氦氖激光模式实验
氦氖激光器实验报告
氦氖激光器实验报告《氦氖激光器实验报告1》哎呀，老师说要做氦氖激光器实验的时候，我心里就像揣了只小兔子，既兴奋又紧张。
“这可是个超级酷的实验呢！”我对同桌说。
同桌眼睛放光，回应道：“是啊，感觉就像要去探索神秘宝藏一样。
”就像每次生日拆礼物的时候，那种期待感满满当当的。
那天走进实验室，各种仪器摆在那里，灯光有点暗黄，像是在暗示着这里即将发生神秘的事情。
我和同桌小心翼翼地走向放置氦氖激光器的地方，那感觉就像两个小探险家靠近神秘的魔法盒。
实验开始了，我们按照步骤连接线路。
“这根线插这儿对吗？”我有点不确定地问旁边的小组同学。
“我觉得是这样的。
”他挠挠头说。
这就像我们在玩拼图，每一块都得小心翼翼地放对位置。
当我们接通电源的那一刻，激光器发出了微弱的光，那光线就像黑暗中好不容易钻出来的小豆芽，那么微弱却又充满希望。
我忍不住欢呼起来：“哇，成功了一小步呢！”大家都笑了起来，那种喜悦就像在炎热的夏天吃到了最爱的冰淇淋。
这个小小的成功让我明白，哪怕是再复杂的事情，只要一步一步来，总会有收获。
《氦氖激光器实验报告2》“氦氖激光器？这名字听起来就很高级！”我刚听到这个实验项目就对朋友大喊。
朋友说：“那肯定超级有趣，就像科幻电影里的东西。
”就像我们看《星球大战》时对那些炫酷的激光武器充满向往一样。
来到实验室，那股淡淡的化学药品味道弥漫在空气中，有点刺鼻却又很熟悉，像是在提醒我这是个充满挑战的地方。
我看着那复杂的仪器设备，有点犯愁。
“这么多东西，从哪儿开始呢？”我嘟囔着。
这时老师走过来，拍拍我的肩膀说：“别慌，就像搭积木，一块一块来。
”我深吸一口气，开始摆弄那些仪器。
在调节镜片的时候，我和小组成员产生了分歧。
“我觉得应该往这边转一点。
”我坚持说。
“不，我觉得那边才对。
”他反驳道。
这就像拔河比赛，双方都不肯让步。
最后我们决定试一下我的方法，结果发现光的准直度更好了。
那一刻我特别开心，就像赢得了一场重要的比赛。
我懂得了在团队里，有时候要勇敢地坚持自己的想法。
5-1 氦氖激光器的模式分析 实验报告
近代物理实验报告 指导教师： 得分：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实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压实验题目： 氦氖激光器的模式分析实验仪器：（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q q uL λ=2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λq ，叫一个纵模，q 称为纵模序数。
纵模的频率为uLc q q 2=ν 相邻两个纵模的频率间隔为 uL c q 21=∆=∆ν 因此可以得知， 缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的办法之一。
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TEM mnq 。
实验二 氦氖激光器的模式分析
实验二氦氖激光器的模式分析简述：相对于一般光源，激光还具有单色性好的特点，即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，而是受激辐射后有经过谐振腔等多种机制的作用和互相干涉，最后形成的一个或多个离散、稳定而又精细的谱线，这些谱线就是激光器的模。
实验目的1.了解激光器模形成的特点，加深对其物理概念的理解；2.通过测试分析，掌握模式分析的基本方法；3.对于共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能、学会正确使用。
实验原理激光器模的形成激光之所以能够保证良好的单色性，除了其发光原理之外，更重要的是谐振腔的选频功能。
发光介质的光谱宽度就其形成原理上来讲由自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽叠加而成。
对于低气压小功率激光器其增宽以多普勒增宽为主，增宽线型呈高斯函数。
而谐振腔的选频放大功能则表现为只有满足谐振要求的光才能实现持续震荡：2qL q µλ=q 通常是很大的整数。
则可知纵模频率以及频率间隔分别为：2q cv qL µ=122q c c v L Lµ∆=∆=≈即腔长越长，选出的纵模个数越多，反之亦然。
缩短腔长是得到单纵模运行激光的有效方法之一。
谐振腔对光进行多次反馈，在纵向形成不同的场分布的同时，也在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑，每种光斑对应一种横向电磁场分布，称为一个横模。
横模间距为：1/2121()arccos[(1)(1)]2m n c L L v m n L R R µπ∆+∆⎧⎫∆=∆+∆−−⎨⎬⎩⎭图1.横纵模示意图共焦球面扫描干涉仪（具体结构说明及结构示意图见实验书）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。
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总处于共焦状态。
He-Ne激光器模式分析实验
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； 2、 通过测试分析，掌握模式分析的基本方法； 3、 了解实验使用的共焦球面扫描干涉仪的工作原理及性能，学会正确使用 二、 实验原理1. 激光模式的一般分析 稳定腔的输出频率特性：（1）其中：L —谐振腔长度；q 纵横序数；R 、艮一两球面反射镜的曲率半径； m n 横模序数；n 腔内介质的折射率。
（1）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为: (1--) (1 - - )] 1/2R 1 R 2（其中 A m=n- m' ； A n=n_ rT ）对于相同的横模，不同纵模间的频差为 3 ' = —A q q ：q 2耳 L 相邻两纵模的频差为 C 2 F（3）由（2）、（ 3）式看出，稳定球面腔有如图 2— 1的频谱。
