模的耦合及横模纵模观测实验

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1、模的耦合及横模、纵模观测实验人：林晔顺023012037合作人：林宗祥组号：A8【实验目的】1.对气体激光器的性质进一步了解。2.掌握应用气体激光器的调节方法。3.了解共振模的耦合和匹配概念。4.仔细调节模耦合装置，观察横模和模的耦合现象。5.纵模的观测。【实验仪器】He-Ne激光管２支、表座２个、WSS夫焦球面扫描干涉仪、激光电源、JPM-1激光光谱扫描分析仪【实验基本原理】1．横模的概念横摸是描述激光光斑上的能量分布情况，是指激光束横截面上的光强分布。光场在横向不同的稳定分布，通常称为不同的横模：基模和高阶模。基模和高阶模的区别在于光斑形状，光

2、斑没有出现分瓣的，分布均匀的，就是基模。反之出现了分瓣现象的就是高阶模。基模用表示，它具有最小的衍射损失，其辐射照度分布在垂直于光轴的任何截面都具有高斯形状。高阶模用表示，表示横模序数，即在光轴垂直的任一平面内，光强分布在x,y方向的极小值数目。轴对称　　　　　　　　　旋转对称　　　　　　图１　激光的各种横模图形82．共振模的耦合和匹配的理论概述激光器谐振腔产生的基模注入到另一个谐振腔或光学传输线中去，它会产生基模以处的其他模式。若能选择适当的匹配参数，可以使基模得到很大的耦合系数。如图２所示，当激光从左方射向右方时，到达参考平面Ａ上的横模光斑半径

3、分别为，等相位面曲率半径分别为。当，或者说参考平面两边基模参数完全相同时，基模间达到完全匹配。左方入射基模的能量完全转换为右边基模的能量。在其它非完全匹配的情况下，左方基模的能量将转换为右面方多种不同模场的能量，而其中转换为右方基模的能量比率由小于１的匹配因子Ｋ来表征。图23．激光的纵模概念及纵模间隔激光器谐振腔内获得振荡的不同波长成分具有不同的波形，沿腔的轴线方向（纵向）形成驻波，驻波的波节数由q决定。通常将由整数q所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模。不同的q值相应于不同的纵模。纵模是与激光腔长度相关的，是描述激光频率的。激光器的振荡纵模数目由腔

4、长、工作物质的增益线宽和激励水平等因素决定的。腔长Ｌ，光波反射加强的条件：图3谐振腔内的纵模为纵模个数。由于产生激光的某一单色光谱线的固有宽度和多普勒展宽，及激光的发出的光波长的限制,能获得干涉加强的模数，还是有限几个。84．共焦球面扫描干涉仪共焦球面扫描干涉仪是一个激光谐振腔，结构如图４所示：图4扫描干涉仪结构示意图1为低膨胀系数材料制成的间隔圈，保证R1和R2两透镜的焦点重合，2为电源陶瓷，在压电陶瓷外壁上加上一定幅度的电压，压电陶瓷的长度就会发生变化，长度的变化量与电压成正比，其值在光波波长的量级，不会影响共焦腔的状态。如图５所示：激光以小角

5、度入射,在腔内走X形回路,光程为4L的整数倍，在Ａ、Ｂ两处光可透出，因此形成两束光。如果相邻两束光光程差为波长的整数倍，则透射光束相干叠加时输出光强为极大值。即满足：当入射光束的波长变为，这图5共焦球面干涉仪光路图时只要改变扫描干涉仪的电压，使腔长变为，满足：4，透射光束也能出现干涉极大值。腔长与透射极大值的波长之间有线性关系，由于腔长与光波长比很大，所以有无限个不同波长的光波符合加强反射的条件，即：对上式微分，得：两邻近模，，它们的波长差和自由光谱范围分别为：和在一定范转内调节扫描电压，观察干涉极大值的个数，即可得到纵模的个数。8【实验装置图及实

6、验技术】1．模的耦合和横模观测需要用到２支He-Ne激光管（１支作激光光发射源，１支仅用其谐振腔）、小孔光阑及显微目镜。装置连接如图６：图6横模观测装置图左边激光器发出各种模式的光束通过小孔光阑进入右边谐振腔，在显微目镜中观察可以看到激光光斑不断变化，有时还可能闪出旋转对称的高次模。这种变化是周而复始的，而变化的快慢则与激光源的温度和所受外界的扰动有关。2．纵模及纵模间隔观测需用到１支He-Ne激光管、WSS共焦球面扫描干涉仪、JPM-1激光光谱扫描分析仪及激光电源。装置连接如图７：图7纵模观测装置图激光的模式可通过光电探头在示波器上直接观察到。根

7、据需要可以改变锯齿波的电压及周期，加大扫描电压周期能使激光模式周期性出现，此时即可观察到激光纵模个数。8【实验步骤】1.模的耦合及横模观察（１）按图６确认各装置连接正确。（２）调节各元件共轴，首先目测，使各元件大致在一条直线上，利用小孔光阑调整光轴，使右边谐振腔的毛细管与光轴重合，从其后通过目镜观察模式图形，并记录下来。（３）根据观察绘制出各个模式的图形。（４）对左边激光管扇风使其轻微振动，观察各种迅速变化的模式。2.纵模及纵模间隔观察（１）按图７确认各装置连接正确。（２）调节激光器及共焦球面扫描干涉仪，能在示波器上观察到激光的输出模式的电信号。（

8、３）改变扫描电压的强度和周期，观察周期性的信号，数出纵模个数。【实验记录及结果分析】实验时间：2005-3-2814：30