激光调腔与纵横模分析实验报告

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1、激光调腔与纵横模分析实验报告摘要：通过本实验了解了激光原理，光学谐振腔的结构。掌握诮振腔的模式稳定原则，并学会用设计一个稳定的激光谐振腔。同时掌握激光模式分析的基木方法，加深对K物理概念的理解。最后了解共焦球面扫描干涉仪的工作原理，性能。关键词：光学谐振腔，氦氖激光器模式分析一、实验原理1.激光原理与光学谐振腔一个激光器极包括光放人器和光谐振腔两部分，对于光腔的作用，至少应该归结为两点:模式选择和提供轴向光波模的反馈。在本实验中的光放大器为氦一氖激光管。2.模式稳定原则在激活物质两端恰当的放a两个反射镜片，就构成一个最简单的光学谐振腔。光学谐振腔的分类大

2、致为：闭腔、开腔（稳定腔、非稳腔、临界腔）和气体波导腔。本实验中采用的是一种开放式的共轴球面稳定腔，iii两块具有公共轴线的球面镜构成。对于球面镜腔的稳定条件，可由儿何光学理论來讨论，运川矩阵乘法法则，卯将矩阵元川参数gl和g2表示，其屮tLLSi=1~—»得到球面镜腔的稳定条件：°<^1^2

3、件足，光在谐振腔中往返-•周的光程差应足波长的整数倍，即2nL=qAq这正是光波相干极人条件，满足此条件的光将获得极人增强，其它则相互抵消。式中，n是折财率，对气体n&l，L是腔长，q是正整数，侮一个q位对应一种纵h'J稳定的电磁场分布的波长，称为一个纵模，q称作纵模序数，q足一个很大的数，通常我们不盂要知道它的数值，而关心的是有几个不同的q值，即激光器有几个不M的纵模。从式（9）中，我们还看出这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形成存在的，q值反映的恰是驻波波腹的数R,纵模的频率为，2L同样，一般我们不去计算它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔，可

4、看出，和邻纵模频率间隔和腔长成反比，腔越长，越小，满足振荡条件的纵模个数越多；腔越短，越人，在同样增宽曲线范ra内，纵模个数就越少，因而可用缩短腔长的办法获得单纵模运行激光器的方法之一。4.共焦球面扫描干涉仪共焦球面扪描干涉仪足一个无源谱振腔，由W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，R'=R2=I反射镜镀有高反射脱。两块镜屮的一块是间定不变的，另一块间定在可随外加电压而变化的压电陶瓷环上，如阁7,图中1为由低膨胀系数制成的间隔圈，用以保持两球形凹而反射镜R1和R2总是处在共焦状态；2为压屯陶瓷环，其特性是若在环的内外壁上加一定数值的

5、电压，环的长度将随之发牛.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川来扫描的基本条件，由于长度的变化景很小，仅为波长数景级，它不足以改变腔的共焦状态，但是当线性关系不好吋，会给测呈带来一定的误差。(1)自由光谱范围所谓自Ih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•或者表示。经推导，可得W入1加由于A与4间ffl差很小，可共用X近似表示△An=义2/4f用频率表示，即为=^/4/(2)精细常数精细常数F是用来表征扫描干涉仪分辨本领高低的参数，定义是：ft由光谱范围与最小分辨率限宽度之比，即在自

6、山光谱范围内能分辨的最多的鸱线数目，根裾精细常数定义p_^S.R.8K其中&就是丁•涉仪所能分辨出的最小波长差，我们用仪器测出的一个模的宽度△入代秤，从展幵的频谱图屮我们可以测定出F值的人小，精细常数的理论公式为nRr=l-RR为凹面镜的反射率，从上式看，F只与镜片的反射率奋关，实际上还与共焦腔的调整精度、镜片加工精度、T涉仪的入射和出射光孔的大小及使用时的准直精度等因素有关。其实际值应由实验来确定。二、实验内容1.实验仪器锯齿波监测He-Ne气体激光器的模式分析实验装置共焦球面扫描干涉仪主要性能指标1.反射镜（膜）：多层介质高反射膜；反射中心波长：63

7、2.8nm2.自由光谱区：2.5GHz（适用于氦氖）3.精细常数：〉1004.振子：锆钛酸铅压电陶瓷5.光电接收器：PIN光电接收器（含放人器）仪器工作条件：环境温度较稳定，无剧烈变化，相对湿度在85%以下1.实验内容•了解激光原理、光学谐振腔的结构。•掌握谐振腔的模式稳定原则，并学会用其设计一个稳定的激光谐振腔。•掌握激光校式分析的基本方法，加深对其物理概念的理解。•了解共焦球面打描丁•涉仪的工作原理、性能。2.实验步骤设计一个氦鉍激光器谐振腔，并调整使其输出激光•按照实验讲义的装a图连接好实验的仪器。注意不要讲激光管的电源正负极接反，丼且做实验的吋候

8、不要碰触接头。•首先，为了便于调节，先用肉眼粗略的将激光器的位置调节水平，然•将