激光的模式分析

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1、激光的模式分析摘要激光的模式结构是激光器性能指标中的一项重要内容。本实验基于激光模式的形成以及共焦球面扫描干涉仪的工作原理性能及使用方法等相关知识对He-Ne激光器的模式结构进行分析测量。主要说明了模式分析的基本原理，谐振腔的调整对激光的光场分布花样的影响及激光模式的形成，特点及物理形成机理。关键词激光模式分析横模纵模共焦球面扫描干涉仪引言第一台气体激光器是1961年由贾范Javan、贝内特Bennett和赫里奥特Herriott研制的氨氛激光器其输出波长为1.15um是不可见的红外氨氛激光器。经过40多年的发展目前氨氤激光器成为种类最多、容易制作、质量十分可靠、

2、应用广泛的激光器・。由于它结构简单非常直观地体现出激光器的三大组成部分即工作物质、谐振腔和激励电源因而成为最常用的连续工作气体激光器。激光的单色性好说明它具有非常窄的谱线宽度这样窄的谱线是受激辐射后经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉最后形成的一个或多个离散的、稳定的、又很精细的谱线这些谱线就是激光器的模。激光模式是激光的一个基本特性之一，它包括纵模和横模二种类型。激激光模式是反映激光特性的一个基本参数,依据不同的应用场合对激光模式参数有着不同的技术要求•在现代技术应用中，如定向、精密测量、全息技术等需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距等应用不仅要求基横模

3、而且要求单纵模运行的激光器•因此，激光模式分析是一项基本又重要的性能测试.目录摘要1关键词1引言2正文4一模的形成及解释4二模式分析的基本原理4三光学谐振腔及其作用4四共焦球面扫描干涉仪5五实验装置6六横模及纵模7七模式形成的条件8八实验的分析9九模式形成特点及物理形成机理11十谐振腔调节对激光器光场分布的影响12小结13参考书目13正文一模的形成及解释从波动观点看，模式是指电磁波运动的一种类型。在一个理想导电壁的封闭腔内，由于边界条件的限制，并不是任意波长的电磁波都可以腔内传播。激光的单色性好说明它具有非常窄的谱线宽度这样窄的谱线是受激辐射后经过谐振腔等多种机制

4、的作用和相互干涉最后形成的一个或多个离散的、稳定的、又很精细的谱线。这些谱线就是激光器的模。每个模对应一种非常稳定的电磁场分布即具有一定的光频率。在腔内由于前进波与反射波相互作用将建立起驻波，每个驻波系统就是腔的一个振动模。也可以说激光在谐振腔中形成的驻波场分布就是模式。当从与光输出方向平行纵向或垂直横向两个不同方向观测时发现其分别具有许多不同的特征为方便讨论分别称为纵模和横模。二模式分析的基本原理光波导内不是所有形式的光波场都能稳定存在，只有那些满足干涉相长的光场才是稳定的，每一种稳定存在的光波场分布叫做一种模式.这就是光波导模式的物理概念。当然，数学概念就需要

5、在柱坐标（圆形光波导）或者直角坐标系（矩形波导）下解麦克斯韦方程，以及亥姆霍兹方程。三光学谐振腔及其作用A全反镜B部分全反谐振腔光学谐振腔即在激光器的两端面对面装上两块反射率很高的镜子。一块几乎全反射另一块光大部分反射、少量投射出去以使激光可透过这块镜子而射出。被反射冋到工作介质的光继续诱发新的受激辐射光被放大。因此光在谐振腔中来回震荡造成连锁反应雪崩似的获得放大产生强烈的激光从部分反射镜子一端输出。光谐振动腔是开放式光腔，其模式可以理解为光在反射镜间多次衍射传播所形成的稳定场分布。不同模式有不同光波场空间分布。四共焦球面扫描干涉仪共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很

6、高的分光仪器，已成为激光技术中一种重要的测量设备。本文正是通过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都分不清的各个不同纵模、不同横模展现成频谱图来进行观测的。在本实验中，它起着关键作用。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，Rl=R2=lo共焦球面扫描干涉仪有两块凹面反射镜构成无源谐振腔，其中一块反射镜固定不动,另一块固定在压电陶瓷环上，可通过电压使腔长发生微小变化,只有当进入共焦腔的波长和共焦腔长满足41a=k入a时（k是一个正整数），这种波长的光才能相干极大透射，其他波长的模将

7、相互抵消，由于利用电压控制压电陶瓷可改变腔长，就可以将不同波长的模依次扫岀•从公式还可以推出，当干涉仪腔长改变到入d极大时,入a可能会再次出现极图2展现多个干涉序大,即:41d=kXd=（k+l）Xa,这样两个波长的模会被同时扫出,叠加在一起,为了防止重序，扫描干涉仪本身存在一个不重序的波长范围限制,即自由光谱。范围•习惯上用干涉仪扫出的不重序的最大波长厶入S.R.差或频率差△vS.R.来表示.可知△vS.R.=c41.当腔长变化一个入4时，波长为入的光改变一个干涉序数，当腔长变化m个入4时,干涉仪会扫出m个周期性重复的干涉序。五实验装置测量系统由激光器、共焦球面

8、扫描干涉仪