激光器模式分析
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。
氦氖激光器模式分析
模式分析1.氦-氖(He-Ne)激光器简介氦氖激光器(或He-Ne激光器)由光学谐振腔(输出镜与全反镜)、工作物质(密封在玻璃管里的氦气、氖气)、激励系统(激光电源)构成。
二电极通过毛细管放电激励激光工作物质,在氖原子的一对能级间造成集居数反转,产生受激辐射。
由于谐振腔的作用,使受激辐射在腔内来回反射,多次通过激活介质而不断加强。
如果单程增益大于单程损耗,即满足激光振荡的阈值条件时,则有稳定的激光输出。
内腔式激光器的腔镜封装在激光管两端。
二.氦-氖(He-Ne)激光器的工作原理氦氖激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流(在电场作用下气体放电),放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。
在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞,电子的能量传给原子,促使原子的能量提高,基态原子跃迁到高能级的激发态。
这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰,氦原子的能量传递给氖原子,并从基态跃迁到激发的能级状态,而氦原子回到了基态上。
因为放电管上所加的电压,电流连续不断供给,原子不断地发生碰撞。
这就产生了激光必须具备的基本条件。
在发生受激辐射时,分别发出波长3.39μm,632.8nm,1.53μm三种激光,而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外,另二种是红外区的辐射光。
因反射镜的反射率不同,只输出一种较长的光波632.8nm的激光。
3.He-Ne激光器结构及谐振腔He-Ne激光器的结构形式很多,但都是由激光管和激光电源组成。
激光管由放电管、电极和光学谐振腔组成。
放电管是氦一氖激光器的心脏,它是产生激光的地方。
放电管通常由毛细管和贮气室构成。
放电管中充入一定比例的氦(He)、氖(Ne)气体,当电极加上高电压后,毛细管中的气体开始放电使氖原子受激,产生粒子数反转。
贮气室与毛细管相连,这里不发生气体放电,它的作用是补偿因慢漏气及管内元件放气或吸附气体造成He,Ne气体比例及总气压发生的变化,延长器件的寿命。
He-Ne激光的纵模及基模的远场发散角
He-Ne激光的纵模及基模的远场发散角一、实验目的:1、通过测试分析,掌握模式分析的基本方法。
2、对实验中使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪,了解其原理、性能,学会正确使用。
3、熟悉谐振腔的构成,学会调整的方法,体会谐振腔调整之后一些激光参数的变化。
二、实验内容:1、He-Ne激光器模式分析要测量和分析出激光器所具有的纵模个数,纵模频率间隔值,横模个数,横模频率间隔值,不同位置基模对应的光斑图形1)通过共焦球面干涉仪接示波器观察纵模频率间隔,再根据自由光谱范围的定义,确定它所对应的频率间隔(即哪两条谱线间距为ΔvS.R. )为减少测量误差,需要对x轴增幅,测出与ΔvS.R.相对应的标尺长度,计算出两者比值,即每厘米代表的频率间隔值。
(2)通过减小光阑大小,观察模式变化。
1、He-Ne激光器模式分析(1)点燃外腔激光器。
(2)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,再细调干涉仪板架上的两个方位螺丝,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。
(3)将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。
接通放大器、锯齿波发生器、示波器的开关,观察示波器上的展现的频谱图,进一步细调干涉仪的两个方位螺丝,使谱线尽量强,噪声最小。
(4)改变锯齿波输出电压的峰值,看示波器上干涉序的数目有何变化,确定示波器上应展示的干涉序个数。
根据干涉序个数和频谱的周期性,确定哪些模属于同一k序。
(5)根据自由光谱范围的定义,确定它所对应的频率间隔(即哪两条谱线间距为ΔvS.R. )为减少测量误差,需要对x轴增幅,测出与ΔvS.R.相对应的标尺长度,计算出两者比值,即每厘米代表的频率间隔值。
