激光实验课堂

庞宛文

摘  要：激光实验是光电信息科学与工程专业重要的实验课程。文章选取其中之一：氦-氖激光器光束特性的实验测定与分析来详细论述，主要包括：实验的具体操作过程、数据记录和处理以及误差分析，并在误差分析基础上对实验操作进行合理调整，结果显示误差变小。该实验课程既可以帮助学生理解基模高斯光束性质，又可以锻炼其动手以及独立思考分析的能力。

关键词：氦氖激光器;光束束腰;光斑半径;发散角

中图分类号：O432.1+2      文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）13-0020-04

Abstract： The course of Laser experiments is very important for the major of Optoelectronic Information Science and Engineering. In this paper， one of the experiments， experimental measurement and analysis on the Characteristics of He-Ne Laser is given detailed description. It's mainly included that： the operation method， data recording and processing， error analysis and correction. The students can understand in depth the properties of fundamental-mode Gaussian beam and exercise their abilities of manipulative and independent thinking.

Keywords： He-Ne Laser; beam waist; spot radius; divergence angle

1 概述

激光是20世纪以来，继计算机、原子能、半导体之后人类的又一重大突破，因其具有单色性好、相干性好、方向性好和亮度高的性质而被广泛用于科技、经济、军事和社会发展等众多领域。其理论基础可以追溯到1917年，著名物理学家爱因斯坦在量子理论的基础上提出受激辐射的概念。20世纪50年代初，随着电子学与微波技术的迅速发展，迫切需要一种光波可被控制的强相干光，这为激光器的诞生提出了实际需求。终于在1960年，美国工程师梅曼演示了世界上第一台红宝石固体激光器。如今激光的应用已经遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域。譬如信息技术方面，以半导体量子阱激光器和光纤器件为基础的信息光电子技术将持续作为未来信息技术的基础之一;激光和光纤技术可能帮助找到攻克心血管病、癌症等危害人类疾病的新方法;激光光谱分析和激光雷达技术将对环境保护和污染检测提供有力的手段以及高能激光作为可控核聚变反应的点火装置等[1]。

本文以带布儒斯特窗的半外腔He-Ne激光器（中心波长632.8nm）为主要仪器，佐以He-Ne激光器准直光源、平面反射镜、可调狭缝、光功率指示仪等对其光束输出特性：如光斑分布和发散角进行实验测量并加以计算分析。

2 He-Ne激光束光斑大小和发散角的测量实验

激光束的横向光斑大小和发散角是两个非常重要的参数，激光虽有方向性好的特点，但并非是理想的平行光，它仍具有发散角（在激光准直和激光干涉中，常需要设置扩束望远镜来减小其发散度）[2]。另外由于激光的横向光场分布一般满足厄米高斯或者拉盖尔高斯分布函数，故激光常常也被称为高斯光。

2.1 基模高斯光束发散角θ的理论式以及横向光场分布

2.2 实验平台搭建和数据测量

实验采用带布儒斯特窗的半外腔He-Ne激光器（中心波长632.8nm，输出功率≤1.5mW）：谐振腔前腔R=∞，后腔R=1m。根据高斯光束等相位面的性质，输出光束的束腰位于谐振腔前腔平面镜的位置。实验中需测量距束腰位置约为2～4m处的光斑强度分布，从而计算出光束半径和发散角。鉴于光学导轨长度有限，故加入平面反射镜使光路产生折返，从而延长光束轴向距离。

实验装置如图3所示，首先将光路准直，反复调整激光器后腔输出镜的位置，直至产生谐振输出激光，且输出能量能够达到最大。此时能够看到照射在距离很近的45度反射镜上的光斑，很亮且目测直径约1mm，如图4。

将标尺与三角架连接并放置于距导轨1m开外，另一平面镜固定于标尺上。调整平面镜位置，使得光束照射于平面镜中央，如图5，并反射回位于导轨上的光功率计探头位置。这时能够看出光斑直径随着传播距离增大而增大，约有大拇指甲盖大小。

如图6，将狭缝卡在光功率计探头前，调整缝宽不高于光斑大小的1/10，同时接好光功率指示仪。旋动可调狭缝下方的螺旋测微器，每隔0.1mm使光束同时扫过狭缝和硅光电池接收器（注意光斑移动的方向始终沿一个方向并且与光传播的方向垂直），逐个记录光功率指示仪的示数。接着用卷尺测出光束从平面镜到狭缝之间的光路距离z值，以及此时谐振腔前后腔镜距离，即腔长L。

2.3 实验数据记录及处理

（1）测量数据记录：如表1所示，将所测数据输入表格并用Microsoft Excel软件（也可以用origin、MATLAB软件）进行处理。

（2）软件处理数据：根据表1中的数据分别作出其对应的曲线，如图7所示：横坐标为狭缝与光斑中心间距，纵坐标表示通过狭缝的光功率大小。可以看出，He-Ne激光器输出的基模光的横向光强分布由边缘向中心逐渐增大并呈现对称性分布并且场分布为高斯型。

2.4 实验条件修正及结果

那么如何尽可能减小误差？调节光路准直考验的是实验操作水平，这点比较主观;光功率计读数误差以及平面镜反射光所产生的误差是仪器所固有的，难以立即改善。那么最立竿见影减小误差的手段应该就是适当选取狭缝宽度，狭缝过宽会使相邻位置光功率值有重合，太窄则光强度过弱，难以被光功率计有效接收。

接下来，我们将狭缝宽度适当减小一点，再重复一遍实验过程。数据记录及软件处理如表2、图8所示。

同理，根据实验数据所绘的激光束光强横向分布曲线，可求得光束半径2w（z）=3.5mm，光束发散角θ实验=1.29×10-3rad。对比理论值θ理论=1.27×10-3rad，求得误差值？浊=|θ实验-θ理论|/θ理论=2.28%，相比上一组明显降低。说明适当减小狭缝宽度，使得中心处光功率值不高于1w，从而降低误差的方式是行之有效的。

3 结束语

本文主要论述激光系列实验之一：He-Ne激光束光斑大小和发散角的测量。分别给出实验装置搭建、数据记录、软件绘图、计算光斑半径和发散角的具体过程，最后对实验值和理论值的误差原因分析说明并修正部分实验操作。该实验除了能够锻炼学生的动手能力，对于学生理解激光的相关特性参数：束腰、光斑半径、基模光、发散角等非常有帮助，做到理论与实践相结合。

参考文献：

[1]周炳琨，高以智，陈倜嵘，等.激光原理（第7版）[M].北京国防工业出版社，2015，12.

[2]居桂方.“激光原理”實验教学改革的探索和实践[J].广东工业大学学报（社会科学版），2005（S1）：140-141.

[3]杨晓冬，谭锦业，刘定文，等.高斯光束特性实验研究[J].实验室研究与探索，2010，8：23-25，32.

[4]王垚廷，张瑞红，李光耀，等.高斯光束束腰位置及尺寸的精确测量[J].西安工业大学学报，2015，6：431-433，440.

[5]McCally R L. Measurement of Gaussian beam parameters[J]. Applied Optics. 1984.