he-ne激光器谐振腔调整及纵横模观测

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1、He-Ne激光器谐振腔调整及纵横模观测相对一般光源，激光具有单色性好的特点，也就是说，它具有非常窄的谱线宽度。这样窄的谱线，不是受激辐射后自然形成的，而是受激辐射经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉后形成的。所形成的一个或多个离散的、稳定的又很精细的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。相邻两个模的光频率相差很小，我们用分辨率比较高的分光仪器可以观测到每个模。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，发现又分别具有许多不同的特征，因此，为方便每个模又相应称作纵模和横模。在激光器的生产与应用中，我们

2、常常需要先知道激光器的模式状况，如精密测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距等不仅要求基横模，而且要求单纵模运行的激光器。因此，模式分析是激光器的一项基本而又重要的性能测试。一、实验目的1．了解激光器的模式结构，加深对模式概念的理解。2．通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。3．对本实验使用的分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确使用。二、实验原理1．激光器模的形成我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，将有一

3、定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，如图2-1所示。实际上，由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响，增益介质的增益有一个频率分布，如图2-2所示，图中为光的增益系数。只有频率落在这个范围内的光在介质中传播时，光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，图2-1粒子数反转分布生激光还需要有谐振要产腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定、持续的振荡。形成持续振荡的条件是，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即（2-1）式中，为折射率，对气体≈1；为腔长；为正整数。这正是光波相干的极大条件，满足此条件的光将获得极

4、大增强。每一个对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫作一个纵模，称作纵模序数。是一个很大的数，通常我们不图2-2光的增益曲线需要知道它的数值，而关心的是有几个不同的值，即激光器有几个不同的纵模。从（2-1）式中，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式存在的，值反映的恰是驻波波腹的数目，纵模的频率为（2-2）同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔（2-3）从（2-3）式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，相邻纵模频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反，腔越短，相邻纵模频率间隔越大，在同样的增益曲线范围内，纵模个数

5、就越少。因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强；另一方面也存在着多种损耗，使光强减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面的透射损耗、放电毛细管的衍射损耗等。图2-3纵模和纵模间隔所以，不仅要满足谐振条件，还需要增益大于各种损耗的总和，才能形成持续振荡，有激光输出。如图2-3所示，有五个纵模满足谐振条件，其中有两个纵模的增益小于损耗，所以，有三个纵模形成持续振荡。对于纵模的观测，由于值很大，相邻纵模频率差异很小，一般的分光仪器无法分辨，必须使用精度较高的检测仪器才能观测到。谐振腔对光多次反馈，在纵向形成不同的

6、场分布，那么对横向是否也会产生影响呢？回答是肯定的，这是因为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，就在横向形成了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。图2-4中，给出了几种常见的基本横模光斑图样。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加。激光的模式用来表示，其中，、为横模的标记，为纵模的标记。是沿X轴场强为零的节点数，是沿Y轴场强为零的节点数。图2-4常见的横模光斑图前面已知，不同的纵模对应不同的频率，那么同一个纵模序数内的不同横模又如何呢？同样，不同的横模也对应不同的频率。横模序数越大，频率越高

7、。通常我们也不需要求出横模频率，我们关心的是不同横模间的频率差。经推导得（2-4）其中，、分别表示X、Y方向上横模模序差，、为谐振腔的两个反射镜的曲率半径，相邻的横模频率间隔为（2-5）从上式中还可看出，相邻的横模频率间隔与相邻的纵模频率间隔的比值是一个分数，如图2-5所示。分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定，腔长与曲率半径的比值越大，分数值越大。当腔长等于曲率半径时（），分数值达到极大，即横模间隔是纵模间隔的1/2，横模序数相差为2的谱线频率正好与纵模序数相差为1的谱线频率简并。图2-5纵模、横模的分布激光器中能产生的横模个数，除前述增益因素外