5-1氦氖激光器的模式分析实验报告0001

1、实验题目：氦氖激光器的模式分析实验条件： 室内温度 ， 相对湿度q1c2uL近代物理实验报告实验时间：2009 年 03 月 17 日， 第 三 周， 周 三 ， 第 5-8 节实验者：班级 材料 0705 学号 200767025 姓名 童凌炜同组者：班级 材料 0705 学号 200767007 姓名 车宏龙实验地点：综合楼 501指导教师： 得分：%， 室内气压实验仪器：（注明规格和型号）扫描干涉仪；高速光电接收器；锯齿波发生器；示波器； 半外腔氦氖激光器及电源；准直用氦氖激光器及电源；准直小孔实验目的：（ 1） 了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法；（ 2） 学习观测激光束横模、纵模的实

2、验方法。实验原理简述：1. 激光器模式的形成 激光器由增益介质、谐振腔、激励能源三个基本部分组成。如果用某 种激励的方式， 使介质的某一对能级间形成的粒子数反转分布， 由于 自发辐射的作用， 将有一定频率的光波产生，并在谐振腔内传播，被 增益介质增强、放大。形成持续振荡的条件是：光在谐振腔内往返一 周的光程差为波长的整数倍，即2uL q q满足此条件的光将获得极大的增强。每一个 q 对应纵向一种稳定的电磁场分布 q，叫一个纵模， q 称为纵模 序数。纵模的频率为c2uL相邻两个纵模的频率间隔为当光经过放电毛细管时，每反馈一次就相当于一次衍射，多次反复衍射，就在横向的同一波腹处形成一个 或多个稳

3、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。模式指激光器 内能够发生稳定光振荡的形式， 每一个膜，既是纵模，又是横模，纵模描述了激光器输出分立频率的个数， 横模描述了垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况。激光的线宽和相干长度由纵模决定，光束的发 散角、光斑的直径和能量的横向分布由横模决定。 ，一个膜由三个量子数表示，通常记作TEMmnq。横模序数越大，频率越高。不同横模间的频率差为：1/ 2mn,mnc 1( m2uLn) arccos (1 )(1R1L)R2相邻横模频率间隔为：1/2q 1 1 arccos (1 L )(1R1相邻横模频率间隔与纵模频率间隔

4、的比值是一个分数，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，分数值就越大。另外，激光器中产生的横模个数，除了与增益有关外，还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关。2. 共焦球面扫描干涉仪 共焦球面干涉仪用压电陶瓷作为扫描元件或用气压进行扫 描。2.1 共焦球面扫描干涉仪的机构和工作原理 共焦球面扫描干涉仪是一个无源腔，由两块球形凹面反射镜 构成，两块镜的曲率半径和腔长相等(即R1=R2=l，构成共焦腔)。其中一块反射镜固定不动，另一块反射镜固定在可随 外电压变化而变化的压电陶瓷环上。如右图所示，由低膨胀 系数材料制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜R1、R2总处于

5、共焦状态。当一束波长为 的光近轴入射到 干涉仪内时，在忽略球差的条件 下，在共焦腔中经四次反射形成 一条闭合路径，光程近似为 4l， 如右图所示编号为 1 和 1'的 两组透光强分别为：T 2R 2 2 1 2I1I0(T2)1 ( 2R2)2sin2 1和 I1'R2I11 R21 R21为往返一次所形成的相位差，即2ul 2 /当 =k（ k 为任意整数）时即 4uL k 此时透射率有最大值， 如下式所表达：TmaxI1I2T2(1 R2 )2改变腔长 l 或介质折射率 ，可以使不同波长的光以最大透射率透射，实现光谱扫描。实验中在电陶瓷上加一线性电压，当外加电压使腔长变化到

6、某一值时，正好使相邻两次透射光束的光程差 是入射光中波长为 a 的这条谱线的整数倍时，即 4la k a并且此时只要有一定幅度的电压来改变腔长，就可以使激光器具有的所有不同波长的膜依次相干极大透过， 形成扫描。下图所示的为激光膜谱2.2 共焦球面扫描干涉仪的主要性能指标2.2.1 自由光谱范围自由光谱范围 （S.R.）是指扫描干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差。用频率表示为 S。R。=c/4l，为了保证频谱图上不重序，需要使 。SR。 。2.2.2 仪器的带宽 仪器的带宽 是指干涉仪透射峰的频率宽度，也是干涉仪能分辨的最小频差。2.2.3 精细常数精细常数是用来表示扫描干涉仪分辨本领的

7、参数，它的定义是：自由光谱宽度与最小分辨极限的比。这一比值用公式表达为：R1RS.R.S.R.3. 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，XF正比于干涉仪的自由光谱区 S.R，. X 正比于激光器相邻纵模的频率间隔 q， X1正比于 mn,00，由实验测出 X， X1的长度，并可以得到如下表达：mn,00 X1 1 L L 1/2 ( m n) arccos(1 )(1 )XR1R2并可以可估计横模的阶次。实验步骤简述：1. 准直光源和外腔氦氖激光器已经调好，学生勿动。2. 取下输出镜、扫描干涉仪和接收器。3. 打开准直光源，检查进入和经反射后的激光束是否都能通过准直小

