氦氖激光器在光学教学中的应用

引言

    第一台气体激光器是1961年由贾范（Javan）、贝内特（Bennett）和赫里奥特（Herriott）报导的氦氖激光器。其输出波长为1.15μm，是不可见的红外氦氖激光器。经过40多的发展，氦氖激光器成为目前种类最多，容易制作，质量十分可$&*，应用广泛的激光器。与任何其它气体激光器相比，研究的也较为透彻，对其运转的了解也就比任何其它气体激光器更为深入。

    氦氖激光器是中性原子气体激光器中的一个典型例子，也是特别重要的一种激光器。由于气态物质的光学均匀性一般较好，所以气体激光器比固体激光器和半导体激光器来说，输出的光学质量（如单色性，相干性，光束的发散角和稳定性等等）很好，这一点在许多应用中是很重要的。

    随着科学技术的发展，激光技术这一高科技在不断的扩展到国民经济中的各个领域，氦氖激光器以它独有的性能特点首当其冲，广泛的应用在工业、农业、国防、教育、卫生、计量等部门，被用来准直导向、自动控制、精密测量、计量基准、疾病治疗、教学实验，以及作为全息照相、光信息处理、激光光谱、文化娱乐的光源等。随着激光知识的不断普及，激光技术的广泛拓展，被更多的人以及非激光行业的科学工作者所认识，随之出现了与激光有关的交$&*科学，如激光化学、激光生物学、激光光谱学、激光医学等等，氦氖激光器在很多学科中占有不可忽视的地位。

    在70年代初期，我国的氦氖激光器就走出了科研单位，进入社会的工厂企业。目前我国生产的氦氖激光器品种很多，常用氦氖激光器的主要性能指标已达到了国际水平，而在性能价格比上，占有极大的优势。由于它结构简单，非常直观的体现出组成激光器的三大部分，即工作物质、谐振腔和激励电源；它使用的材料一般，制作工艺也较为成熟，被广泛的应用到教学中。

在教学中使用氦氖激光器可分为两种情况：第一种是利用它单色性好，方向性好和亮度高的特点作为光源，开展几何光学，物理光学，以及近代光学的教学实验；第二种是作为激光器的典型范例，分析其特性，深入了激光器的原理、参数、性能，开展激光和激光技术的教学实验。

一、几何光学教学

    人们把光的能量看成是沿着一根根光线传播的，它们遵从直进、反射、折射定律，便是几何光学。几何光学实验的主要内容是分析光传播的路径，测定成象位置的大小，观察成象的清晰度以及经过光学系统所成图象上各点的明暗（光强或照度的大小）。

    用输出波长为632.8nm氦氖激光描述光线的传播，是很形象的。因为是红光，有一定的光强，发散角很小，将看不见的光线用激光线模拟成可见的光线，直观的看到光线传播。这种典型的教学仪器是激光实验箱，见图。

    实验箱体的大小一般在30cm×45cm，它是用输出2mW的氦氖激光管作光源，用分束镜把光束分成三束，显示在箱体面上。分束镜可以旋转，能够操作成相互平行，发散和会聚的光束。图1显示的是三束平行光束。

    该仪器还配有各种光学元件，如平面反射镜，多种的凸透镜、凹透镜，棱镜等，有时还配有简单的作物理光学实验的元件。可以进行的主要实验有：

    ⒈几何光学基本三定律的实验，即光的直线传播定律；光的反射定律；光的折射定律。了解光在均匀的介质里沿直线传播，反射线，入射线，反射角，入射角，折射角，全反射等。

    ⒉各种透镜的实验。了解凸透镜对光束的会聚，凹透镜对光束的发散，透镜的焦点、焦距、焦面和透镜组等实验。

    ⒊棱镜的实验。如直角棱镜的全反现象，光线在三角棱镜主截面内的折射，棱镜的最小偏向角等实验。

⒋光学仪器的光路实验。如投影仪，显微镜，照相机等。

二、物理光学实验

物理光学（波动光学）是研究光波动性（干涉、衍射、偏振）的科学。用氦氖激光作光源有很大的优越性，因为它相干性好，干涉衍射条纹清晰，再加上亮度高，可以在一般照明的实验室中作实验。

    ⒈光波的干涉实验

    一般光强的光波在线性媒质中，服从波的迭加原理。由于波的迭加而引起光强的重新分布，这种现象称之波的干涉。实验者要做好光波的干涉实验，首先掌握光波的分割法。双光束干涉实验和多光束干涉实验分为波面分割与振幅分割。实验有：

    ⑴扬氏双缝干涉实验

    ⑵用罗意镜法实现光波干涉振幅分割的光束干涉实验

    ⑶利用牛顿环测量透镜的曲率半径R

    ⑷利用光通过空气楔产生的干涉测量金属丝的直径

    ⑸用干涉法测量玻璃基板的平行度

    ⑹迈克尔逊干涉仪的组装

    ⑺用干涉法测量空气的折射率

⑻用法布里-珀罗标准具精确测定氦氖激光的波长

    ⒉光波的衍射实验

    所谓波的衍射是当波遇到障碍物时偏离了直线传播的现象。不相干的普通光源，光的衍射现象是不明显的。而当我们采用了高亮度相干性好的激光，则可以很容易的将光的衍射现象演示出来。例如：