△表示不同的两横模（比如U 00与U 10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之比,2. 共焦球面扫描干涉仪的工作原理C1Vmnq「辽[q_(m n 1)]C0S-1[(1LR 1 )(1L R 2 )]1/2 Avmn:m'n'_1(m ；n)cos [(2)(△q=q — q ')(2)式除以(3)式得=mn:m ，n\l c ^ . .；n )cos _1[(1 —丄)(1 -丄)]AvqR 1R 2「/2(4)设:Avmn:m'nAu qS=丄 cos -1 [(1 -丄)(1 一 丄)]1/2兀R 1 R 2于是（4）式可简写作:(二m =n ) _ '： S(5)V 00q+1(1) 共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图 射镜的曲率半径R=R=L 。
(2) 正入射时，干涉相长条件为：4L=m ・(n 为折射率；L 为腔长)(3) 通常情况下，R 固定，而F 2装在一块管状压电陶瓷上。
如果在压电陶瓷 y 方 向上加一周期性的信号电压，那么 Fb 将随压电陶瓷周期变形并沿轴向在中心位置 附近做微小振动，因而干涉仪的腔长 L 也做微小的周期变化。
光信息专业实验报告：氦氖激光模式实验
光信息专业实验报告：氦氖激光模式实验氦氖激光器在实际应用，尤其是基础实验教育中应用非常广泛。
本实验对氦氖激光器的性质进行了测量，主要分为两个部分。
一是氦氖激光器光斑大小和发散角的测量，二是利用共焦球面扫描干涉仪与示波器对氦氖激光器的模式进行分析。
实验仪器及技术参数：1、氦氖激光器：中心波长632.8nm、谐振腔腔长246mm、谐振腔曲率半径为1m2、共焦球面扫描干涉仪：腔长20mm、凹面反射镜曲率半径20mm、凹面反射镜反射率99%、精细常数>100、自由光谱范围4GHz3、示波器、光学镜若干实验一氦氖激光器光斑大小和发散角的测量氦氖激光器发出的光束为高斯光束，高斯光束是我们非常熟悉的一种光束。
我们可以从横向和纵向两个角度来理解高斯光束。
1、横向方向高斯光束之所以称为高斯光束，正是因为其基模在横向上光强的分而呈高斯分布型。
即⁄]（1）是I oo(r,z)=I oo(z)exp[−2r2w2(z)其中，下标00表示基横模，I oo(z)表示中心处的光强，r表示横截面离中心的距离，z 表示所研究的光斑所处的纵向上的位置，w(z)表示z处的光束半径。
光束半径w(z)定义为振幅下降到中心振幅1/e的点离中心的距离，或者说光强下降到中心光强1/e2的点离中心的距离。
从（1）式可以看出，高斯光束横向上光强随着离中心位置越远，光强越小，至w(z)处已基本下降为0，集中了86.5%的功率。
以上的说明可以用图1表示。
图1 高斯光束横向上振幅分布和光强分布2、纵向方向由横向方向上高斯光束的说明可以看出，整个高斯光束可以看成是横向上高斯光斑沿纵向z 轴传播形成的。
那么，纵向上光斑是如何传播的呢？理想的高斯光事假设传播过程中光的总能量不变，传播的过程只是光斑大小发生了变化。
激光器发出的激光束在空间的传播如图2所示。
光束截面最细处成为束腰。
我们将柱坐标（z, r, φ）的原点选在束腰截面的中点，z是光束传播方向。
束腰截面半径为w0,距束腰为z处的光斑半径为w(z)，则w(z)=w o[1+(λzπw o)2]12⁄（2）其中是λ激光波长。
氦氖激光器光束的模式分析
氦氖激光器光束的模式分析在激光器的生产与应用中，我们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，而激光器稳频和激光测距等不仅要基横模而且要求单纵模运行的激光器。
因此，进行模式分析是激光器的一项基本又重要的性能测试。
另一方面，在激光器中利用锁模技术可得到持续时间短到皮秒（ps＝10－12s）量级的强脉冲激光。
极强的超短脉冲光源大大促进了像非线性光学、时间分辨激光光谱学、等离子体物理等学科的发展。
氦氖激光器是常见的一种激光器，它在准直、计量、光全息处理等研究领域中有着广泛的应用，但由于普通的He-Ne激光器在功率较高时（即增益管较长时）会出现多个纵模，对于干涉、计量等一些要求单色性很强的激光研究领域不适用。
本实验分析氦氖激光器的模式并进行简单锁模。
【实验目的】1、了解扫描干涉仪原理，掌握其使用方法。
2、学习观测激光束横摸、纵摸的实验方法。
4学习和掌握激光锁模和声光调制原理。
5 掌握锁模激光器结构特定及调试方法。
6 观察腔长变化及调制深度对输出光脉冲的影响。
【实验原理】1共焦球面扫描干涉仪工作原理共焦球面扫描干涉仪（简写FPS ）由两个曲率半径r 相等、镀有高反膜层的球面镜M1、M2组成，两者之间的距离L 称作腔长，如图1所示。
压电陶瓷内外两面加上锯齿波电压后，驱动一个反射镜作周期性运动，用以改变腔长L 而实现光谱扫描。
由于腔长L 恰等于曲率半径r ，所以两反射镜焦点重合，组成共焦系统。
当一束波长为λ的光近轴入射到干涉仪内时，在忽略球差情况下，光线走一闭合路径，即光线在腔内反射，往返两次之后又按原路行进。
图1 共焦球面扫描干涉仪结构示意图从图1可以看出，一束入射光将有1、2两组透射光。
若m 是光线在腔内往返的次数，则1组经历了4m 次反射；2组经历了4m+2次反射。
设反射镜的反射率为R ，Harcher 给出了1、2两组的透射光强分别为： 222110222()[1()sin ]11T R I I R R β-=+-- （1）221I R I = （2）这里I0是入射光强，T 是透射率，β是往返一次所形成的位相差，即222/n L βπλ= （3）n2是腔内介质的折射率。
5-1 氦氖激光器的模式分析 实验报告
近代物理实验报告指导教师：得分：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实验条件： 室内温度 ℃， 相对湿度 %， 室内气压实验题目： 氦氖激光器的模式分析实验仪器：（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q q uL λ=2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λq ，叫一个纵模，q 称为纵模序数。
纵模的频率为uL c qq 2=ν 相邻两个纵模的频率间隔为uLc q 21=∆=∆ν 因此可以得知， 缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的办法之一。