(6)在同一干涉序k内观测,根据纵模定义对照频谱特征,确定纵模的个数,并测出纵模频率间隔ΔvΔq=1。
与理论值比较,检查辨认和测量的值是否正确。
氦氖实验论文
普通物理实验C课程论文题目________________________学院_____________________专业_____________________年级_____________________学号_____________________姓名_____________________指导教师_____________________论文成绩_____________________答辩成绩_____________________年月日氦氖激光器模式分析摘要:激光于二十世纪问世,激光具有单色性、相干性等诸多优良性质。
人们根据激光的特性制成了激光器。
激光的产生及激光器的发明在人们的生产生活中起到了重要的作用。
了解激光的产生原理,探究激光器的模式状况,有助于人类科学研究和生产生活关键词:氦氖激光器模式单模运行共焦球面干涉仪引言:在激光的生产与运用中,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模横模而且要求单模运行的激光器。
因此,进行模式分析是激光器的一项基本有重要的性能测试。
光波在激光器谐振腔内有能量的损失,通过实验研究来减少在谐振腔内的能耗。
在实际的运用过程中,有时候需要单模运行激光器,所以研究单模运行激光器也成了一个实验研究方向。
一、理论分析:1、激光形成的原理:当工作物质(能实现粒子数反转)受到外界激励后,就有许多粒子跃迁到激发态上,激发态的粒子不稳定,纷纷跳回基态,并发射出自发辐射光子。
这些光子射向四面八方,其中偏离轴线的光子很快就逸出谐振腔。
只有沿着轴向的光子,在谐振腔内由于两端两块反射镜的反射而不至于逸出。
这些光子成为引起受激辐射的外界感应因素,以至产生轴向的受激辐射。
受激辐射发射出来的光子和引起受激辐射的光子有相同的频率,发射方向、偏振状态和相位。
它们沿轴的方向不断地反复通过已实现了粒子数反转的工作物质,因而不断地引起受激辐射,使轴向进行的光子不断得到放大和振荡,这是一种雪崩式的过程,是谐振腔内沿轴向的光骤然增大,在部分反射镜中输出,形成激光。
激光模式
摘要摘要:通过本实验了解了激光原理,光学谐振腔的结构。
掌握谐振腔的模式稳定原则,并学会用其设计一个稳定的激光谐振腔。
同时掌握激光模式分析的基本方法,加深对其物理概念的理解。
最后了解共焦球面扫描干涉仪的工作原理,性能。
关键词:光学谐振腔,氦氖激光器模式分析1绪论1.1激光器模式的形成首先说纵模。
受激辐射不是绝对的单一波长,而是有一个很窄的频宽的,虽然电子的能级是一个定值,但因为热运动等各种原因,能级会展宽。
当激光器工作物质被激发,发出受激辐射光的时候,在这个频宽范围内的各种波长的光子都有,其数量是以中心频率为对称轴的正态分布。
这些所有波长的光子都试图在谐振腔中得到谐振从而成为优势波长。
如果谐振腔足够短,它仅仅是这所有波长中某一特定波长的整数倍,那么就只有这一特定波长的光子得以谐振成为优势波长,激光器会输出真正的单色光,这就是单纵模。
因为实际的谐振腔通常都比较长,在受激辐射的波长范围内,它可能同时是好几个波长的整数倍,因此会有好几种波长都得到谐振,这样的激光器就会输出好几种波长的光(由于受激辐射带宽本身很窄,所以这几个波长也非常接近),这就是多纵模。
Figure 1纵模的形成其次说横模如果激光器的谐振腔两反射面及工作物质端面都是理想平面,就不会有除了基模以外的其它横模输出。
这种情况下只有一个以工作物质直径为直径的基模输出。
因为此时只有基模状态下的光才能形成多次反射谐振的条件。
但是事实上反射面和端面都不可能是理想平面,尤其是在固体激光器中,工作物质受热发生凸透镜效应,导致腔内经过工作物质、与基模方向略有差异的某些光也可能符合多次反射的谐振条件,于是激光器会输出几个方向各不相同的光束。
(这个方向差异通常非常小)多横模损害了激光器输出的良好方向性,对聚焦非常不利,因此在需要完美聚焦的情况下,应当尽量减少横模。
1.2纵模越多,单色性、相干性越差。
谐振腔越短,纵模越少,因此在要求高单色性的时候,应尽量减小谐振腔长度。
基于He—Ne激光器模式分析实验研究
激光 器 输 出 的激光 光 谱 线宽 是 由 自然 增 宽 、 碰
传播 方 向 的横 向 x—y 面 内也 存 在 稳 定 的 场分 布 , 这 就是横 模 , 同的横 模 对 应 于 不 同横 向稳 定 的光 不
