氦氖激光器系列实验一..docx

氦氖激光器系列实验实验一：氦氖激光束光斑大小和发散角实验目的：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：氦氖激光器，光功率指示仪，硅光电池接收器，狭缝，微动位移平台实验原理：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。 图1 基模激光束在空间的传播激光器发出的基模激光束在空间的传播如图1所示，光束横截面最细处为束腰，坐标原点选在束腰截面的中点，z是传播方向，距束腰为z处的光斑半径w(z)上式改写成双曲线方程：双曲线渐近线的夹角θ为激光束的发散角，则如何测量w(z), θ(z)?w(z)： 方法一：测出z，算出w0,可知w(z)方法二：根据光斑半径定义测量.θ(z )： 方法一：算出w0，可求θ(z) 方法二：测出离束腰很远的z和光斑大小w(z)，算出θ(z)本实验要求分别用两种方法计算出结果进行比较。激光束横向光场分布激光沿z轴传播，基模高斯光束分布的形式：则基模振幅：光斑半径w(z)定义：振幅下降到1/e的点离中心的距离。实际测量中，只能测得光束横向光强分布，光强正比于振幅的平方所以，光束半径w(z)也可定义为中心光强e-2倍的点离中心的距离。在光束半径w(z)范围内集中了86.5%的总功率。3 实验装置氦氖激光器：lR1=1mR2=∞L输出波长632.8nm；平凹型半外腔：后腔镜R1=1m,前腔镜R2=∞；管长：l=270mm.束腰处的光斑半径为因为R2=∞，所以束腰位置在谐振腔输出平面镜R2的位置，即坐标原点在R2的位置。测量时，要求z达到3-5米。为了缩短测量装置的长度，采用平面镜折返光路。实验装置图：45度平面反射镜光功率计氦氖激光器狭缝 三脚架狭缝横向扫描光斑实验装置如上图所示，氦氖激光器输出的激光经45度平面反射镜和三脚架上的平面镜反射入射到狭缝上面。测量狭缝连同其后面的硅光电池作为一个整体沿光束直径方向作横向扫描。和硅光电池连接的反射式检流计（光功率计）测出激光束横向每个位置的光强。根据测得的激光束光强横向分布曲线，求出光强下降到最大光强e-2倍处的光束半径w(z).根据，算出光速发散角θ(z)。实验步骤：测量前的准备（1）调整光轴，使各元件的光轴在同一水平线上。（调准直）打开校准激光器，在轨道上放置小孔，调整激光器的螺丝，当小孔在近处时，让光通过小孔，当小孔在远处时，光也可以通过。多次调节，让光能始终通过小孔，说明校准激光器光轴已水平。放置反射镜R2，调整R2，使R2反射的光也可以通过小孔，说明R2光轴也水平，镜R2与光学平台垂直。调整氦氖激光器，使其后反射镜反射的光也可以通过小孔（2）产生激光，连接各元件a. 打开氦氖激光器电源，调整激光器的输出镜R2的位置，使其产生激光振荡。找到输出激光能量最大的位置，固定R2。b. 摆好光路其它各部件。（45度反射镜，平面镜三脚架，狭缝，硅光电池）c. 调整标尺及平面反射镜使激光束照亮测量狭缝，取z值约3-5m.d. 狭缝宽度是光斑大小的1/10以下，接好光功率指示仪，光功率指示仪调零。2. 光强横向分布的测量（1）移动微调平台，使狭缝和硅电池接受器同时扫过光束，移动的方向与光传播方向垂直。（2）每隔0.1mm~0.2mm，记录光功率指示仪的值，重复测量三次，进行激光束的光强横向分布测量。（3）测量z，腔长L。3. 光斑半径w(z)及发散角θ的确定（1）做出光功率指示仪跟测量位移之间的变化曲线，由曲线求出光斑半径w(z).三次测量，画出三条曲线，求出三个w(z)值。然后三个值求平均。（2）根据，算出θ值。（3）根据公式，算出w0。然后根据，，算出w(z)和θ，并与前面的测量值进行比较。注意事项：爱护各实验元件，轻拿轻放。光学元件各镜头不要用手摸，特别是平面镜镜头。