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TEM mnq 。
激光技术实验报告
实验一 氦氖激光系列实验一、实验内容：1、氦氖激光器的调节 2、氦氖激光器的输出功率 3、氦氖激光器发散角测量4、用共焦球面扫描干涉仪观察、分析、判断激光器的模式组成 二、实验仪器：氦氖激光器、调节板、谐振腔反射镜、半内腔氦氖激光器、激光功率指示仪、共焦扫描仪、示波器 三、实验原理及方法次为例）10/1010∑==i i P P其中：0P 为十次测量的平均值。
激光器功率漂移=η%100/0⨯∆P P 其中2/)(min max P P P -=∆固定输出镜，调至出光，旋转输出镜俯仰倾斜旋钮，结合功率计，将其输出调至最大。
打开激光器电源并预热20～30分钟，将激光器光束对准激光功率指示仪探头中心位置，每隔10分钟记录一次，测量氦氖激光器的输出功率随时间变化曲线。
3. 用刀口法可以测定光斑的大小和验证光斑的光强分布是高斯分布。
实验中使刀口平行于y 轴，沿垂直于x 轴方向移动当刀口缓慢推入光束时，设刀口挡住了a x ≤的所有点。
未被刀口挡住而通过的光功率P 用余误差函数表示为：)2(2),(0a Werfc P dxdy y x I P a==⎰⎰ 如果先用刀口把光束全部挡住，然后把刀口缓慢拉出时，未被刀口挡住而通过的光功率可用相应的误差函数表示。
)exp(),(2220σy x p y x I +-=)2(210σaerfc p p = 其中2/W =σ是数理统计中的标准偏差。
根据上式作出的归一化高斯分布和相对功率与刀口位置关系曲线如下图所示可以证明，相对功率为0.25和0.75的点分别位于高斯分布曲线极大值两侧，其距离σ6745.0=p e 。
所以从由实验得到的相对功率与刀口位置的关系曲线就可确定p e 的值。
算出σ值后就可计算P/0P 的理论值，进行曲线拟合。
如果拟合的好，就证明基横模光强是高斯分布。
用p e 的值可以计算光斑大小：)2(4826.1p e W = )2(7456.12/1p e D =如图所示，将刀口位于激光光斑边缘位置，并将功率计置于刀口后面来测量未被刀口挡住的激光光功率。
实验一He-Ne激光器的调试实验
实验一He-Ne激光器的调试实验实验一 He-Ne激光器的调试实验一、实验目的：1、了解氦氖激光器的基本结构。
2、掌握氦氖激光器的工作原理。
3、学会用各种方法进行激光器的调节。
二、实验原理：从1960年代激光器问世以来，各种类型的激光器相继研制成功，并因它所具有的独特的性能一一高亮度、良好的方向性，单色性，相干性被广泛应用_工业、农业、国防、计量、医疗等行业。
其中气体激光器是目前种类最多，应用最广泛的一类激光器。
而氦氖激光器又在气体激光器中最具有代表性,它制作容易, 运作可靠，所以我们就以氦氖激光器为典型实例进行结构分析和实验。
激光器一般具有三个组成部分：工作物质（增益介质),谐振腔（光学共振腔)，激励能源。
氦氖激光器的工作物质为纯度大于99.99%的氦气和氖气。
其中氖气是能激发出激光的气体，而氦气则是提供光放大条件（产生粒子数反转）的气体。
他们按一定的比例，一定的压强充入用玻璃制作的放电管内。
为了提髙能量使气体点燃，在其上面安装阳极和阴极。
谐振腔主要由腔体、反射镜、毛细管构成，他们的组合，共同保证光在腔体内振荡放大，最终获得激光输出其技术要求是:毛细管（放电管）的直度，两个反射镜的平行度和反射镜片与毛细管的垂直度。
毛细管不仅直度要求严格，其内径尺寸也有特殊要求。
反射镜共有两片，其一片是全反的凹面镜，反射率优于 99.85%；另一片是一定透过率的平面镜，反射率约98.5%。
、氦氖激光器的激励能源一般是直流髙压电，称之为氦氖激光器电源。
它将使用220V交流电变换成直流高压，并根据气体放电的特点，实现高压电的正常运转。
氦氖激光器的电参数是：启辉（点燃）电压，工作电压和最佳工作电流。
启辉电压高于工作电压，实验用的激光器的启辉电压为4500V,工作电压约1200V, 最佳工作电流约5mA.调整方法：对激光器进行调整，实际就是有针对性地调整其毛细管直度、两个反射镜之间的平行度、毛细管与反射镜的垂直度（以下简称直度、平行度、垂直度), 使激光器处于最佳状态，获得满意的性能指标。
氦氖激光器的模式分析实验(修订)
mn、m n
共焦球面扫描干涉仪：
间隔圈
压电陶瓷环
1.压电陶瓷内外两面加上锯齿波电压后，驱动一个 反射镜做周期性运动，从而改变腔长l而实现光 谱扫描 。 2. 腔长l等于曲率半径R，所以两反射镜焦点重 合，组成共焦系统。
共焦球面干涉仪的性能指标： ①自由光谱范围
波长在
~ 范围内的光，产生的干涉圆环不互相重叠 ( k )k 1 2 4 l
c 2 L
横模——描述垂直于激光传播方向的平面内光场分布情况
mnq
c 2 L L 1 2 2q ( m n 1)arccos[(1 )(1 )] 4 L r1 r2
c 1 L L 1 2 ( m n)arccos[(1 )(1 )] 2 L r1 r2
激光器
扫描干涉仪
放大器
激光电源
锯齿波 发生器
实验内容及步骤
1. 调整光路。首先使激光束从光阑小孔通过，调整扫描干涉仪 上下、左右位置，使光束正入射孔中心，再细调方位螺丝， 以使从干涉仪腔镜反射的最亮的光点回到光阑小孔的中心附 近，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。
2. 将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。 3. 接通放大器、锯齿波发生器、示波器的电源开关。 4. 观察示波器上展现的的频谱图，进一步细调干涉仪的方位螺丝， 使谱线尽量强，噪声尽量小。 5. 根据干涉仪的曲率半径计算出干涉仪的自由光谱范围。 6. 以计算所得的自由光谱范围在示波器上定标，测出自由光谱范围 相对应的标尺长度，计算出二者的比值——每厘米代表的频率间 隔值。由示波器上显示的纵模、横模波形测出纵模频率间隔、横 模频率间隔 。
自由光谱范围??波长在范围内的光产生的干涉圆环不互相重叠?????214kk?????????4cl????l分辨本领r分辨本领波长0r和在该处可分辨的最小波长间隔0r????精细常数f描述干涉仪谱线的细锐程度为干涉仪的自由光谱范围和分辨率极限之比f??????????的比值???21frr???反射率实验仪器及装置激光器扫描干涉仪放大器放大器电源示波器yx小孔光阑激光电源锯齿波发生器实验内容及步骤1
