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时间:2018-07-24
《实验三_共焦球面扫描干涉仪与he-ne 激光器的模式分析》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、实验三He-Ne激光器纵模间隔的测量一、实验目的用共焦球面扫描干涉仪观察He-Ne激光器纵模结构并测量其间隔。二、基本原理1.激光纵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,由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
2、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632.8nm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是,光在谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍,即(1)这正是光波相干极大
3、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,n是折射率,对气体n≈1,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λq,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)中,我们还可以看出,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(2)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(3)从式中看出,相邻纵模频率间隔和激光器的腔长
4、成反比。即腔越长,Δν纵越小,满足振荡条件的纵模个数越多;相反腔越短,Δν纵越大,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。页5图1任何事物都具有两重性,光波在腔内往返振荡时,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。所以不仅要满足谐振条件,
5、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1所示,图中,增益线宽内虽有五个纵模满足谐振条件,但只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。2.共焦球面扫描干涉仪图2共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器,已成为激光技术中一种重要的测量设备。实验中使用它,将彼此频率差异甚小(几十至几百MHz),用眼睛和一般光谱仪器不能分辨的纵模展现成频谱图来进行观测。它在本实验中起着不可替代的重要作
6、用。共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔。由两块球形凹面反射镜构成共焦腔,即两块镜的曲率半径和腔长相等,R1=R2=l。反射镜镀有高反射膜。两块镜中的一块是固定不变的,另一块固定在可随外加电压而变化的压电陶瓷上。如图2所示,图中,①为由低膨胀系数制成的间隔圈,用以保持两球形凹面反射镜R1和R2页5总是处在共焦状态。②为压电陶瓷环,其特性是若在环的内外壁上加一定数值的电压,环的长度将随之发生变化,而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关系,这正是扫描干涉仪被用来扫描的基本条件。由于长度的变化量很小,仅为波长数
7、量级,它不足以改变腔的共焦状态。但是当线性关系不好时,会给测量带来一定的误差。扫描干涉仪有两个重要的性能参数,即自由光谱范围和精细常数常要用到,以下分别对它们进行讨论。(1)自由光谱范围图3当一束激光以近光轴方向射入干涉仪后,在共焦腔中经四次反射呈x形路径,光程近似为4l,见图3所示,光在腔内每走一个周期都会有部分光从镜面透射出去。如在A,B两点,形成一束束透射光1,2,3...和1′,2′,3′...,这时我们在压电陶瓷上加一线性电压,当外加电压使腔长变化到某一长度la,正好使相邻两次透射光束的光程差是
8、入射光中模的波长为λa的这条谱线的整数倍时,即(4)此时模λa将产生相干极大透射,而其它波长的模则相互抵消(k为扫描干涉仪的干涉序数,是一个整数)。同理,外加电压又可使腔长变化到lb,使模λb符合谐振条件,极大透射,而λa等其它模又相互抵消……。因此,透射极大的波长值和腔长值有一一对应关系。只要有一定幅度的电压来改变腔长,就可以使激光器全部不同波长(或频率)的模依次产生相干极大透过,形成扫描。但值得注意的是,若入射光波长范围超
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