激光原理实验指导书

激光原理实验指导书一、实验概述（一）实验名称激光原理及基本特性观测（二）实验目的1.理解激光产生的基本原理，掌握受激辐射、粒子数反转、光放大及光学谐振腔的核心作用。2.熟悉氦氖激光器（或半导体激光器）的结构组成，了解各部件的功能与工作原理。3.学习激光基本特性的观测方法，包括激光的单色性、方向性、相干性及光强分布。4.培养实验操作、数据记录与分析能力，加深对激光与普通光本质区别的认识。（三）实验学时2-3学时（根据实验内容复杂度调整）（四）实验对象大学物理、光电信息科学与工程等相关专业学生二、实验原理（一）激光产生的基本条件激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）即受激辐射光放大，其产生需满足三个核心条件：1.粒子数反转：在激励源作用下，使工作物质中处于高能级的粒子数大于低能级的粒子数，打破热平衡状态下的玻尔兹曼分布，为受激辐射占主导地位提供前提。2.受激辐射光放大：处于高能级的粒子在入射光子（光子能量等于高低能级能量差）的激励下，跃迁到低能级并辐射出与入射光子频率、相位、传播方向完全相同的光子，实现光的放大。3.光学谐振腔：由两块相对放置的反射镜（全反射镜和部分反射镜）组成，使放大后的光在腔内来回反射，不断激励工作物质产生更多受激辐射光子，形成光振荡；同时筛选光子的传播方向和频率，使输出激光具有良好的方向性和单色性。（二）常用激光器结构（以氦氖激光器为例）1.工作物质：氦氖混合气体（He为辅助气体，Ne为激活介质），通过气体放电实现粒子数反转。2.激励源：直流高压电源，通过气体放电将能量传递给氦氖原子，使Ne原子从基态跃迁到高能级。3.光学谐振腔：通常由镀有多层介质膜的石英玻璃反射镜组成，一端为全反射镜（反射率≈99.8%），另一端为部分反射镜（反射率≈98%），激光从部分反射镜端输出。（三）激光的基本特性1.单色性：激光的频率范围极窄，单色性远优于普通光（如太阳光、白炽灯），氦氖激光器输出激光的中心波长约为632.8nm（红光）。2.方向性：激光光子的传播方向高度一致，发散角极小（通常在毫弧度量级），可实现远距离定向传播。3.相干性：激光是相干光，同一束激光的不同部分或两束同源激光之间具有固定的相位差，可产生稳定的干涉现象。4.高亮度：激光能量高度集中，在极小的空间和时间内可形成极高的光功率密度，亮度远高于普通光源。三、实验器材1.激光器：氦氖激光器（输出功率1-5mW，波长632.8nm）或半导体激光器（可选）；2.辅助光学元件：激光功率计、单色仪（或分光计）、光屏、双缝干涉装置、光具座、小孔光阑、偏振片、透镜组；3.测量工具：游标卡尺、米尺、示波器（可选，用于观测光强脉冲信号）；4.其他：直流高压电源（配套激光器）、遮光罩、防护眼镜（激光专用）。四、实验步骤（一）实验准备与安全须知1.熟悉实验器材的摆放位置与功能，检查器材是否完好，连接是否正常。2.严格遵守激光安全操作规范：佩戴激光专用防护眼镜，避免激光直接照射眼睛；禁止正对激光输出口观察；实验过程中保持环境安静，避免随意移动器材。3.连接激光器电源，确认电源电压、电流参数符合设备要求，待教师检查无误后再启动电源。（二）激光器结构观察与启动1.观察氦氖激光器的外部结构，识别工作物质管、光学谐振腔反射镜、电极接口、激光输出窗口等部件，记录激光器的型号、输出功率、波长等参数。2.缓慢开启直流高压电源，调节电流至激光器正常工作范围（通常为3-8mA），观察激光输出窗口是否有红光输出；若未输出，需关闭电源检查原因（如反射镜位置、气体压强等），严禁擅自拆卸激光器。（三）激光基本特性观测1.