氦氖激光器模式分析实验
氦氖激光器模式分析实验氦氖激光器模式分析实验在激光器的生产与应用中，我们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，而激光器稳频和激光测距等不仅要基横模而且要求单纵模运行的激光器。
因此，进行模式分析是激光器的一项基本又重要的性能测试。
一、实验目的1．了解氦氖激光模式的基本原理；2．掌握氦氖激光模式分析整套仪器的光路调节，理解光谱精度，光谱分辨率的计算；3. 根据氦氖激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。
二、基本原理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、激励能源。
如果用某种激励方式，将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，将有一定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，见图1。
被传播的光波绝不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是指中心波长而已）。
因能级有一定宽度，加之粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱线宽度是由自然增宽、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。
例如低气压、小功率的He-Ne激光器6328埃谱线，以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz。
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，还不足以图1：纵模和纵模间隔图1中,增益线宽内虽有五个纵模满足谐振条件,但只有三个纵模地增益大于损耗,能有激光输出,对于纵模的观测,由于q值很大,相邻纵模频率差异很小,眼睛不能分辨,必须借用一定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,就在横向的同一波腹处形成一个或者多个稳定的衍射分布,称为一个横模,我们见到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加.图4中,我们介绍了几种常见的基本横模光斑图样.图2：常见的横模光斑图总之,任一个模,既是纵模,又是横模,它同时有两个名称,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,q是纵模标记,m和n是横模标记.对方形镜来说，m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.前面已知,不同的纵模对应不同的频率,那么同一纵模序数内的不同横模又如何呢?同样,不同横模也是对应不同的频率.横模序数越大,频率越高.通常我们也不需要求出横模频率,关心的是不同横模间的频率差,经推导得()2m n c v m n L ηπ∆+∆∆=∆+∆（4）其中, m ∆,n ∆分别表示x ,y 方向上横模模序差, 1R ,2R 为谐振腔的两个反射镜的曲率半径,由（3）和（4）可知相邻的横模频率间隔和相邻的纵模频率间隔的关系：()m n q m n v v π∆+∆∆+∆∆=∆（5）从上式中还可以看出,相邻的横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数,例如图5.图3: 在增益线宽内，纵模和横模分布图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(12L R R ==,即共焦腔),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的谱线频率兼并.激光器中能产生的横模个数,除前述增益因素外,还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关.一般说来,放电管直径越大,可能出现的横模个数越多.横模序数越高的,衍射损耗越大,形成稳定的振荡越困难.但是激光器输出光中横模的强弱决不能仅从衍射损耗一个因素考虑,而是由多种因素共同决定的,这是在模式分析实验中,辨认哪一个是高阶横模时易出错的地方.因仅从光的强弱来判断横模阶数的高低,即认为光最强的谱线一定是基横模,这是不对的,而应根据高阶横模具有高频率来确定.横模频率间隔的测量同纵模间隔一样,需借助展现的频谱图进行计算.但阶数m和n的确定仅从频谱图上是不够的,因为频谱图上只能看到有几个不同的+的差值,然而不同的m和n可对应相同的m n+，即简并,在+,可以测出m nm n频谱图上则是相同的,因此要确定m和n各是多少,还需结合激光器输出的光斑图形进行.当我们对光斑进行观察时,看到的应是它全部横模的叠加图(即图2中一个或几个单一态图形的组合).当只有一个横模时,很易辨认.如果横模个数比较多,或基横模很强,掩盖了其他的横模,或者高阶模太弱,都会给分辨带来一定的难度.但由于我们有频谱图,知道了横模的个数及彼此强度上的大致关系,就可缩小考虑的范围,从而能准确地确定出每个横模的m和n。
5-1 氦氖激光器的模式分析 实验报告.doc
5-1 氦氖激光器的模式分析实验报告.doc
氦氖激光器是一种重要的气体激光器。
它具有色散小、谐振结构简单、工作可靠等优点，广泛应用于科研、医疗、通信、仪器等领域。
本次实验的目的是通过对氦氖激光器的模式分析，了解它的工作原理和特性。
实验中，我们采用干涉仪、功率计等仪器，对氦氖激光器的基模和高阶模进行了实验研究。
首先，我们将氦氖激光器放置在干涉仪中，调整干涉仪的角度，观察干涉条纹的变化。
实验发现，当激光器处于单模态工作状态时，干涉条纹清晰，间距均匀；而当激光器处于
多模态工作状态时，干涉条纹模糊，间距不均。
这表明，氦氖激光器存在基模和高阶模两
种工作状态，对应于单模态和多模态。
接着，我们利用功率计对氦氖激光器输出功率进行了测量。
实验结果显示，当激光器
