激光器模式分析

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1、He-Ne激光器模式分析一.实验目的1.了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，常握模式分析的基本方法。2.对本实验使用的重要分光仪器一一共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。3.用共焦球而扫描干涉仪测量He-Ne激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；4.观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，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、示波器等实验装置如I、•图三•实验原理单色性好是激光的特点之

2、一，即它可以具有非常窄的谱线宽度，这样窄的谱线，并不是从能级受激辐射就自然形成的.而是受激辐射后又经过谐振等多种机制的作用和相互干涉，最后形成了一个或多个离散，稳定乂很精细的谱线.这些谱线就是激光器的模。每个模对应一种稳定的电磁场分布，即具有一定的光频率。而相邻两个模的光频率相差很小，用分辨率比较高的分光仪器可以观察到每个模。当从与光输出的方向平行（纵向）和垂直（横向）两个不同的角度去观测和分析每个模时。乂发现它们分别具有许多不同的特征，为便于称呼每个模又可以相应叫做纵模和横模。1.激光器模的形成激光器的三个基本组成部分是增益介质，谐振腔，激励能量。如果用

3、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，由发辐射和受激辐射的作用,将冇一定频率和光波产生，有腔内传播，并被增益介质逐渐增强放大•被传播的光绝不是单一频率的。因能级有一定宽度，粒子在谐振腔内运动双受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是：自然增宽，碰撞增宽和多普勒增宽叠加而成。不同类型的激光器工作条件不同，以上诸影响有主次之分。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。而形成持续排振荡的条件

4、是，光在谐振腔中往返一周的波程差应是波长的整数倍，B

5、J：2吐=q码其中“是折射率，L是腔长，q是正整数。这止是光波相干极大条件，满足它的光将获得极大增强，其它则相互抵消。每一个q值对应一种纵向稳定的电磁场分布的波长為，称为一个纵模，q称为纵模序数，q是一个很大的数，通常不需要知道它的数值，只关心有儿个不同的q值，即有儿个不同的纵模。同时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值反映的也是驻波波腹的数目，纵模的频率为：Cv(/=qq2如一般不计算它，只关心相邻两个纵模的频率间隔：昭'2如2L由此可看出纵模的特征：相邻邦纵模频率间隔相等，它们的

6、相对强度由多普勒线型分布曲线决定。谐振腔对光的多次反馈，在纵向形成不同的场分布，对光斑的横向分布也会有影响。光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次衍射，多次反复衍射，就在同一波腹的横截面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。由此可知，任何一个模，即是纵模，又是横模，它同时有两个名称，只不过是对两个不同方向的观测结果分开称呼而已。一个模由三个量子数来表示，通常写作TEM,q是纵模标记，m和n是横模标记，ni是沿x轴场强为零的节点数，n是沿y轴场强为零的节点数.不同的纵模对应不同的频率，那么局于同一纵模序数

7、里的不同横模也对应不同的频率，横模序数越大，频率越高。一般不计算横模频率，只关心几个不同横模及不同的横模间的频率差。经推导有：=&]丄(A/?z+A/i)arccos(1一£][1一吕J2Am,分别表示x,y方向上横模模序差，R、，R?为谐振腔的两个反射镜的曲率半径，相邻横模频率间隔为：1LV厶菲=Av^=J-arccos1-—1-—兀/?.A1.共焦球而扫描T•涉仪共焦球而扫描干涉仪是一个无源谐振腔，市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，R}=/?2=L,反射镜有高反射膜，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

8、的压电陶瓷环上。扫描T•涉仪冇两个重要的性能参数(1)自由光谱范围当一朿激光以近轴方向轴入干涉仪后，在共焦腔中经四次反射呈x形，光程近似为4L,光在腔内每走一个周期都会有部分光从镜面透射出去，当外加电压使腔长变化到某一长度/“，正好使用权相邻两次透射光束的光程着是入射光中波长为加的这个模的波长的整数倍时，即：=Ua此吋模加将产生相干极大透射而其它波长的模则相互抵消。同理，外加电压又可使腔长变化成人，使波长人的模符合谐振条件，极大透射。而衣/等其它模又相互抵消。因此极大透射的波长值勤与腔长值间有一一对应关系，只要有一定幅度的电压来改变腔长，就可以使用权激光器

9、的所有不同波长的模依次产生相干极大透射，形成扫描。但若入射光波长范