5-1 氦氖激光器的模式分析 实验报告

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1、氦氖激光器的模式分析8近代物理实验报告指导教师：得分：实验时间：2009年03月17日，第三周，周三，第5-8节实验者：班级材料0705学号200767025姓名童凌炜同组者：班级材料0705学号200767007姓名车宏龙实验地点：综合楼501实验条件：室内温度℃，相对湿度%，室内气压实验题目：氦氖激光器的模式分析实验仪器：（注明规格和型号）扫描干涉仪；高速光电接收器；锯齿波发生器；示波器；半外腔氦氖激光器及电源；准直用氦氖激光器及电源；准直小孔。实验目的：（1）了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法；（2）学习观测激光束横模、纵模的实验方法。实验原理简

2、述：1.激光器模式的形成激光器由增益介质、谐振腔、激励能源三个基本部分组成。如果用某种激励的方式，使介质的某一对能级间形成的粒子数反转分布，由于自发辐射的作用，将有一定频率的光波产生，并在谐振腔内传播，被增益介质增强、放大。形成持续振荡的条件是：光在谐振腔内往返一周的光程差为波长的整数倍，即满足此条件的光将获得极大的增强。每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布λq，叫一个纵模，q称为纵模序数。纵模的频率为相邻两个纵模的频率间隔为因此可以得知，缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的办法之一。氦氖激光器的模式分析8当光经过放电毛细管时，每反馈一次就相当于一次

3、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衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。模式指激光器内能够发生稳定光振荡的形式，每一个膜，既是纵模，又是横模，纵模描述了激光器输出分立频率的个数，横模描述了垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。激光的线宽和相干长度由纵模决定，光束的发散角、光斑的直径和能量的横向分布由横模决定。，一个膜由三个量子数表示，通常记作TEMmnq。横模序数越大，频率越高。不同横模间的频率差为：相邻横模频率间隔为：相邻横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，分数的大小由激光器的腔长和

4、曲率半径决定，腔长与曲率半径的比值越大，分数值就越大。另外，激光器中产生的横模个数，除了与增益有关外，还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关。1.共焦球面扫描干涉仪共焦球面干涉仪用压电陶瓷作为扫描元件或用气压进行扫描。2.1共焦球面扫描干涉仪的机构和工作原理共焦球面扫描干涉仪是一个无源腔，由两块球形凹面反射镜构成，两块镜的曲率半径和腔长相等（即R1=R2=l，构成共焦腔）。其中一块反射镜固定不动，另一块反射镜固定在可随外电压变化而变化的压电陶瓷环上。如右图所示，由低膨胀系数材料制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜R1、R2总处于共焦状态。当一束波长

5、为λ的光近轴入射到干涉仪内时，在忽略球差的条件下，在共焦腔中经四次反射形成一条闭合路径，光程近似为4l，如右图所示编号为1和1’的两组透光强分别为：和β为往返一次所形成的相位差，即氦氖激光器的模式分析8当β=kπ（k为任意整数）时即此时透射率有最大值，如下式所表达：改变腔长l或介质折射率μ，可以使不同波长的光以最大透射率透射，实现光谱扫描。实验中在电陶瓷上加一线性电压，当外加电压使腔长变化到某一值时，正好使相邻两次透射光束的光程差是入射光中波长为λa的这条谱线的整数倍时，即并且此时只要有一定幅度的电压来改变腔长，就可以使激光器具有的所有不同波长的膜依次

6、相干极大透过，形成扫描。下图所示的为激光膜谱2.2共焦球面扫描干涉仪的主要性能指标2.2.1自由光谱范围自由光谱范围（S.R.）是指扫描干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差。用频率表示为△νS。R。=c/4l，为了保证频谱图上不重序，需要使△νS。R。>△ν。2.2.2仪器的带宽δν仪器的带宽δν是指干涉仪透射峰的频率宽度，也是干涉仪能分辨的最小频差。2.2.3精细常数精细常数是用来表示扫描干涉仪分辨本领的参数，它的定义是：自由光谱宽度与最小分辨极限的比。这一比值用公式表达为：1.激光模式的测量利用扫描干涉仪可以测定激光器输出模式的频率间隔，△X

7、F正比于干涉仪的自由光谱区△νS.R.，△X正比于激光器相邻纵模的频率间隔△νq，△X1正比于△νmn,00，由实验测出△X，△X1的长度，氦氖激光器的模式分析8并可以得到如下表达：并可以可估计横模的阶次。实验步骤简述：1.准直光源和外腔氦氖激光器已经调好，学生勿动。2.取下输出镜、扫描干涉仪和接收器。3.打开准直光源，检查进入和经反射后的激光束是否都能通过准直小孔。4.关闭准直光源，打开半外腔氦氖激光器的电源，调节好后，将输出镜固定，微调。5.用卷尺测量激光器的腔长，算出激光器的纵模频率差和1阶横模的频差，根据干涉仪的曲率半径算出干涉仪的自有光谱范围

8、，再由给定的反射率计算出精细常数F。6.将各仪器按照图5-1-8位置摆放好。7.调整光路使得入