GCS-HNDU 多谱线氦氖激光器及放电管增益研究实验

一台激光器除激励电流源外，主要由增一益介质和谐振腔组成。He-Ne 激光器放电管内按一定气压充入的氦氖 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。He-Ne 激光器通过色散 选择谱线方法，可以使得氖原子在不同能级之间的跃迁所发出的荧光产生激光震荡输出激光，波长分布在近红外、 可见光区。

◆ 知识点：

粒子反转、自发辐射、小信号增益比、增益饱和、损耗、光谱电子能级跃迁、光谱分析

◆ 涉及课程：

激光原理、激光技术、光电检测

◆ 实验内容：

·观测氦氖激光器放电管自发辐射光谱

·氦氖多谱线激光器谐振腔设计与调整

·测量各条激光输出光谱线的波长

·测量各条输出谱线的最佳工作电流

◆ 实验原理：

本实验为典型的激光原理基础实验，通过荧光分析的方法研究氦氖激光器放电管增益特性。实验内容涵盖了激 光产生原理中大多数的知识点，同时通过调整色散器件，选择不同的激光振荡波长，可以得到可见光区内红、橙、 黄色 5 种不同的激光波长。本实验包含多个知识点，原理清晰、效应明显、训练全面，有助于学生全面深入地理解 激光产生机理。

1-6 GCS-HNDU

本实验采用 1m 长 He-Ne 激光放电管，通过分析放电管发出的荧光波长和强度，得出激光器放电管的特性。在 满足辐射跃迁选择定则的两个能级之间，其自发辐射的光谱线强度只与上能级粒子数成正比，所以通过光谱线的自 发辐射强度就可以得到上能级粒子数，进一步得到粒子数差，可计算出各激光谱线相对 632.8nm 谱线的增益值。在 不同放电电流条件下，用各能级的相对 3S2 能级的粒子数差与放电电流作图，就可以求得各条激光谱线的最佳输出 功率的电流值。

氦氖混合气体中氦气通过非弹性碰撞使得氖原子电子跃迁到 3S 能级，从 3S 能级向 2P 能级跃迁的过程中发射 不同波长荧光，此段跃迁发射的光谱在可见范围内。本实验是在长度为 1 米的 He-Ne 激光器的腔内插入色散器件， 由于色散器件对于不同波长光的色散角度不同，导致只有一个波长的光在激光腔内可以按照原路返回，从而满足激 光振荡条件而产生激光。通过调整色散器件角度，就可以选择不同的激光波长输出。

◆ 原理示意图：

◆ 效果图：

◆ 技术指标：

·光轴指示激光：中心波长 632.8nm，功率 ≥1.5mW，电源安全双开关（钥匙保护开关、船型开关），带高压保护 套电极插头，二维可调；

·氦氖长腔工作平台：腔长 1.3m，增益腔长 1m，主输出波长 632.8nm，直腔输出功率 ≥25mW，可搭载 GCM 系 列精密光机调整部件；

·可调谐输出波长：632.8，611.8 等多个波长

·激光电源：0-20mA 可调，最佳工作电流 15mA；

·激光偏振状态：水平偏振；

·数字光谱仪：光谱范围 350-1000nm, 分辨率 1.1nm，USB2.0，光纤接口 SMA905，增益可调；

·导光光纤：铠甲封装，石英，芯径 300um，光纤接口 SMA905，长度 1.5m，工作波长 200-2000nm；

·色散可调谐部件：融石英，360°旋转，双面通光；

·激光功率指示器：标定波长 632.8nm，最大量程 100mW，最小读数 0.2mW；

·精密机械调整架：角度精度 ±4′，分辨率 0.005mm，调节机构保证等双轴等高，横向偏差 1′，纵向偏差 1′；

·光学元件：BK7 A 级精密退火材料，焦距 ±2%，直径 -0.2mm，中心偏差 3′，光圈 1-5；局部误差 0.2-0.5，面 粗糙度 60/40（Scratch/Dig），MgF2 增透膜镀膜，有效孔径 90%；

◆ 设备成套性：

多谱线激光器、激光电源、色散选择调整部件、辅助激光器、偏振片组件、功率指示计、数字光谱仪

◆ 必备设备：

电脑（可用笔记本）、光学平台

◆ 选配清单：

光学清洁箱、激光防护眼镜、实验设备展板

◆ 建议课时：

6 课时