一、實(shí)驗目的
1.?? 了解氦氖激光器的基本結構。
2.?? 掌握氦氖激光器的工作原理。3.?? 學(xué)會(huì )用十字叉絲進(jìn)行激光器的調節，以及其他相關(guān)調試方法。
二、實(shí)驗設備
全外腔He-Ne激光器、激光電源、十字叉絲、激光功率計。
三、實(shí)驗原理
從1960年代激光器問(wèn)世以來(lái)，各種類(lèi)型的激光器相繼研制成功，并因它所具有的獨特的性能――高亮度、良好的方向性，單色性，相干性被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、國防、計量、醫療等行業(yè)。其中氣體激光器是目前種類(lèi)最多，應用最廣泛的一類(lèi)激光器。而氦氖激光器又在氣體激光器中最具有代表性，它制作容易，運作可靠，所以我們就以氦氖激光器為典型實(shí)例進(jìn)行結構分析和實(shí)驗。
激光器一般具有三個(gè)組成部分：工作物質(zhì)（增益介質(zhì)），諧振腔（光學(xué)共振腔），激勵能源。其結構示意圖如圖1所示。
圖1
氦氖激光器的工作物質(zhì)為純度大于99.99％的氦氣和氖氣。其中氖氣是能激發(fā)出激光的氣體，而氦氣則是提供光放大條件（產(chǎn)生粒子數反轉）的氣體。他們按一定的比例，一定的壓強充入用玻璃制作的放電管內。為了提高能量使氣體點(diǎn)燃，在其上面安裝陽(yáng)極和陰極。
諧振腔主要由腔體、反射鏡、毛細管構成，他們的組合，共同保證光在腔體內振蕩放大，最終獲得激光輸出。其技術(shù)要求是：毛細管（放電管）的直度，兩個(gè)反射鏡的平行度和反射鏡片與毛細管的垂直度。毛細管不僅直度要求嚴格，其內徑尺寸也有特殊要求。反射鏡共有兩片，其一片是全反的凹面鏡，反射率優(yōu)于99.85％；另一片是一定透過(guò)率的平面鏡，反射率約98.5％。氦氖激光器的激勵能源一般是直流高壓電，稱(chēng)之為氦氖激光器電源。它將市用220V交流電變換成直流高壓，并根據氣體放電的特點(diǎn)，實(shí)現高壓電的正常運轉。氦氖激光器的電參數是：?jiǎn)⑤x（點(diǎn)燃）電壓，工作電壓和最佳工作電流。啟輝電壓高于工作電壓，實(shí)驗用的激光器的啟輝電壓為4500V,工作電壓約1200V，最佳工作電流約5mA.
調整方法：
對激光器進(jìn)行調整，實(shí)際就是有針對性地調整其毛細管直度、兩個(gè)反射鏡之間的平行度、毛細管與反射鏡的垂直度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)直度、平行度、垂直度），使激光器處于最佳狀態(tài)，獲得滿(mǎn)意的性能指標。以下介紹幾種方法：
（1）十字光靶法（自準直法）：
這種方法適用于調整反射鏡片與毛細管軸的垂直度失調而導致不出光的激光器。調整工具稱(chēng)之為十字光靶，它是由一個(gè)光屏和照明小燈組成。光屏用鋁板或鐵板制成，大小約有6cmX6cm，一面涂有白漆，在中間打一個(gè)約1mm的小孔，并以小孔為中心點(diǎn)畫(huà)一個(gè)黑色十字叉絲線(xiàn)。使用時(shí)，這個(gè)白屏必須用燈照明，因此可將一個(gè)燈泡安裝在旁邊，組成一體，便于使用，如圖2。臨時(shí)急用時(shí)，可用一張較厚的白紙片做成光屏，用臺燈或手電照明，也成為一個(gè)簡(jiǎn)單的光靶。
如果太亮，可以在光靶與眼睛之間放入濾光片或帶上防護鏡，顏色為淺紅色或淺綠色。如果被調的激光器功率較大，為保護眼睛，可在腔內插入擋板，擋板放在不調整的那一段腔內的布窗與鏡片之間。也可以放入透明的綠光片等，只要放在腔內就可以抑制激光振蕩，防止在調整時(shí)突然出光，直射眼睛。