处于单模态工作状态时，输出功率相对稳定，且比多模态工作状态下高；而当激光器处于
多模态工作状态时，输出功率波动较大。
这表明，氦氖激光器的基模优先模式稳定性好，
输出功率高；而高阶模存在竞争关系，波动大，输出功率低。
最后，我们对氦氖激光器的激光束分布进行了分析。
实验中，我们采用热像仪对激光
束的纵向和横向分布进行了测量。
实验结果显示，氦氖激光器的基模工作状态下，激光束
呈高斯分布，且纵向和横向的束径相近；而高阶模工作状态下，激光束呈多峰分布，且横
向束径较宽。
氦氖激光原理实验报告
一、实验目的1. 了解氦氖激光器的原理及结构；2. 掌握氦氖激光器的工作原理和产生过程；3. 熟悉氦氖激光器的应用领域；4. 通过实验验证氦氖激光器的工作原理。
二、实验原理氦氖激光器（He-Ne激光器）是一种气体激光器，主要由氦气和氖气混合气体作为工作物质。
在放电管中，当氦气和氖气被电离后，氖原子在外加电场的作用下，由基态跃迁到激发态，然后通过受激辐射跃迁回到基态，释放出特定波长的光子，从而产生激光。
氦氖激光器的工作原理如下：1. 氦气和氖气在放电管中混合，形成等离子体；2. 在外加电场的作用下，电子从阴极向阳极运动，与氦原子发生碰撞，将氦原子激发到激发态；3. 激发态的氦原子通过碰撞将能量传递给氖原子，使氖原子跃迁到激发态；4. 激发态的氖原子通过受激辐射跃迁回到基态，释放出特定波长的光子，形成激光。
三、实验仪器与材料1. 氦氖激光器；2. 光谱仪；3. 光电探测器；4. 放大器；5. 计时器；6. 计算器；7. 实验台；8. 实验指导书。
四、实验步骤1. 将氦氖激光器放置在实验台上，确保激光器稳定；2. 连接光谱仪、光电探测器和放大器，设置好相应的参数；3. 打开氦氖激光器，观察放电管中的光束输出情况；4. 通过光谱仪测量激光器的输出波长；5. 通过光电探测器测量激光器的输出功率；6. 记录实验数据，进行分析和讨论。
五、实验结果与分析1. 实验过程中，氦氖激光器的输出波长为632.8纳米，符合理论值；2. 通过光电探测器测量，激光器的输出功率约为5毫瓦，符合理论值；3. 在实验过程中，观察到放电管中的光束输出稳定，无明显的跳模现象。
实验结果表明，氦氖激光器能够产生特定波长的激光，输出功率稳定，符合理论预期。
六、实验结论1. 氦氖激光器是一种气体激光器，通过氦气和氖气混合气体在外加电场的作用下产生激光；2. 实验结果表明，氦氖激光器能够产生稳定、高单色性的激光，输出功率符合理论值；3. 本实验验证了氦氖激光器的工作原理，为进一步研究和应用提供了基础。
5_1氦氖激光器的模式分析实验报告
5_1氦氖激光器的模式分析实验报告本实验目的:(1)了解激光器模的形成及特点，加深对其物理概念的理解。
(2)通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。
(3)对本实验使用的重要分光仪器一共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确的使用。
实验装置各部分说明:(1)激光器，具有不同模式结构的激光器四支，可分别了解它们不同的模式状况，从中学习模式分析的基本方法。
(2)激光电源，用来激发激光器。
工作电流等参数由“实验说明书”提供。
(3)小孔光阑，用于调光的辅助工具，起正负两方向光束准直作用。
(4)扫描干涉仪，使激光器的各个不同模按频率展开，透射光中心波长为6328A。
自由光谱范围应在1500-2000MHz，每伏电压使腔长改变24~25A，具体数据由实验室给出(分析40cm长的激光器，精细常数应大于100;而分析1m长的激光器，精细常数要求更高，应大于200)。
仪器上有两个方位螺旋，用于调节腔的轴向方位。
(5)接收放大器，内有光电二极管，将扫描干涉仪输出的光信号转变成电信号，经放大输入到示波器的Y轴。
(6)放大器电源，提供放大器内光电二极管的工作电压，一般用5一10V。
注意正负极不要接错。
(7)锯齿波发生器，本实验采用XFD一8B型超低频信号发生器，电压峰值在0150V内连续可调，周期用20ms，锯齿波电压除了加在扫描干涉仪的压电陶瓷上，同时输到示波器X轴上作同步扫描。
为便于观察，希望能移动序的中心波长在频谱图中的位置，比如使每个序中所有模能完整地展现在示波器上，这可通过增设一个直流偏置电源，用以改变对腔扫描的电压的起点，协助调节。
偏置电源的输出电压在0∽100V内连续可调，这里从简。
(8)示波器，用于展现经扫描和放大后的He-Ne激光器的频谱图。
本实验采用的是DF4320型示波器。
实验步骤与内容1、按装置图连接线路，经检查无误，方可接通。
2、点燃激光器，注意，激光管内与铝筒相连的伸出端为阴极，不要接反。
光信息专业实验报告：氦氖激光模式实验 (2)
光信息专业实验报告：氦氖激光模式实验【实验数据处理】一、HE-NE激光光束的光斑大小和发射角测量。
实验步骤：1)打开激光器从I裆跳到III档迅速起辉，然后调回I档等待稳定。
调整反射镜使反射镜将激光反射到硅光电池接收器测量窗口。
取光走过长度4.43m，缝宽小于光斑大小的十分之一。
2)移动微调平台，移动的方向应沿着光斑的半径。
每隔0.1~0.2mm测量一次功率值。
测量三次，测量硅光电池接收器的功率。
具体数据如下表1。
表1：三次测量水平位移和光功率的关系分别做出三条曲线，如下图1、2、3光功率P /μW图1m m光功率P /μW图2mm光功率P /μW图3m m我们知道，HE-NE 激光光束的光强是高斯分布，所以从以上三图对比可以看出，曲线的分布基本成高斯分布。
同时图3比较平滑，误差点较少，所以一下的分析我们均在第三组数据中讨论。
对第三组数据进行高斯拟合，如图4。
2468100.00.10.20.30.40.5光功率P /μW图4:第三组数据进行高斯拟合的图拟合曲线的表达式为：从拟合的结果可以看出，相关系数为0.9907。
可见相关程度较高，数据基本符合事实。
光斑半径的值为 3.6680w mm =发散角公式为：2()0.0949w z zθ== 实验室中光斑束腰半径为：1/21/4010.2864L R w mm L λπ⎛⎫⎛⎫=-= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭光束发散角理论值为：0020.0806w λθπ== 光斑半径为：01 3.11532w z mm θ== 所以综上，实验测量相对误差为：3.6680 3.1153100%17.74%3.1153w E -=⨯=0.09490.0806100%17.74%0.0806E θ-=⨯=总结：从上面的分析可以看出，测量得出的误差较大，主要是有以下几个方面： 1， 由于光功率测量的数值较小，所以功率变化不明显，所以拟合曲线并不完全一致。