方向性观测：（1）在光具座上放置激光器和光屏，调节两者高度，使激光束垂直入射到光屏中心，记录激光器与光屏的距离L（如L=1m、2m、3m）。（2）用游标卡尺测量不同距离下激光光斑的直径d，计算激光的发散角θ（θ≈d/L，单位：rad），记录数据并分析激光方向性特点。2.单色性观测（用单色仪测量）：（1）将激光器输出的激光通过小孔光阑准直后，入射到单色仪的入射狭缝。（2）调节单色仪的光栅转角，通过出射狭缝后的光电探测器（或直接用光屏观测）寻找激光的谱线，记录对应的波长读数λ₁。（3）对比普通白光通过单色仪后的光谱分布，观察激光谱线的狭窄程度，体会其单色性优势。3.相干性观测（双缝干涉实验）：（1）在光具座上依次放置激光器、双缝干涉装置、光屏，调节各部件共轴，使激光垂直入射到双缝。（2）观察光屏上的干涉条纹，记录条纹的形状、间距；用米尺测量双缝到光屏的距离D，用游标卡尺测量双缝间距d和相邻干涉条纹间距Δx。（3）根据双缝干涉公式λ=Δx·d/D，计算激光的波长，并与激光器标注波长对比，分析误差原因。4.光强分布观测：（1）将激光功率计的探头放置在激光光斑中心，记录光功率P₀；沿光斑直径方向缓慢移动探头，每隔0.5cm记录一次光功率值。（2）以探头移动距离为横坐标，光功率为纵坐标，绘制激光光斑的光强分布曲线，分析其分布特点（通常为高斯分布）。（四）实验结束操作1.先关闭激光器电源，待设备冷却后（约5分钟），再断开电源连接线。2.整理实验器材，将光学元件、测量工具放回原位，清洁实验台面。3.填写实验器材使用登记，记录设备运行状况。五、数据记录与处理（一）数据记录表格1.激光方向性测量表：激光器与光屏距离L（m）光斑直径d（mm）发散角θ（rad）平均发散角θ̄（rad）1.02.03.02.双缝干涉测量激光波长表：双缝间距d（mm）双缝到光屏距离D（m）相邻条纹间距Δx（mm）计算波长λ（nm）标注波长λ₀（nm）相对误差δ（%）632.8（氦氖激光）3.激光光强分布测量表：探头位置x（cm）0.00.51.01.52.0...光功率P（mW）（二）数据处理要求1.根据方向性测量数据，计算不同距离下的发散角，取平均值并分析激光方向性优于普通光的原因。2.利用双缝干涉数据计算激光波长，与标准值对比，计算相对误差，分析误差来源（如测量精度、光路调节、环境干扰等）。3.根据光强分布数据绘制分布曲线，判断是否符合高斯分布，说明激光光强集中的特点。六、注意事项1.激光具有高亮度，务必全程佩戴防护眼镜，严禁用眼睛直接直视激光束，避免造成视网膜损伤。2.开启激光器电源时，需缓慢调节电流，避免电流突变损坏设备；实验过程中若发现激光器异常发热、异响或无激光输出，应立即关闭电源并报告教师。3.光学元件（反射镜、透镜、双缝等）表面易沾染灰尘，严禁用手触摸，若需清洁，需用专用镜头纸轻轻擦拭。4.调节光路时，各光学元件需保持共轴，动作轻柔，避免碰撞或损坏器材。5.实验过程中保持环境安静，避免强光干扰（如关闭室内照明灯、拉上窗帘），确保观测结果准确。七、思考题1.激光产生必须满足哪三个核心条件？各条件的作用是什么？2.为什么氦氖激光器中需要加入氦气？它在粒子数反转过程中起到什么作用？3.对比激光与普通白光的单色性、方向性、相干性，说明两者的本质区别。4.在双缝干涉实验中，若增大双缝到光屏的距离D，干涉条纹间距会如何变化？若减小双缝间距d，又会如何变化？请结合公式说明。5.光学谐振腔的反射镜如果出现松动或污染，会对激光输出产生哪些影响？八、实验报告要求1.实验报告需包含实验名称、实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤、数据记录与处理、实验结果与分析、思考题解答等部分。2.数据记录需真实、准