激光器偏振纵模和模竞争实验

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1、实验三激光器偏振、纵模和模竞争实验【实验目的31.了解F-P扫描干涉仪的结构和性能，掌握其使用方法;2.了解激光器的偏振特性，掌握激光偏振测量方法；3.了解激光纵模正交偏振理论与模式竞争理论。E实验原理】1.氦氖激光器原理与结构氦氖激光器（简称He-Ne激光器）由光学谐振腔（输出镜与全反镜）、工作物质（密封在玻璃管里的氦气、氖气）、激励系统（激光电源）构成。对He-Ne激光器而言培益介质就是在毛细管内按一定的气压充以适当比例的鉍氖气体，当鉍氖混合气体被电流激励吋，与某些谱线对应的上下能级的粒子数发生反转，使介质具

2、有增益。介质増益与毛细管长度、内径粗细、两种气体的比例、总气压以及放电电流等因素冇关。对谐振腔而言，腔长要满足频率的驻波条件，谐振腔镜的［ttl率半径耍满足腔的稳定条件。总之腔的损耗必须小于介质的增益，才能建立激光振荡。内腔式He-Ne激光器的腔镜封装在激光管两端，而外腔式He-Ne激光器的激光管、输出镜及全反镜是安装在调节支架上的。调节支架能调节输出镜与全反镜之间平行度,使激光器工作时处于输出镜与全反镜相互T行且与放电管垂宵的状态。在激光管的阴极、阳极上牢接着镇流电阻，防止激光管在放电时出现闪烁现象。氦氖激光器

3、激励系统釆用开关电路的直流电源，体积小，份量轻，可靠性高，可长吋间运行。2.1：氦氖激光器结构原理图:光器模的形成激光器的三个蕋本组成部分是堉益介质、谘振腔和激励能源。如果用某种激励方式，将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由丁•自发辐射和受激辐射的作用，将冇一定频率的光波产生,在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大。被传播的光波决不是单一频率的(通常所谓某一波长的光，不过是光屮心波长而已)。因能级有一定宽度，所以粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是ft然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽迭

4、加而成。不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低气压、小功率的He-Ne激光器6328A谱线，则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz,只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，还需要有谐振腔对它进行光学反馈，使光在多次往返传播屮形成稳定持续的振荡，冰有激光输出的可能。而形成持续振荡的条件是，光在谐振腔屮往返一周的光程差应是波K：的整数倍，EP:2pL=qAq(1)这正是光波相干极人条件，满足此条件的光将

5、获得极大增强，其它则相互抵消。式屮，K是折射率，对气体L是腔长，q是正整数，每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布入q，叫一个纵模，q称作纵模序数。q是一个很大的数，通常我们不需耍知道它的数值。而关心的是有几个不同的q值，即激光器有几个不同的纵模。从式(1)中，我们还讨以看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，q值反映的恰是驻波波腹的数目。纵模的频率为v,=q——(2)2//L同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔cCAv.v/=I=—(3)2"£2L从式屮看出，相邻纵模频率间隔

6、和激光器的腔长成反比。即腔越长，越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反腔越短，越大，在同样的增宽曲线范围内，纵模个数就越少，因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。以上我们得出纵模具有的特征是：相邻纵模频率间隔相等；对应同一横模的一组纵模，它们强度的顶点构成了多普勒线型的轮廓线。2：氦氖激光器结构原理任何事物都具有两重性，光波在腔内往返振荡吋，一方面有增益，使光不断增强，另一方面也存在着不可避免的多种损耗，使光能减弱。如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面透射损耗和放电毛细管的衍射损耗等。所以不仅要满足谐

7、振条件，还需要增益大于各种损耗的总和，才能形成持续振荡，有激光输出。如图2所示，增益线宽内里有五个纵模满足谐振条件，但从有三个纵模的增益大于损耗，能有激光输出。对于纵模的观测，由于q值很大，相邻纵模频率差异很小，眼睛不能分辨，必须借用一定的检测仪器才能观测到。谐振腔对光多次反馈，在纵向形成不同的场分布，那么对横向是否也会产生影响呢？答案是肯定的。这是因为光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次衍射。多次反复衍射，就在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的干涉光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个

8、横模。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的迭加，图3是几种常见的基本横模光斑阁样。TEMooTEMoiTEMoiTEMioTEMn3：几种常见的基本横模光斑图样总之，任何一个模，既是纵模，乂是横模。它同时有两个名称，不过是对W个不同方向的观测结果分丌称呼而已。一个模由三个量子数来表示，通常写作TEMmnq，q是纵模标记，m和n是横模标记，m是沿x轴场强为零的节点数，n