射跃迁

（b ）受激吸收跃迁

（c ）受激辐射跃迁

图 1.1 光与物质相互作用示

衡状态下，高能级集居数恒小于低能级集居数，受激吸收光子数121W n 恒大于受激辐射光子数212W n 。因此，处于热平衡状态下的物质只能吸收光子，不能产生净的光子。因此为了产生净的受激辐射必须要实现集居数反转条件：12n n >。要实现这一条件在热平衡状态下是不可能的，只有当外界向物质供给能量（称为激励或泵浦过程），从而使物质处于非平衡状态时，集居数反转条件才可能实现。

在激光的产生过程中，光的减少因素除了受激吸收外，还必须要考虑到谐振腔的几何偏折损耗和衍射损耗以及工作物质的散射损耗等因素的影响。因此工作物质的增益系数必须足够大，所以往往要求

12n n >>。在自然界存在的所有物质中，目前能够实现12n n >>条件

的激光器工作物质并不太多，如红宝石、钕、氖气、氩气、二氧化碳等。 2． 谐振腔

由于光频电磁场与物质的作用，当外界向工作物质提供能量以后，某些物质能够对光进行能量放大。如果该工作物质的长度足够长，那么一个光子通过此物质后理论上可以获得任意强度的相干光。但是鉴于激光器体积不能过大的限制，因此所有激光器的工作物质长度都不会太长，所以当光通过一次以后所获得的放大是有限的。为了提高激光工作物质的工作效率，人们在其两端增加两块透射反射镜，使光经过工作物质以后大部分能量被反射回来再次通过它，从而间接的增加了工作物质的长度。另一方面，由于只有沿垂直端面的腔轴方向传播的光才能在腔内多次反射而不逸出腔外，而所有其他方向的光则很容易逸出。因此谐振腔也具有模式选择的用途。

由于稳定腔的几何偏折损耗很低，在绝大多数中小功率的器件中都采用稳定腔。稳定腔的模式理论也是腔模式理论中比较成熟的部分，具有最广泛、最重要的实践意义。

实验中采用的是一种开放式的共轴球面稳定腔，由两块具有公共轴线的球面镜构成。 由已经学习过的腔内光线往返传播的矩阵表示方法（参看《激光原理》P35内容），可知道，在满足下列条件时，傍轴光线能在腔内往返多次而不至于横向逸出腔外，从而达到提供光波模反馈的目的：

()1212

<⎥⎦

⎤

⎢⎣⎡+D A （1－1）

如果使用的谐振腔是共轴球面稳定腔，则稳定性条件可进一步简化为：

111021<⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛-

2

,1,11

021=-=<

i

上式即为共轴球面腔的模式稳定原则。式中，当凹面镜向着腔内时，R 取正值，而当凸面镜向着腔内时，R 取负值。

通常来说，21g g 的值决定了谐振腔的结构及腔内激光束的特性，如光束的模体积。当

21g g 的值越接近1表示介质的利用率越高，但越难调出光；反之越接近0表示越容易调整

出光，但介质的利用率越低，在设计选择时应注意综合考虑。 3． 泵浦源

氦－氖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 、1.15m μ、3.39m μ三条谱线（可根据需要选择输出）。其泵浦源采用气体放电激励的方式对工作物质提供能量。激光器在阴极与阳极间通过充有氦氖混合气体的毛细管放电使氖原子的某一对或几对能级间形成集居数反转。混合气体中的氦气含量大于氖气的含量，其中氖气为工作气体，氦气为辅助气体。在工作中，当两极分别接通电源后，阴极发射的电子向阳极运动并被电场加速，大量的快速电子与基态氦原子发生碰撞，使大量的氦原子激发到高能态。当激发到高能态的氦原子与基态氖原子相遇后发生非弹性碰撞，能量从氦原子转移至氖原子，使基态的氖原子跃迁至高能级，失去能量的氦原子回到基态。当许许多多的非弹性碰撞发生后，大量的氖原子被激发到高能级，从而实现集居数反转的条件。

二、激光调腔

当组成激光器的三个条件都满足以后，要使激光器出光工作还必须把两反射镜准确放置于氦－氖激光管的毛细管两端，并调整镜面的取向，使镜面互相平行且与毛细管的轴线垂直。如图1.2所示。调整镜面的取向可以通过反射镜夹持器上的三个旋钮来实现。

调腔的整个过程需要在一十字屏与一个照明灯的协助下完成。十字屏与照明的放置如图1.2所示。十字屏上的十字叉中心有一个小孔。在激光管加电以后，用照明灯在透反镜与十字屏间照亮屏上的十字叉，当人眼从屏的一端通过小孔向透反镜观察时，可以看见十字叉经镜反射后所成的像以及毛细管的圆形轮廓。在毛细管圆形轮廓的中心位置有一很亮的小点，这是毛细管的轴线的端面（当人眼在一条直线上去观察这条直线的时候，线就变成了一个点）。因为光在轴线上非常集中，所以其亮度很高。调腔时，首先把照明灯固定于光具座上，手持十字屏并把眼镜贴近中心的小孔，观察毛细管一端，在观察的工程中不断调整位置，直到看见毛细管中的亮点（轴线端面）位于毛细管的圆形轮廓中心。然后立刻调整反射镜夹持器上的旋钮，使十字叉所成像的中心于毛细管中的亮点重合。此时调整后的反射镜就与毛细管的轴线垂直了。用同样的方法去调整另外一面反射镜，在调整好的瞬间就可以看到激光出射。

【实验仪器与参数】

1． 氦－氖激光管一只 长600mm 最大功率10mw

2． 反射镜片若干：凹面镜曲率半径分别为R0.5m 、R1m 、R2m 、R3m 及平面镜（R ∞） 镜片半径mm 20Φ

凹面镜反射率99.7％，平面镜反射率98.4％

眼睛 透反镜 十字屏

透反镜

He-Ne 激光管 照明灯 图1.2 He-Ne 激光器组成示意图