2， 测量的时候，环境光影响到了功率计的数值。
氦氖激光器系列实验
氦氖激光器系列实验第一章 简 介氦氖激光器系列实验，主要用于氦氖激光器相关的参数测量。
通过有关实验，可以掌握氦氖激光器的调整方法，了解激光器的基本原理、基本结构以及输出激光的特性等。
主要用于高校物理教学演示。
1.1实验项目1、氦氖激光器半内腔谐振腔调节实验。
2、氦氖激光器功率稳定性的测量实验。
3、氦氖激光器光斑发散角的测量实验。
4、用共焦球面扫描干涉仪观察、分析、判断激光器的模式组成。
1.2 技术参数半内腔氦氖激光器谐振腔曲率半径 1m ∞中心波长 632.8nm全内腔氦氖激光器腔长 250mm功率 ≥1.5mW中心波长 632.8nm共焦球面扫描干涉仪反射中心波长 632.8nm自由光谱范围 2.5GHz精细常数 ＞100第二章 激光原理2.1普通光源的发光—受激吸收和自发辐射普通常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等地发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。
激发的过程是一个“受激吸收”过程。
处在高能级（E 2）的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E 1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。
辐射光子能量为12E E h −=ν这种辐射称为自发辐射。
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外其位相、偏振状态也各不相同。
由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。
在通常热平衡条件下，处于高能级E 2上的原子数密度N 2，远比处于低能级的原子数密度低，这是因为处于能级E 的原子数密度N 的大小随能级E 的增加而指数减小，即N ∝exp(－E /kT )，这是著名的波耳兹曼分布规律。
于是在上、下两个能级上的原子数密度比为]/)(exp[/1212kT E E N N −−∝式中k 为波耳兹曼常量，T 为绝对温度。
HeNe激光器模式分析
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TEM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mn结构。
由无源腔理论可知：共轴稳定球面谐振腔TEM mn 模的频率为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+++=2111arccos )1(12R L R L n m q nL C v mnq π （2.1）式中m 、n 为横模阶次，q 为纵模阶次，L 为腔长，R 1R 2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）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 ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆+∆=∆21'',1111arccos )(12R R n m nL C v n m mn π （2.2） 式中：m m m -=∆'，n n n -=∆'。
氦氖激光器模式分析实验
氦氖激光器模式分析实验氦氖激光器模式分析实验在激光器的生产与应用中，我们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，而激光器稳频和激光测距等不仅要基横模而且要求单纵模运行的激光器。
因此，进行模式分析是激光器的一项基本又重要的性能测试。
一、实验目的1．了解氦氖激光模式的基本原理；2．掌握氦氖激光模式分析整套仪器的光路调节，理解光谱精度，光谱分辨率的计算；3. 根据氦氖激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。
二、基本原理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、激励能源。
如果用某种激励方式，将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受激辐射的作用，将有一定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大，见图1。
被传播的光波绝不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是指中心波长而已）。
因能级有一定宽度，加之粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱线宽度是由自然增宽、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。
例如低气压、小功率的He-Ne激光器6328埃谱线，以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz。
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，还需要有谐振腔对其光学反馈，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2q L q ηλ=（1）这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强，其他则互相抵消。
式中，η是折射率，对气体1η≈；L 是腔长；q 是正整数。
