激光原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)一、實(shí)驗(yàn)概述（一）實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)激光原理及基本特性觀測(cè)（二）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.理解激光產(chǎn)生的基本原理，掌握受激輻射、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光放大及光學(xué)諧振腔的核心作用。2.熟悉氦氖激光器（或半導(dǎo)體激光器）的結(jié)構(gòu)組成，了解各部件的功能與工作原理。3.學(xué)習(xí)激光基本特性的觀測(cè)方法，包括激光的單色性、方向性、相干性及光強(qiáng)分布。4.培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)記錄與分析能力，加深對(duì)激光與普通光本質(zhì)區(qū)別的認(rèn)識(shí)。（三）實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)2-3學(xué)時(shí)（根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容復(fù)雜度調(diào)整）（四）實(shí)驗(yàn)對(duì)象大學(xué)物理、光電信息科學(xué)與工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生二、實(shí)驗(yàn)原理（一）激光產(chǎn)生的基本條件激光（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）即受激輻射光放大，其產(chǎn)生需滿(mǎn)足三個(gè)核心條件：1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：在激勵(lì)源作用下，使工作物質(zhì)中處于高能級(jí)的粒子數(shù)大于低能級(jí)的粒子數(shù)，打破熱平衡狀態(tài)下的玻爾茲曼分布，為受激輻射占主導(dǎo)地位提供前提。2.受激輻射光放大：處于高能級(jí)的粒子在入射光子（光子能量等于高低能級(jí)能量差）的激勵(lì)下，躍遷到低能級(jí)并輻射出與入射光子頻率、相位、傳播方向完全相同的光子，實(shí)現(xiàn)光的放大。3.光學(xué)諧振腔：由兩塊相對(duì)放置的反射鏡（全反射鏡和部分反射鏡）組成，使放大后的光在腔內(nèi)來(lái)回反射，不斷激勵(lì)工作物質(zhì)產(chǎn)生更多受激輻射光子，形成光振蕩；同時(shí)篩選光子的傳播方向和頻率，使輸出激光具有良好的方向性和單色性。（二）常用激光器結(jié)構(gòu)（以氦氖激光器為例）1.工作物質(zhì)：氦氖混合氣體（He為輔助氣體，Ne為激活介質(zhì)），通過(guò)氣體放電實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2.激勵(lì)源：直流高壓電源，通過(guò)氣體放電將能量傳遞給氦氖原子，使Ne原子從基態(tài)躍遷到高能級(jí)。3.光學(xué)諧振腔：通常由鍍有多層介質(zhì)膜的石英玻璃反射鏡組成，一端為全反射鏡（反射率≈99.8%），另一端為部分反射鏡（反射率≈98%），激光從部分反射鏡端輸出。（三）激光的基本特性1.單色性：激光的頻率范圍極窄，單色性遠(yuǎn)優(yōu)于普通光（如太陽(yáng)光、白熾燈），氦氖激光器輸出激光的中心波長(zhǎng)約為632.8nm（紅光）。2.方向性：激光光子的傳播方向高度一致，發(fā)散角極小（通常在毫弧度量級(jí)），可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向傳播。3.相干性：激光是相干光，同一束激光的不同部分或兩束同源激光之間具有固定的相位差，可產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象。4.高亮度：激光能量高度集中，在極小的空間和時(shí)間內(nèi)可形成極高的光功率密度，亮度遠(yuǎn)高于普通光源。三、實(shí)驗(yàn)器材1.激光器：氦氖激光器（輸出功率1-5mW，波長(zhǎng)632.8nm）或半導(dǎo)體激光器（可選）；2.輔助光學(xué)元件：激光功率計(jì)、單色儀（或分光計(jì)）、光屏、雙縫干涉裝置、光具座、小孔光闌、偏振片、透鏡組；3.測(cè)量工具：游標(biāo)卡尺、米尺、示波器（可選，用于觀測(cè)光強(qiáng)脈沖信號(hào)）；4.其他：直流高壓電源（配套激光器）、遮光罩、防護(hù)眼鏡（激光專(zhuān)用）。四、實(shí)驗(yàn)步驟（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與安全須知1.熟悉實(shí)驗(yàn)器材的擺放位置與功能，檢查器材是否完好，連接是否正常。2.嚴(yán)格遵守激光安全操作規(guī)范：佩戴激光專(zhuān)用防護(hù)眼鏡，避免激光直接照射眼睛；禁止正對(duì)激光輸出口觀察；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持環(huán)境安靜，避免隨意移動(dòng)器材。3.連接激光器電源，確認(rèn)電源電壓、電流參數(shù)符合設(shè)備要求，待教師檢查無(wú)誤后再啟動(dòng)電源。（二）激光器結(jié)構(gòu)觀察與啟動(dòng)1.觀察氦氖激光器的外部結(jié)構(gòu)，識(shí)別工作物質(zhì)管、光學(xué)諧振腔反射鏡、電極接口、激光輸出窗口等部件，記錄激光器的型號(hào)、輸出功率、波長(zhǎng)等參數(shù)。2.緩慢開(kāi)啟直流高壓電源，調(diào)節(jié)電流至激光器正常工作范圍（通常為3-8mA），觀察激光輸出窗口是否有紅光輸出；若未輸出，需關(guān)閉電源檢查原因（如反射鏡位置、氣體壓強(qiáng)等），嚴(yán)禁擅自拆卸激光器。（三）激光基本特性觀測(cè)1.方向性觀測(cè)：（1）在光具座上放置激光器和光屏，調(diào)節(jié)兩者高度，使激光束垂直入射到光屏中心，記錄激光器與光屏的距離L（如L=1m、2m、3m）。