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模式分析一．氦-氖(He-Ne)激光器简介氦氖激光器（或He-Ne激光器）由光学谐振腔(输出镜与全反镜）、工作物质(密封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成。二电极通过毛细管放电激励激光工作物质，在氖原子的一对能级间造成集居数反转，产生受激辐射。由于谐振腔的作用，使受激辐射在腔内来回反射，多次通过激活介质而不断加强。如果单程增益大于单程损耗，即满足激光振荡的阈值条件时，则有稳定的激光输出。内腔式激光器的腔镜封装在激光管两端。二．氦-氖(He-Ne)激光器的工作原理氦氖激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时，分别发出波长3.39μm，632.8nm，1.53μm三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。三．He-Ne激光器结构及谐振腔He－Ne激光器的结构形式很多，但都是由激光管和激光电源组成。激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。放电管是氦一氖激光器的心脏，它是产生激光的地方。放电管通常由毛细管和贮气室构成。放电管中充入一定比例的氦（He）、氖（Ne）气体，当电极加上高电压后，毛细管中的气体开始放电使氖原子受激，产生粒子数反转。贮气室与毛细管相连，这里不发生气体放电，它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化，延长器件的寿命。放电管一般是用GG17玻璃制成。输出功率和波长要求稳定性好的器件可用热胀系数小的石英玻璃制作。He－Ne激光管的阳极一般用钨棒制成，阴极多用电子发射率高和溅射率小的铝及其合金制成。为了增加电子发射面积和减小阴极溅射，一般都把阴极做成圆筒状，然后用钨棒引到管外。He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端，透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。He－Ne激光管的结构形式是多种多样的，按谐振腔与放电管的放置方式不同可分内腔式、外腔式和半内腔式。四．氦-氖(He-Ne)激光器的速率方程如图所示，在这四种能级系统中，E2并不是激光上能级，最高工作能级E3是激光上能级。泵浦源将工作原子从E0基态能级抽运到E3激光上能级，E3的寿命长，为亚稳态。同样，在亚稳态E3于激发态E2激光下能级之间较易实现粒子数反转。通过激光辐射跃迁到达E2激光下能级的粒子数需要经过E1下泻能级才能回到E0基态，才能完成产生激光过程的循环。五．He—Ne激光器的激发过程第一是共振转移。第二是电子直接碰撞激发。气体放电过程中，基态Ne原子与具有一定动能的电子进行非弹性碰撞，直接被激发到2S和3S态，与共振转移相比，这种过程激发的速率要小得多。第三是串级跃迁，Ne与电子碰撞被激发到更高能态，然后再跃迁到2S和3S态，与前述两过程相比，此过程贡献最小。六．He—Ne激光器的输出特性（1）谱线竞争:He-Ne激光器三条强的激光谱线：0.6328nm，1.15um，3.39um中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。（2）输出功率特性:①He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。②He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。③若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳pd值。共焦球面干涉仪基本原理共焦球面干涉仪是一种分辨率很高的光谱仪，可用于高精度光谱分析、滤波器和选频器等。它主要由两片曲率半径相等的反射镜、一个压电陶瓷和一台锯齿波驱动器组成。这两片反射镜相对放置，间距L等于反射镜的半径R，从而构成共焦球面谐振腔；其中一面反射镜固定在压电陶瓷上。被检测光束沿着谐振腔的光轴方向入射到谐振腔内，在此腔内往返传播多次；每次被反射时，都有一小部分光经过反射镜透射而逸出谐振腔；多次逸出的光发生多光干涉；只有波长满足kλ=4nL(k为整数)的激光从谐振腔出射的多束光才能发生相长干涉，即透过此谐振腔，在光电二极管上形成大的电信号；改变加在压电陶瓷上的电压，可改变压电陶瓷的长度，从而可以改变谐振腔的腔长，从而得使得被测光束中的每一个不同频率的光先后透过干涉仪，继而得到被测光束的光谱。共焦球面干涉仪操作说明产品组成：共焦球面扫描干涉仪谐振腔、锯齿波驱动器、光电接收放大器使用方法：1.按二中所说的方法安装好锯齿波驱动器、干涉仪腔、光电接收器和示波器。2.打开示波器的电源，使其屏幕上出现扫描线。3.打开锯齿波驱动器。此时示波器上应出现锯齿波波形（向左右旋转面板上的频率、前后沿、幅度和直流偏置等4个旋钮，使它们处于所需位置）4.光路调试：●开启He-Ne激光器，先使激光束从光阑小孔通过，调整扫描干涉仪上下左右位置，使光束正入射孔中心，在屏上可观察到有一大一小的两个反射光斑，使小光斑回到光阑小孔正上方（注意谐振腔的方位，避免对激光器的反馈效应），小孔位于大光斑中心，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。●此时示波器上应出现被测光束的光谱，观察示波器上展现的频谱图，细调干涉仪的位置和方位，使谱线尽量强，同时需要不断微调光电接收器位置，使其总处于最佳接收位置.●细调入射光和干涉仪的相对方向和位置，使在示波器上看到的谱线最细（见附图），此时可以进行测量。5.使用后关闭He-Ne激光器、锯齿波驱动器、示波器即可。实验装置图