激光模谱实验_指南.pdf

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1、He-Ne激光器谐振腔调节与模谱分析实验注意事项1不要随意实用或操作未经允许的实验仪器或装置。2注意激光安全。绝对不可用眼直视激光束，或借助有聚光性的光学组件观察激光束，以免损伤眼睛。3He-Ne激光器电源有高压输出，严禁接触电源输出和激光头的输入端，以防触电。4严禁用手或其他物品接触所有光学元件的光学表面（如激光管输出端和反射镜片的表面）。5支架上的调整螺丝，只可微量调整。过度的调整，会损坏仪器。激光模谱实验预习要求1了解He-Ne激光器的基本结构和工作原理。2明确本实验的主要实验目的。3能够简要说明激光器

2、谐振腔的结构及输出激光模谱特性。4明确本实验拟完成的主要实验和观测内容。一、实验目的1学习半外腔式He-Ne激光器谐振腔的共轴调节方法。2观察He-Ne激光器的激光输出特性。3用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne激光器输出模谱。二、实验原理1He-Ne激光器谐振腔的共轴调节－激光准直法He-Ne激光器的谐振腔主要由放电毛细管和位于两端的反射镜构成。激光器谐振腔的共轴调节主要包括以下内容：（1）毛细管的直度调节；由于放电毛细管很细（内径只有1-2mm），毛细管必须有很好的直度才能保证激光能够顺利通过，毛细管的增益

3、截面才能得到有效利用。（2）两端反射镜的平行度调节；为使激光在两反射镜之间来回反射多次而不溢出腔外，使光波在腔内有足够的寿命，两反射镜之间就要保持很高的平行度才行。（3）毛细管和反射镜的垂直度调节；只有毛细管和反射镜高度垂直度，反射光波才能多次通过毛细管中的增益介质被放大。图1半外腔式谐振腔结构示意图1图2激光准直法光路示意图本实验主要学习用激光准直法对激光谐振腔的平行度和垂直度进行调节。图1所示为本实验所用的He-Ne激光器谐振腔的结构示意图。图2为用激光准直法调节谐振腔的光路示意图。图中，LD为一小功率半

4、导体激光器，SL为一小孔光拦。当激光器因为谐振腔失谐不出光时，可通过以下步骤调节出光：（1）将谐振腔的部分反射镜（输出镜）先拿掉。初步调整He-Ne激光管支架上的微调旋钮使激光管位于支架中心且与导轨基本平行。（2）通过在导轨上前后移动小孔光栏和调整LD支架的方向调节旋钮，使激光束与导轨平行且高度合适（参考He-Ne激光器毛细管的位置，使激光束与毛细管高度尽量相同）。将小孔光拦靠近LD，并使激光束通过小孔中心。（3）微调He-Ne激光管支架上的微调旋钮，使LD激光束准确穿过毛细管中心，并经全反射镜反射后沿原光路

5、返回。此时在小孔光拦上可看到返回的光斑刚好聚焦到小孔附近。（4）将取下的部分反射镜放回原处并固定好（要使激光束通过中间的反射膜）。微调反射镜支架的微调旋钮，使由反射镜反射回的LD激光也刚好回到小孔光拦的小孔上。此时He-Ne激光器应该有激光产生（如果看不到激光产生，说明调节不够精确，需重复上述调节过程直到有激光输出）。（5）关闭半导体激光器。用激光功率计测量激光输出功率；并进一步微调输出反射镜支架的微调旋纽，使激光输出功率达到最大。2输出激光的模式（1）纵模。光在谐振腔内来回反射时，要使谐振腔内能形成稳定的光

6、场分布，光在腔内一个来回的光程必须是波长的整数倍，即2μL=qλq，（1）其中μ为增益介质的折射率，L是谐振腔的腔长，q为整数。每个q对应一种可能的输出波长，称为一个纵模。（2）横模。通常，由于光波衍射，一谐振腔输出光场的横截面会产生几种可能的分布形式，如图3所示，称为横模。2图3不同横模模式激光强度分布示意图表示激光模式的常用符号为TEMmnq，或简写为TEMmn.(TEM:TransverseElectromegnaticMode)。严格的理论分析可以证明，对于一般稳定球面腔，其可能的谐振频率为：1/2c

7、L⎧⎪1−1⎡⎤L⎫⎪ν=+⎨qm(1+n+−)cos⎢⎥(1)(1)−⎬，（2）mnq2μπLRR⎩⎭⎪⎣⎦12⎪其中，q就是纵模序数，m、n则为横模序数。因此，相邻两个纵模的频率间隔为（对应同一横模序数m和n）：cΔνΔq=1=，（3）2μL相邻两个横模的频率间隔为(对应同一纵模序数q)：1/2cL⎧⎫⎪⎪1−1⎡⎤LΔ=ν⎨⎬cos⎢⎥(1−−)(1)。（4）Δ+Δ=mn12μπLRR⎪⎪⎩⎭⎣⎦12由于He-Ne激光器的增益曲线宽度（增益大于损耗的范围）一般都大于谐振腔的纵模间隔，因此He-Ne激光器

8、都有多个纵模输出，如图4所示。G增益曲线纵模纵模间隔域值νq-2νq-1νqνq+1νq+2频率输出模谱图4激光模谱形成原理示意图用扩束镜将输出激光扩束后打倒一观察屏上，可以通过观察和测量光斑的横向强度分布特性，定性了解输出激光的横模情况。纵模则难以直接观察。由于不同纵模和横模的频率间隔一般都很小，必须用高分辨率的分光光谱仪器才能分开。最常用的定量观察和分析输出激光模谱特性的实验仪器是共焦球面扫描干