每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布q λ,叫一个纵模, q 称作纵模序数.q 是一个很大的数,通常我们不需要知道它的数值,而关心的是有几个不同的q 值,即激光器有几个不同的纵模.从式（1）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, q 值反映的恰是驻波腹的数目.纵模的频率为2q qcv L μ=（2）相邻两个纵模地频率间隔为：了 22q cc v L Lη∆=≈ （3） 从式（3）看出,相邻的纵模频率间隔和激光器的腔长成反比,即腔越长,q v ∆纵越小,满足振荡条件的纵模个数越多;相反,腔越短, q v ∆越大,在相同的增宽曲线范围内,纵模个数就越少.因而用缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的方法之一.任何事物都具有两重性.光波在腔内往返振荡时候,一方面有增益,使光不断增强;另一方面也存在着不可避免的多种损耗,使光强减弱,如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面透射损耗、放电毛细管的衍射损耗等.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,如图所示,图1：纵模和纵模间隔图1中,增益线宽内虽有五个纵模满足谐振条件,但只有三个纵模地增益大于损耗,能有激光输出,对于纵模的观测,由于q值很大,相邻纵模频率差异很小,眼睛不能分辨,必须借用一定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,就在横向的同一波腹处形成一个或者多个稳定的衍射分布,称为一个横模,我们见到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加.图4中,我们介绍了几种常见的基本横模光斑图样.图2：常见的横模光斑图总之,任一个模,既是纵模,又是横模,它同时有两个名称,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,q是纵模标记,m和n是横模标记.对方形镜来说，m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.前面已知,不同的纵模对应不同的频率,那么同一纵模序数内的不同横模又如何呢?同样,不同横模也是对应不同的频率.横模序数越大,频率越高.通常我们也不需要求出横模频率,关心的是不同横模间的频率差,经推导得()2m n c v m n L ηπ∆+∆∆=∆+∆（4）其中, m ∆,n ∆分别表示x ,y 方向上横模模序差, 1R ,2R 为谐振腔的两个反射镜的曲率半径,由（3）和（4）可知相邻的横模频率间隔和相邻的纵模频率间隔的关系：()m n q m n v v π∆+∆∆+∆∆=∆（5）从上式中还可以看出,相邻的横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数,例如图5.图3: 在增益线宽内，纵模和横模分布图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(12L R R ==,即共焦腔),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的谱线频率兼并.激光器中能产生的横模个数,除前述增益因素外,还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关.一般说来,放电管直径越大,可能出现的横模个数越多.横模序数越高的,衍射损耗越大,形成稳定的振荡越困难.但是激光器输出光中横模的强弱决不能仅从衍射损耗一个因素考虑,而是由多种因素共同决定的,这是在模式分析实验中,辨认哪一个是高阶横模时易出错的地方.因仅从光的强弱来判断横模阶数的高低,即认为光最强的谱线一定是基横模,这是不对的,而应根据高阶横模具有高频率来确定.横模频率间隔的测量同纵模间隔一样,需借助展现的频谱图进行计算.但阶数m和n的确定仅从频谱图上是不够的,因为频谱图上只能看到有几个不同的m n+的差值,然而不同的m和n可对应相同的m n+，即简并,在+,可以测出m n频谱图上则是相同的,因此要确定m和n各是多少,还需结合激光器输出的光斑图形进行.当我们对光斑进行观察时,看到的应是它全部横模的叠加图(即图2中一个或几个单一态图形的组合).当只有一个横模时,很易辨认.如果横模个数比较多,或基横模很强,掩盖了其他的横模,或者高阶模太弱,都会给分辨带来一定的难度.但由于我们有频谱图,知道了横模的个数及彼此强度上的大致关系,就可缩小考虑的范围,从而能准确地确定出每个横模的m和n。
氦氖激光器系列实验一
氦氖激光器系列实验实验一：氦氖激光束光斑大小和发散角实验目的：1. 掌握测量激光束光斑大小和发散角的方法2.深入理解基模激光束横向光场高斯分布的特性及激光束发散角的意义实验仪器：氦氖激光器，光功率指示仪，硅光电池接收器，狭缝，微动位移平台实验原理：激光束的发散角和横向光斑大小是激光应用中的两个重要参数。
图1 基模激光束在空间的传播1. 激光器发出的基模激光束在空间的传播如图1所示，光束横截面最细处为束腰，坐标原点选在束腰截面的中点，z 是传播方向，距束腰为z 处的光斑半径w(z)()1/220201z w z w w λπ⎡⎤⎛⎫⎢⎥=+ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦上式改写成双曲线方程：()222001/w z z w w πλ⎡⎤⎡⎤-=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦ 双曲线渐近线的夹角θ为激光束的发散角，则()022lim z w z z w λθπ→∞==如何测量w(z), θ(z)?w(z)： 方法一：测出z ，算出w 0,可知w(z)方法二：根据光斑半径定义测量. θ(z )： 方法一：算出w 0，可求θ(z)方法二：测出离束腰很远的z 和光斑大小w(z)，算出θ(z) 本实验要求分别用两种方法计算出结果进行比较。
2. 激光束横向光场分布激光沿z 轴传播，基模高斯光束分布的形式：()()222arctan 200,,()r z r i k z R f w z CE x y z e ew z ⎡⎤⎛⎫-+--⎢⎥ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦=⋅⋅则基模振幅：()()2200,()r w z CE r z e w z -=⋅光斑半径w(z)定义：振幅下降到1/e 的点离中心的距离。
实际测量中，只能测得光束横向光强分布，光强正比于振幅的平方()()()2222200002,,()r w z CI r z E r z e w z -∝=⋅所以，光束半径w(z)也可定义为中心光强e -2倍的点离中心的距离。
在光束半径w(z)范围内集中了86.5%的总功率。
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横模频率差与纵模频率差相差一个分数因子，并且相邻横模差一般总小于相邻纵模频率差。
4.共焦球面干涉仪原理与性能指标
共焦球面干涉仪由两个曲率半径相等的高反射镜组成，如图。每组透射光由多次透射组合形成，两次透射之间往返2次，光程差为4倍腔长。当满足腔长的4倍为波长的整数倍时，透射光相干相长，透射率有极大值。以压电陶瓷驱动腔镜往复运动，可以实现光谱扫描。
测得激光器出射端到45°全反镜距离为4cm，全反镜到平面镜距离为166cm，平面镜到可调狭缝的距离为166.2cm，光路全程为336.2cm。即探测器探测到的光强是z=336.2cm处的光斑光强。另外测得He-Ne激光器腔长约为27.3cm。
b)移动微动平台，每0.2mm记录一次读数，重复测3次，数据记录见附表1。
氦氖激光模式实验
摘要：简述了激光束光斑大小、发散角、激光器模式等的意义。通过对基模光束横向光场的分布特性测量，得出所用氦氖激光器发散角的大小，并利用共焦球面扫描仪对实验激光器模式数目进行测定。
一、实验原理
1.激光束发散角与横向光场分布
激光器的基模光束为高斯光束，即光束截面上光强满足沿径向的高斯分布。光束边界定义为振幅是中心的1/e的等幅线，也就是光强为中心的1/e2的曲线。光束半径即为振幅下降到中心的1/e，或光强下降到中心的1/e2的点到中心的距离。
共焦球面干涉仪的性能指标
a)自由光谱范围
是干涉仪的自由光谱范围，表征干涉仪在 到 范围内，干涉圆环不重叠。干涉仪有意义的测量范围就是自由光谱范围，同时，要定量分析纵模就必须用到自由光谱范围来标定频宽。自由光谱范围是由干涉仪的构造决定的。
对于共焦球面干涉仪有：
b)分辨本最小波长间隔 的比值：
c)精细常数F
描述谱线细锐程度，被定义为自由光谱范围与分辨极限之比：
也表征了自由光谱范围内可分辨的光谱单元数目，干涉仪精细常数收到反射镜规整度与反射率R影响，R与F有（共焦球面干涉仪）：
二、 实验内容与数据处理
1.激光器发散角测量
a)打开激光器，调整光路。为节省空间，使用平面镜反射折返光路。光路图如右图：
其中(1)(5)是主要原因，(2)(3)(4)影响相对较小。
2.激光束模式测量分析
a)根据腔长，计算纵模间距以及1阶2阶横模频率差理论值。
纵模间距理论值：
纵模与1阶横模频率差：
纵模与2阶横模频率差：
可见与横模的频率差要远远小于纵模之间的频率差。
再根据干涉仪的曲率半径计算自由光谱范围，由反射率计算精细常数：
再由：
可以得出发散角。
b)实验上，可以通过对z较大时的光束半径进行测量，再利用下式得出发散角：
3.激光器的振荡模式
激光器内能产生稳定光振荡的形式成为模式，分纵模和横模。纵模描述了激光器输出分立频率的个数；横模描述了在垂直于激光传播方向平面内光场的分布情况。激光器的线宽和相干长度由纵模决定，而光束发散角，光斑直径和能量的横向分布由横模决定。
激光器发出的光束如下图1(光轴轴截面)：
光束截面最细处为束腰，将柱坐标原点选在束腰中心，Z是光束传播方向，束腰半径为W0，z处半径为W(z)则：
其中为光波长，上式可写成双曲方程：
定义双曲线渐近线夹角θ为激光发散角：
2.光束半径与发散角的测量
a)理论上，根据激光器输出波长与谐振腔参数可以得出束腰半径大小：
a)纵模
当腔长L是波长的半整数倍时，形成驻波，稳定振荡，q是纵模阶数，是光波在激活物质中的波长，故有：
上式表示形成稳定振荡的频率，不同的整数q值对应着不同的输出频率，相邻两纵模的频率差为：
再者，激光器对不同频率有不同的增益，只有大于阈值才能形成振荡产生激光。
b)横模
对于满足形成驻波共振条件的各个纵模来说，还存在不同的横模。同意纵模不同横模频率有差异，某一个任意TEMmnq模的Vmnq为
自由光谱范围：
转换为频率：
与仪器说明书上给出的自由光谱范围4GHz大致相等。
理论精细常数为：
符合仪器说明书上的给出的精细常数下限。
b) 下面通过上面计算得到的自由光谱范围进行定标，测出干涉仪的带宽，并计算出精细常数F的实验值：
调节共焦干涉球面镜微调旋钮，示波器以及锯齿波工作参数，在锯齿波上升沿中得到清晰的1个以上的周期。实验中先出现了如图5(a)的波形，可以看出在一个周期里面有间隔相同的3个纵模，并测得纵模间距为452.0s和450s。自由光谱区为2.680ms。一段时间后则出现了图5(b)的波形，特征与图5(a)相同，但最先出现的峰消失了，在一个周期中只能观察到2个模式，原因后述。再测量其中一个峰的半高全宽，确定共焦干涉仪的分辨极限为：
d)根据激光器腔长27.3cm，使用平凹式谐振腔曲率半径为1m和 ，输出波长为632.8nm可以得到激光束束腰半径和发散角理论值为：
比较发散角的实验值与理论值，相对误差为：
从实验结果可以发现实验得出的发散角比理论值要大，存在较大误差。经分析，误差由多方面原因造成：(1)实验测得的激光器谐振腔腔长仅通过测量外壳长度进行近似，实际腔长应比测得腔长要小，计算所得发散角理论值也应稍微增大；(2)实验测量到的z值精度较低，而且对于光路转折处的测量会存在人为测量误差；(3)实验使用狭缝缝宽0.035cm，测得光强为0.035cm内的光强的积分，观察高斯分布的形状可知，在中心强度1/e2倍附近，离中心越远，斜率越低，因此会使测得的1/e2的点更远离中心，光束半径偏大；(4)光束不是垂直入射到狭缝，与垂直方向大约有2°偏差，使得测量半径会稍大；(5)仪器精度，激光器稳定性等。
c)取3组数据的平均值进行分析，以减少由于激光器的发光不稳定而带来的微小误差，并用Gauss函数进行拟合，作得右图（图4）。
拟合得到了相关系数r2=0.9996的高斯曲线。根据激光束基模的性质，可知实验结果与理论想吻合。并通过对图像的分析可以得z=336.4cm处，光束半径W(336.4cm)=0.25cm。故有：