实验四激光纵模特性实验

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1、实验四激光纵模特性实验一、实验目的1.了解F-P扫描干涉仪的结构和性能，掌握其使用方法。2-加深激光器物理概念的理解，掌握纵模分析的某木方法。二、实验装置共焦球面扫描干涉仪，高速光电接收器及其电源鋸齿波发生器，示波器，気氖激光器及其电源。三、实验原理1、激光器的振荡模式激光器内能够存在的稳定光振荡的形式称为激光模式。激光模式分为纵模和横模两类。纵模描述了激光器输出光類率的个数;横模描述了在垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。徼光的线宽和相干长度由纵模决定，而光束发散角、光斑直径和能量的横向分布则由横模决定。我们用符号来描述激光谐振腔

2、内电磁场的情况。代表横向电磁场，m、n下标表示沿垂直于传播方向某特定横模的阶数，q表示纵模的阶数。一般Q可以很大，m、n都很小。角、光斑直径和能量的横向分布则巾横模决定。我们用符号“TEM_q”來描述激光谐振腔A电磁场的情况。代表横向电磁场，m、n下标表示沿垂直于传播方向某特定横模的阶数，q表示纵模的阶数。一般q可以很大，m、n都很小。2.激光器模的形成激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。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，巾于自发辐射和受激辐射的作用，将有一定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益

3、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，不过是光中心波长而已）。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自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽迭加而成。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632.8mn谱线，则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈岛斯函数分布，宽度约为1500MHz，只有频率落在展宽范围闪的光在介质巾传播时，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

4、往返传播中形成稳定持续的振荡，才有激光输出的可能。而形成持续振荡的条件使谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍，即：2nL=q入q这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强，其它则相互抵消。式中,y是折射率，对气体UA1，L是腔长，Q是正整数，每一，个Q对应纵向-•种稳定的电磁场分布人q，叫一个纵模，Q称作纵模序数。Q是一个很大的数，通常我们不需要知道它的数值。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）,我们还可以看出，这也是驻波形成的条件，腔P、j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H。

5、纵模的频率为同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔从式中看出，相邻纵模间隔和激光器腔长成反比。腔长越长，△V纵越小，满足震荡条件的纵模个数越多；相反腔越短.△V纵越大，在同样的增宽范围内，纵模个数就越少，因而用短腔氏的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。以上我们得出纵横具有的特征是：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。四、实验步骤1）点燃激光器，待出光稳定。2）调整扫描干涉仪光路。首先加入光阑，使激光束从光阑小孔垂直通过，调整扫描干涉仪共焦腔上下、左右位置，使光束正入射

6、孔屮心，再细调共焦腔夹持架上儿个俯仰旋钮，使从干涉仪入射孔内腔镜反射出的最亮的光点（光斑）回到光阑小孔的屮心附近，这时表明入射光束和扫描干涉仪共焦腔的光轴基本重合。3）将光电探测琢大器的接收孔对准从共焦腔后出射的光点（如果看到有明显两个光点出射，需要进一步调整共焦腔的位置，使两个光点合一）。用Q9电缆将扫描干涉仪与共焦球面扫描干涉仪控制器的锯齿波输出连接，光电接收器与共焦球而扫描干涉仪的探测器电源连接,共焦球面扫描千涉仪的锯齿波监测接示波器的CH1，信号输出接示波器的CH2.打汗共焦球驵扫描干涉仪、示波器的电开关，观察示波器上的展现的频谱

7、图，进一步细调干涉仪的两个方位螺丝，使谱线尽量强，噪声最小。4）改变银齿波输出电压的峰值，看示波器上干涉序的数FI有何变化，确定示波器上应展示的干涉序个数。在锯齿波一个下降沿（或一个上升沿）范围内观察，根据干涉序个数和频谱的周期性，确定哪些模属于同一k序。5）根据自由光谱范围的定义，确定它所对应的频率间隔（即哪两条谱线间距为AvS，R，），为减少测量误差，需要对x轴增幅，测出与AvS.R.相对应的标尺长度，计算出两者比值，即每厘米（格）代表的频率间隔值。6）.在冋-干涉序k内观测，麵纵模定义对照频谱特征，确定纵模的个数，并根据之前算出的每

8、格对应的频率间隔值，推测出纵模频率间隔AvAq=l。算出的理论值比较，检查辨认和测量的值是否正确。实验川扫描干涉仪实际自由光谱范围AvS.R.为2.5GHz。五、实验现象及感悟实验中的获得的结