反射鏡是通過(guò)旋鈕進(jìn)行調整。旋鈕安裝在激光器的端面上，一般設計成正交調節，即調節兩個(gè)旋鈕時(shí)，反射鏡片分別繞X軸和Y軸擺動(dòng)。在調節時(shí)，只是旋動(dòng)，切忽施加壓力。調節其中一端的一個(gè)旋鈕，可觀(guān)察到十字叉絲的垂直線(xiàn)水平移動(dòng)，調節垂直線(xiàn)與中心亮點(diǎn)位置重合，在調另一個(gè)旋鈕，此時(shí)十字絲像的水平線(xiàn)垂直移動(dòng)，也應使它與中心亮點(diǎn)重合，如圖6所示。注意：在快重合時(shí)，眼睛微移，以觀(guān)察不到兩點(diǎn)為止，這樣即使出光也不會(huì )照亮眼睛。反復調至到十字叉點(diǎn)與小亮點(diǎn)重合，垂直度就調好了。
（2）掃描法：
這種方法也是上述方法的繼續。及至激光器只有一端失調時(shí)，但失調度又不大，或者已用十字光靶法將十字絲像調到與亮點(diǎn)重合，還不出激光，則用掃描法進(jìn)行調節。
操作時(shí)，兩個(gè)旋鈕同時(shí)調節。一個(gè)旋鈕在原位緩慢的來(lái)回旋動(dòng)或來(lái)回步進(jìn)旋動(dòng)，另一個(gè)旋鈕在原位較快速的來(lái)回旋動(dòng)。這就相當于鏡片與管軸在基本垂直的位置上掃動(dòng)，尋找最佳垂直位置，使之出光。在掃動(dòng)過(guò)程中，一旦有激光閃出，就應馬上停止旋動(dòng)。然后，再用功率計監視，仔細反復調整旋鈕，使輸出激光功率升高。
（3）跟蹤法：
此方法適用于垂直度失調，但失調度不大，有激光輸出的情況。激光器雖然有激光輸出，但功率并不高，再分別調節反射鏡時(shí)，功率也不升高，達不到原功率指標。這是因為兩個(gè)反射鏡的平行度雖然已調好，但垂直度仍有很小的失調，此時(shí)雖有激光輸出，但功率低，如圖7。
在此狀態(tài)下，觀(guān)察輸出光斑圖樣，其圖樣不呈圓形，又不均勻，也不對稱(chēng)。
在上述情況，激光器的垂直度失調不大時(shí)，很難判斷其失調的方位。由于有激光輸出，可以用功率計監視調節。首先調節激光器尾端的一個(gè)旋鈕，順時(shí)針?lè )较蛐D一個(gè)小角度，有意破壞其平行度，同時(shí)觀(guān)察激光功率，使輸出功率下降到原來(lái)調時(shí)功率值的1/4。然后再調節激光器前端所對應的那個(gè)旋鈕，如果后端調節的是反射鏡繞X軸轉動(dòng)的那個(gè)旋鈕，則前端也應調節反射鏡繞X軸轉動(dòng)的那個(gè)旋鈕。實(shí)際是用前端鏡片跟蹤后端的鏡片，來(lái)恢復兩鏡片的平行度。此時(shí)觀(guān)察輸出的功率值，如功率比原功率低，說(shuō)明垂直度更差了，應改為逆時(shí)針旋動(dòng)后端旋鈕，前端再跟蹤調節。如功率呈上升趨勢，則繼續跟蹤調節，直至垂直度最佳，而平行度不被破壞，使功率達到最大值。用同樣的方法調節另外的那對旋鈕，使功率上升到最高值。要獲得最佳的垂直度，需要用該方法對兩組旋鈕反復進(jìn)行調整，最后達到激光功率最大。此時(shí)光斑圖樣也達到最佳，光強呈高斯型分布。
四、實(shí)驗內容
1.按照實(shí)物和結構示意圖認識激光器的三大組成部分。2.開(kāi)啟激光器電源，使毛細管中的氣體點(diǎn)燃，如諧振腔是正常狀態(tài)，則有激光輸出。
3.調節一端的反射鏡旋鈕，使之失調，即兩個(gè)反射鏡的平行度遭到破壞，則光不能在介質(zhì)中來(lái)回反射放大，不能產(chǎn)生激光。
4.采用自準直（十字光靶法）調光實(shí)驗。
5.繼續調節，氦氖激光器的輸出功率最大。
注：部分圖文來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )
