一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1.?? 了解氦氖激光器的基本結(jié)構(gòu)。
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(diào)節(jié)，以及其他相關(guān)調(diào)試方法。
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備
全外腔He-Ne激光器、激光電源、十字叉絲、激光功率計(jì)。
三、實(shí)驗(yàn)原理
從1960年代激光器問世以來，各種類型的激光器相繼研制成功，并因它所具有的獨(dú)特的性能――高亮度、良好的方向性，單色性，相干性被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、計(jì)量、醫(yī)療等行業(yè)。其中氣體激光器是目前種類最多，應(yīng)用最廣泛的一類激光器。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(yùn)作可靠，所以我們就以氦氖激光器為典型實(shí)例進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和實(shí)驗(yàn)。
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(lì)能源。其結(jié)構(gòu)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(shù)反轉(zhuǎn)）的氣體。他們按一定的比例，一定的壓強(qiáng)充入用玻璃制作的放電管內(nèi)。為了提高能量使氣體點(diǎn)燃，在其上面安裝陽極和陰極。
諧振腔主要由腔體、反射鏡、毛細(xì)管構(gòu)成，他們的組合，共同保證光在腔體內(nèi)振蕩放大，最終獲得激光輸出。其技術(shù)要求是：毛細(xì)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(xì)管的垂直度。毛細(xì)管不僅直度要求嚴(yán)格，其內(nèi)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％；另一片是一定透過率的平面鏡，反射率約98.5％。氦氖激光器的激勵(lì)能源一般是直流高壓電，稱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(jù)氣體放電的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高壓電的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。氦氖激光器的電參數(shù)是：啟輝（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(yàn)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(diào)整方法：
對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)整，實(shí)際就是有針對(duì)性地調(diào)整其毛細(xì)管直度、兩個(gè)反射鏡之間的平行度、毛細(xì)管與反射鏡的垂直度（以下簡稱直度、平行度、垂直度），使激光器處于最佳狀態(tài)，獲得滿意的性能指標(biāo)。以下介紹幾種方法：
（1）十字光靶法（自準(zhǔn)直法）：
這種方法適用于調(diào)整反射鏡片與毛細(xì)管軸的垂直度失調(diào)而導(dǎo)致不出光的激光器。調(diào)整工具稱之為十字光靶，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)畫一個(gè)黑色十字叉絲線。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(tái)燈或手電照明，也成為一個(gè)簡單的光靶。
如果太亮，可以在光靶與眼睛之間放入濾光片或帶上防護(hù)鏡，顏色為淺紅色或淺綠色。如果被調(diào)的激光器功率較大，為保護(hù)眼睛，可在腔內(nèi)插入擋板，擋板放在不調(diào)整的那一段腔內(nèi)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(nèi)就可以抑制激光振蕩，防止在調(diào)整時(shí)突然出光，直射眼睛。
反射鏡是通過旋鈕進(jìn)行調(diào)整。旋鈕安裝在激光器的端面上，一般設(shè)計(jì)成正交調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)兩個(gè)旋鈕時(shí)，反射鏡片分別繞X軸和Y軸擺動(dòng)。在調(diào)節(jié)時(shí)，只是旋動(dòng)，切忽施加壓力。調(diào)節(jié)其中一端的一個(gè)旋鈕，可觀察到十字叉絲的垂直線水平移動(dòng)，調(diào)節(jié)垂直線與中心亮點(diǎn)位置重合，在調(diào)另一個(gè)旋鈕，此時(shí)十字絲像的水平線垂直移動(dòng)，也應(yīng)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，以觀察不到兩點(diǎn)為止，這樣即使出光也不會(huì)照亮眼睛。反復(fù)調(diào)至到十字叉點(diǎn)與小亮點(diǎn)重合，垂直度就調(diào)好了。
（2）掃描法：
這種方法也是上述方法的繼續(xù)。及至激光器只有一端失調(diào)時(shí)，但失調(diào)度又不大，或者已用十字光靶法將十字絲像調(diào)到與亮點(diǎn)重合，還不出激光，則用掃描法進(jìn)行調(diào)節(jié)。
操作時(shí)，兩個(gè)旋鈕同時(shí)調(diào)節(jié)。一個(gè)旋鈕在原位緩慢的來回旋動(dòng)或來回步進(jìn)旋動(dòng)，另一個(gè)旋鈕在原位較快速的來回旋動(dòng)。這就相當(dāng)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)過程中，一旦有激光閃出，就應(yīng)馬上停止旋動(dòng)。然后，再用功率計(jì)監(jiān)視，仔細(xì)反復(fù)調(diào)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(diào)，但失調(diào)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(diào)節(jié)反射鏡時(shí)，功率也不升高，達(dá)不到原功率指標(biāo)。這是因?yàn)閮蓚€(gè)反射鏡的平行度雖然已調(diào)好，但垂直度仍有很小的失調(diào)，此時(shí)雖有激光輸出，但功率低，如圖7。
在此狀態(tài)下，觀察輸出光斑圖樣，其圖樣不呈圓形，又不均勻，也不對(duì)稱。
在上述情況，激光器的垂直度失調(diào)不大時(shí)，很難判斷其失調(diào)的方位。由于有激光輸出，可以用功率計(jì)監(jiān)視調(diào)節(jié)。首先調(diào)節(jié)激光器尾端的一個(gè)旋鈕，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，有意破壞其平行度，同時(shí)觀察激光功率，使輸出功率下降到原來調(diào)時(shí)功率值的1/4。然后再調(diào)節(jié)激光器前端所對(duì)應(yīng)的那個(gè)旋鈕，如果后端調(diào)節(jié)的是反射鏡繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的那個(gè)旋鈕，則前端也應(yīng)調(diào)節(jié)反射鏡繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的那個(gè)旋鈕。實(shí)際是用前端鏡片跟蹤后端的鏡片，來恢復(fù)兩鏡片的平行度。此時(shí)觀察輸出的功率值，如功率比原功率低，說明垂直度更差了，應(yīng)改為逆時(shí)針旋動(dòng)后端旋鈕，前端再跟蹤調(diào)節(jié)。如功率呈上升趨勢，則繼續(xù)跟蹤調(diào)節(jié)，直至垂直度最佳，而平行度不被破壞，使功率達(dá)到最大值。用同樣的方法調(diào)節(jié)另外的那對(duì)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(duì)兩組旋鈕反復(fù)進(jìn)行調(diào)整，最后達(dá)到激光功率最大。此時(shí)光斑圖樣也達(dá)到最佳，光強(qiáng)呈高斯型分布。
四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1.按照實(shí)物和結(jié)構(gòu)示意圖認(rèn)識(shí)激光器的三大組成部分。2.開啟激光器電源，使毛細(xì)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(diào)節(jié)一端的反射鏡旋鈕，使之失調(diào)，即兩個(gè)反射鏡的平行度遭到破壞，則光不能在介質(zhì)中來回反射放大，不能產(chǎn)生激光。
4.采用自準(zhǔn)直（十字光靶法）調(diào)光實(shí)驗(yàn)。
5.繼續(xù)調(diào)節(jié)，氦氖激光器的輸出功率最大。
注：部分圖文來源于網(wǎng)絡(luò)
