HeNe激光器模式分析

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1、实验二He-Ne激光器的模式分析一、实验目的1.用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne激光器的相邻纵模间隔，判别高阶横模的阶次。2.了解激光的频谱结构，掌握扫描干涉仪的使用方法及测定其性能指标的实验技能。3.观察激光器的频率漂移及跳模现象，了解其影响因素；观察激光器的输出横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。二实验设备He-Ne激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干涉仪、锯齿波发生器、放大器、示波器等三、实验原理1．激光的频率特性激光器的光学谐振腔内可存在一系列具有分立谐振频率的本征模式，但其中频率位于工作物质增益带宽

2、范围内，并满足阈值条件的本征模才会振荡形成激光。通常把激光光波场的空间分布，分解为沿传播方向（腔轴方向）的分布E(z)和垂直于传播方向在横截面内的分布E(x,y)，即谐振腔模式可分为纵模和横模，用符号TEMmn标志不同模式的模式分布。对激光束的模式进行频率分析，可以分辨出它的精细结构。由无源腔理论可知：共轴稳定球面谐振腔TEMmn模的频率为（2.1）式中m、n为横模阶次，q为纵模阶次，L为腔长，R1R2是腔面两反射镜的曲率半径，n是工作物质的折射率。当m=n=0时为基横模，而m或n≠0时叫做高阶横模。对于不同的横模（m、n不同

3、）有不同的横向光强分布，所以观察光斑图案或测量光强分布也能分析横模结构。但对于含有高阶横模的结构，则必须借助于频率分析才能分辨。由(2.1)式可知，q一定时，不同的横模对应有不同的振荡频率，其频率间隔为（2.2）式中：，。利用频率差，即可精细地分析激光的横模结构。不同纵模（即q值不同）对应有不同的纵向（沿腔轴线方向）光强分布，但这种差异是肉眼不能分辨的，而只能根据频率来分析纵模结构。相邻纵模的频率间隔为（2.3）可见，腔长越短，相邻纵模的频率间隔越大，在一定的增益带宽情况下，则有可能形成单纵模振荡。通常情况下，激光器包含有若干

4、纵模和横模。激光的横模源于光腔的衍射，横模阶次越高，光腔对它的衍射损耗越大，因而高阶横模的阈值高，相对来说不易产生激光振荡。2．共焦球面扫描干涉仪的工作原理共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射膜，曲率半径相同的凹面反射镜组成，其曲率半径R1R2和腔长L满足R1＝R2＝L，因此它们的近轴焦点重合，构成一共焦系统。如图2.1所示，两块反射镜中，一块固定不动，另一块固定在压电陶瓷环上，压电陶瓷环的长度变化量和所加电压成正比。当用一定幅度的锯齿波电压调制压电陶瓷环时，扫描干涉仪的腔长将在L附近发生微小变化（约波长量级）。图2.1共焦球面

5、扫描干涉仪简图当有某一波长为λ的光束近轴入射到干涉仪，可以证明，光线在干涉仪内经四次反射后恰好闭合（见图2.1），与起始光线的光程差为其中n为两块反射镜间介质的折射率，当满足（m为正整数）时，干涉仪对入射光有最大透过率。因此，改变腔长L即可实现光谱扫描。具体地说，用压电陶瓷环驱动M2，使该镜片在轴线方向作微小的周期性振动，从而使激光模式发生变化并依次通过干涉仪；激光由光电接收器转换成电信号，该信号经放大接到专用示波器的Y输入端，同时将改变腔长的锯齿波电压接到示波器的X输入端。这时，示波器的横向坐标就是干涉仪的频率，从而荧光屏上

6、显示的即为出透过干涉仪的激光模式频谱，如图2.2所示。图2.2示波器显示的激光模谱扫描干涉仪有以下性能指标：（1）自由光谱区。由（介质是空气，n=1）可知，当共焦腔长变化时，波长λ（q）的模可再次透过干涉仪。通常把腔长改变所对应的频率变化量()称为干涉仪的自由光谱区。如果小于激光工作物质的增益线宽，不同级的模式频谱就有可能重叠，这是应该避免的。（2）仪器带宽。仪器带宽是指干涉仪透射峰的频率宽度，也就是干涉仪能分辨的最小频差。通常，反射镜的反射率越高，调整精度越高，腔内损耗越小，则窄带越窄。（3）精细常数F。精细常数F是用来表征

7、扫描干涉仪分辨本领的参数。它的定义是：自由光谱区与最小分辨率极限宽度之比。即在自由光谱区内能分辨的最多的谱线数目。根据精细常数的定义精细常数的理论公式为（2.4）R为凹面镜的反射率，从（2.4）式子可以看出，F至与镜片的反射率有关。实际上还与共焦腔的调整精度、镜片的加工精度、干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。2．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。由图2.2可见，正比于干涉仪的自由光谱区，正比于激光器相邻纵模的频率间隔。当存在高阶横模时，可在基模旁边看到（如图中的），正比于（即

8、基模和高次横模的频率间隔）。由实验测得和，即可得由公式（2.2）和（2.3）可得（2.5）将测量值与根据式（2.5）计算的理论值相比较，可估计横模阶次（△m+△n）。3．实验装置图2.3实验装置示意图实验装置各部分的说明：(1)激光器本实验提供一支多模内腔式He-Ne激光器。