8、孔。4. 关闭准直光源，打开半外腔氦氖激光器的电源，调节好后，将输出镜固定，微调。5. 用卷尺测量激光器的腔长，算出激光器的纵模频率差和 1 阶横模的频差，根据干涉仪的曲率半径算出 干涉仪的自有光谱范围，再由给定的反射率计算出精细常数F。6. 将各仪器按照图 5-1-8 位置摆放好。7. 调整光路使得入射光束和扫描干涉仪的光轴重合。8. 打开锯齿波电源和示波器开关，适当调节锯齿波电源前面板上的幅值和频率按钮，使锯齿波有一定的 幅值和频率。9. 调节干涉仪上的两个方位螺丝，使谱线尽量强，噪声尽量小。10. 调节幅值和频率旋钮，是波形类似图 5-1-7.11. 测出 XF，根据计算得到自由光谱范围

9、和所需的x 轴增益，测出与自由光谱范围相对应的标尺长度，并计算二者比值，并确定每小格所代表的频率间隔值。12. 在同一个干涉序 k 内观测。根据纵模定义并对照频谱特征，确定纵模个数，测量X， X1，x，计算出纵模频率间隔，并与理论值比较，判断观测是否正确。13. 根据横模的频谱特征，确定在同一干涉序k 内有几个不同的横模，并测出不同的横模频率间隔 m+n，并与理论值比较。实验个部件连接方式如下图所示：半外腔激光器的纵模频差为cq1 q 1 2uL3 10 m/s 0.439GHz2 0.341m原始数据、 数据处理及误差计算：1. 记录半外激光器的腔长：L=341.0mm2. 计算：精细常数

10、FR0.990.99 311.01761R1 0.99自由光谱范围S.R =c/4l=(3E8m/s)/(4*0.020m)=3.75GHz以下为半外腔激光器的相关参数理论值计算：半外腔激光器的横模频差为1/2q 1 1 arccos(1RL2)0.439GHz 1 arccos11/20.431m 0.1GHz 1m3. 记录XF=40个单位格 X=5 个单位格 X1=1 个单位格 x=0.75 个单位格以下为半外腔激光器相关参数的实测值计算：计算 S.R /XF=0.09375GHz每格 则纵模频差Xq 1 0.46875GHzX F SR横模频差为X1m n 1'0.09375G

11、Hzm n 1 X FSR模的半值宽度 =x/ XF*S.R =0.0703GHz 根据实验结果推算出来的精细常数为F=S.R / =53.344. 两组结果的对比分析： 由以上数据对比可以看到， 纵模频差和横模频差的实测值与计算的理论值比较接近， 说明实验中的 测量方法以及思路能够正确地反映激光的一些特性参数。 而根据测量结果计算得到的精细常数却远远偏离了理论计算值， 估计误差出在半值宽度的读取上。 （当时示波器上的图形晃动较厉害， 影响了读数的精确性）5. 示波器上所显示的模谱图形：思考题， 实验感想， 疑问与建议：1. 什么是激光纵模？ 试估算腔长 L=250nm， HeNe 激光器发射

12、的 632.3nm 的激光最大可能有的纵模数。 光在谐振腔内往返一周的光程差为波长的整数倍时， 激光器内的光就可以被多次放大， 因而这 里表示整数倍关系的参数 q 必然都对应着对应纵向一种稳定的电磁场分布q，叫一个纵模。c已知纵模频差公式为 q 1 ，可以计算出这个激光器内发射出的激光的纵模频差为=6E8Hzq 1 2uL而线宽为 1500MHz ， 可以看出整个线分布内能容下两个频差宽度， 因而最大可能出现三个纵模。2. 如何判断实验光路中各元件是否同轴 判断是否同轴的前提是以激光光路作为标准轴。 这样只 要将元件放在光路上， 如果该元件能够将激光反射回激 光器内， 则说明元件与激光器同轴， 继而可以通过此 方法将各元件都调整为同轴。3. 用扫描干涉仪能测量激光谱线的线宽吗？ 可大致得到谱线宽度，如右图所示： 谱线中 q-1 ，q+1，在损耗之上， 都显示出来，可以通 过 q-1， q+1， q 三点大值位置，大致画出如途中所 示的曲线，可测出激光谱线宽度。 具体方法与本实验中计算纵模频率差的方法类似，量出 两谱线 （ q-2， q+2）的间隔为 X2， 根据关系式X2X F可算出谱线宽度。4. 实验感想与体会：通过本次实验， 我了解了关于 HeNe 激光器的工作原理， 激光