    ⑴泊松-阿喇戈光斑的观察

    ⑵圆孔屏的菲涅耳衍射和夫琅和费衍射条纹的观察

    ⑶单缝和单丝衍射条纹的观察

    ⑷直边和矩孔的菲涅耳衍射条纹的观察

⑸高斯光束的单缝衍射光强分布

    ⒊光的偏振实验

    光的偏振实验证明光波是一种横波，反映了光具有电磁波的性质。通过研究光的偏振状态在介质中传播过程的变化，可以了解光波与物质相互作用的机理。在光波的偏振实验中，一般要研究光扰动的全部参数，振幅，频率，波长，相位（时间相位和空间相位）。主要实验如：

    ⑴用渥拉斯登棱镜模拟双折射现象

    ⑵补偿器的定标

    ⑶1/4波片的定标

    ⑷用斯托克斯参数测量椭圆偏振光的参数

⑸偏振光的干涉

三、傅立叶光学实验

    人们把数学，信息论和光学的衍射结合起来，发展一门新的科学――傅立叶光学。傅立叶变换与空间频谱是紧密相联系的，它的基本思想是用空间频谱的语言分析光信息，用改变频谱的手段处理相干成象系统中的光信息，用频谱改变的眼光评价不相干成象系统中象的质量。

    ⑴阿贝成象原理

    ⑵高低通滤波实验

    ⑶验证巴被俾米涅原理实验

⑷理想高斯光束的获得

四、全息和光信息处理实验

    早在1948年就有人为提高电子显微镜的分辨本领而提出全息理论，并开始了全息照相的研究工作，但进展一直很慢。激光的出现为全息照相提供了理想的光源，使全息技术的研究进入了一个新阶段，成为科学技术的一个新领域。氦氖激光以它的模式好，相干性好，使用方便的特点，已成为全息以及光信息处理中被广泛使用的光源。有关实验有：

    ⑴漫反射全息图的拍摄和再现

    ⑵全息光栅的制备

    ⑶反射式全息照相（白光再现全息照相）

    ⑷彩虹全息图的拍摄

    ⑸时间平均干涉法测量叶片的振动频率

    ⑹二次曝光全息干涉方法测量钢尺的微小变形

    ⑺二次曝光全息干涉方法观测灯泡通电后的气流分布

    ⑻用全息照相技术测量光学透明材料的不均匀性

    ⑼用傅立叶变换全息进行资料储存

    ⑽用傅立叶变换全息进行特征字符识别

⑾用散斑照相方法测量漫射体的平移

五、激光原理教学实验

    激光是60年代初期出现的新型光源，可以说，激光的问世使古老的光学发生了一场革命。作为典型的氦氖激光器，较为充分的反映出了激光的基本特征，以及激光的基本性能参数。解剖和分析它，对深入的了解激光，进一步研究激光和扩展激光应用范围开拓了思路。主要实验有：

    ⑴氦氖激光高斯光束发散角的测量

    ⑵氦氖激光器的模式分析

    ⑶氦氖激光器增益、损耗和饱和参量的测量

    ⑷用光谱相对强度研究氦氖放电管的增益特性

⑸氦氖激光器的功率与放电参量的关系

六、激光技术实验

    随着氦氖激光器用途不断的扩展，有关的激光技术也不断的出现。例如氦氖激光器的稳频，选频，单频，锁模，稳功率等技术。这方面的实验有：

    ⑴激光稳频与测量技术

    ⑵氦氖多谱线激光器

    ⑶腔内标准具腔内选模单频激光

    ⑷声光调制锁模激光器

    ⑸光学双稳实验

    ⑹单模光纤维尔德常数的测量

七、非线性光学实验

    非线性光学有关现象可分为三类：1.参量过程，包括倍频、和频、差频、高倍频（高次谐频）和光的参量振荡。2.各种散射现象和它的受激发射。3.多光子吸收、光子电离、光自陷（自聚焦）介质的光致损坏。

    光在介质的传播过程，是光与介质相互作用的过程，这个过程有两个相关的分过程：一是光作用在介质上引起的介质的极化，产生宏观的极化强度，为介质的极化过程。另一是光的辐射过程。介质中的光场随时间的变化，所产生的变化极化强度将作为一个光辐射源辐射光波。从极化强度与光电场的关系得知，当入射光的频率为ω时，在介质内引起了2ω、3ω………高次谐波极化强度，从而产生了2ω、3ω………高次谐波的光。当光场较弱时，极化强度与光电场之间呈线性关系，只能引起与入射光相同频率的极化强度，产生相同频率的辐射光波。当光强较强时，能观察到非线性效应。激光的诞生给非线性光学带来了生机。

    ⑴氦氖激光腔内倍频技术

    ⑵氦氖激光受激喇曼散射

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