（2）用游標(biāo)卡尺測(cè)量不同距離下激光光斑的直徑d，計(jì)算激光的發(fā)散角θ（θ≈d/L，單位：rad），記錄數(shù)據(jù)并分析激光方向性特點(diǎn)。2.單色性觀測(cè)（用單色儀測(cè)量）：（1）將激光器輸出的激光通過(guò)小孔光闌準(zhǔn)直后，入射到單色儀的入射狹縫。（2）調(diào)節(jié)單色儀的光柵轉(zhuǎn)角，通過(guò)出射狹縫后的光電探測(cè)器（或直接用光屏觀測(cè)）尋找激光的譜線，記錄對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)讀數(shù)λ?。（3）對(duì)比普通白光通過(guò)單色儀后的光譜分布，觀察激光譜線的狹窄程度，體會(huì)其單色性?xún)?yōu)勢(shì)。3.相干性觀測(cè)（雙縫干涉實(shí)驗(yàn)）：（1）在光具座上依次放置激光器、雙縫干涉裝置、光屏，調(diào)節(jié)各部件共軸，使激光垂直入射到雙縫。（2）觀察光屏上的干涉條紋，記錄條紋的形狀、間距；用米尺測(cè)量雙縫到光屏的距離D，用游標(biāo)卡尺測(cè)量雙縫間距d和相鄰干涉條紋間距Δx。（3）根據(jù)雙縫干涉公式λ=Δx·d/D，計(jì)算激光的波長(zhǎng)，并與激光器標(biāo)注波長(zhǎng)對(duì)比，分析誤差原因。4.光強(qiáng)分布觀測(cè)：（1）將激光功率計(jì)的探頭放置在激光光斑中心，記錄光功率P?；沿光斑直徑方向緩慢移動(dòng)探頭，每隔0.5cm記錄一次光功率值。（2）以探頭移動(dòng)距離為橫坐標(biāo)，光功率為縱坐標(biāo)，繪制激光光斑的光強(qiáng)分布曲線，分析其分布特點(diǎn)（通常為高斯分布）。（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)束操作1.先關(guān)閉激光器電源，待設(shè)備冷卻后（約5分鐘），再斷開(kāi)電源連接線。2.整理實(shí)驗(yàn)器材，將光學(xué)元件、測(cè)量工具放回原位，清潔實(shí)驗(yàn)臺(tái)面。3.填寫(xiě)實(shí)驗(yàn)器材使用登記，記錄設(shè)備運(yùn)行狀況。五、數(shù)據(jù)記錄與處理（一）數(shù)據(jù)記錄表格1.激光方向性測(cè)量表：激光器與光屏距離L（m）光斑直徑d（mm）發(fā)散角θ（rad）平均發(fā)散角θ?（rad）1.02.03.02.雙縫干涉測(cè)量激光波長(zhǎng)表：雙縫間距d（mm）雙縫到光屏距離D（m）相鄰條紋間距Δx（mm）計(jì)算波長(zhǎng)λ（nm）標(biāo)注波長(zhǎng)λ?（nm）相對(duì)誤差δ（%）632.8（氦氖激光）3.激光光強(qiáng)分布測(cè)量表：探頭位置x（cm）0.00.51.01.52.0...光功率P（mW）（二）數(shù)據(jù)處理要求1.根據(jù)方向性測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算不同距離下的發(fā)散角，取平均值并分析激光方向性?xún)?yōu)于普通光的原因。2.利用雙縫干涉數(shù)據(jù)計(jì)算激光波長(zhǎng)，與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比，計(jì)算相對(duì)誤差，分析誤差來(lái)源（如測(cè)量精度、光路調(diào)節(jié)、環(huán)境干擾等）。3.根據(jù)光強(qiáng)分布數(shù)據(jù)繪制分布曲線，判斷是否符合高斯分布，說(shuō)明激光光強(qiáng)集中的特點(diǎn)。六、注意事項(xiàng)1.激光具有高亮度，務(wù)必全程佩戴防護(hù)眼鏡，嚴(yán)禁用眼睛直接直視激光束，避免造成視網(wǎng)膜損傷。2.開(kāi)啟激光器電源時(shí)，需緩慢調(diào)節(jié)電流，避免電流突變損壞設(shè)備；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)激光器異常發(fā)熱、異響或無(wú)激光輸出，應(yīng)立即關(guān)閉電源并報(bào)告教師。3.光學(xué)元件（反射鏡、透鏡、雙縫等）表面易沾染灰塵，嚴(yán)禁用手觸摸，若需清潔，需用專(zhuān)用鏡頭紙輕輕擦拭。4.調(diào)節(jié)光路時(shí)，各光學(xué)元件需保持共軸，動(dòng)作輕柔，避免碰撞或損壞器材。5.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持環(huán)境安靜，避免強(qiáng)光干擾（如關(guān)閉室內(nèi)照明燈、拉上窗簾），確保觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。七、思考題1.激光產(chǎn)生必須滿(mǎn)足哪三個(gè)核心條件？各條件的作用是什么？2.為什么氦氖激光器中需要加入氦氣？它在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)過(guò)程中起到什么作用？3.對(duì)比激光與普通白光的單色性、方向性、相干性，說(shuō)明兩者的本質(zhì)區(qū)別。4.在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，若增大雙縫到光屏的距離D，干涉條紋間距會(huì)如何變化？若減小雙縫間距d，又會(huì)如何變化？請(qǐng)結(jié)合公式說(shuō)明。5.光學(xué)諧振腔的反射鏡如果出現(xiàn)松動(dòng)或污染，會(huì)對(duì)激光輸出產(chǎn)生哪些影響？八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.實(shí)驗(yàn)報(bào)告需包含實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟、數(shù)據(jù)記錄與處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析、思考題解答等部分。2.數(shù)據(jù)記錄需真實(shí)、準(zhǔn)