场分 布 和频率 . 谐振 腔对 光进 行多次 正反 馈 , 光每经
过放 电毛 细管反 馈一 次 , 相 当于一 次衍射 , 次反 就 多 复衍 射就 在横 向形 成 了稳 定 的衍 射 分 布 , 这种 分 布 通常是 几种 横模 叠 加 的结 果 . 个 模 由三个 量 子 数 一
0 引 言
激光 模 式 是反 映 激光 特 性 的一 个 基本 参 数 , 依 据不 同 的应 用场 合对 激光模 式参 数有着 不 同的技 术 要求 . 在现代 技 术应用 中 , 如定 向 、 精密 测量 、 全息 技 术等 需要基 横模 输 出 的激 光 器 , 激 光 稳频 和 激 光 而
曲艳 玲 ,张 萍 ,王 丽梅 ,吴 云 峰
( 连 民族 学院 理 学 院 , 大 大连 1 6 0 ) 1 60
摘 要 : 绍 了用 于 激 光 模 式 的 产 生 原 理 及 分 析 实 验 装 置 , 激 光 模 式 理 论 进 行 了提 炼 和归 纳 , 理 出 了 适 合 介 对 整
稳 定震荡 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 , 2 L: 即 这 正 是 光 波相
测距 等应用 不仅要 求 基横模 而且 要求单 纵模 运行 的
激光调腔与纵横模分析实验报告
激光调腔与纵横模分析实验一、实验目的:1.了解激光原理、光学谐振腔的结构。
2.掌握谐振腔的模式稳定原则,并学会用其设计一个稳定的激光谐振腔。
3.掌握实际调腔的操作方法。
4.了解激光器模的形成及特点,加深对其物理概念的理解。
5.通过测试分析,掌握模式分析的基本方法。
6.对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面打描干涉仪,了解其原理、性能,学会正确的使用。
二、实验原理:(一)激光原理与光学谐振腔激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔、激励能源。
激光实际上是一种受激辐射光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。
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。
因为受激辐射产生相干光子,而自发辐射产生非相干光子。
如果我们能创造一种情况,使腔内某一特定模式(或少数几个模式)的单色能量密度大大增加,而其他所有模式的单色能量密度很小,就能在这一特定(或少数几个)模式内形成很高的光子简并度。
也就是说,使相干的受激辐射光子集中在某一特定(或几个)模式内,而不是均匀分配在所有模式内。
这种情况可以用以下的方法实现:(如图1所示)将一个充满物质原子的长方体空腔去掉侧壁,只保留两个端面壁。
如果端面腔壁对光有很高的反射系数,则沿垂直端面的腔轴方向传播的光(相当于少数几个模式)在腔内多次反射而不逸出腔外,而所有其他方向的光则很容易逸出腔外。
此外,如果沿腔轴传播的光在每次通过腔内物质使不是被原子吸收(受激吸收),而是由于原子的受激辐射而得到放大,那么腔内轴向模式的单色能量密度就能不断的增强,从而在轴向模内获得极高的光子简并度。
这就是激光器的基本思想。
I,这不管初始光强多么微弱,只要放大器足够长,就总是能形成确定大小的光强m实际上就是自激振荡的概念,它表明,当激光放大器的长度足够长时,它可能成为一个自激振荡器。
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 -=∆'。
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。
半导体激光器的模式及特性
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性
LED和LD的光谱特性 和 的光谱特性
λ0 1.0 0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 40 60 0 -40 -20 0 20 40 λ0 λ0 1.0
(2~5)nm
1.0 0.8 相 对 0. 光 6 强 0.4 0.2 0 -60 -40
4.2.6 半导体激光器的基本特性
5.光谱特性 光谱特性 (4) 边模抑制比(SSR) 边模抑制比(SSR)
边模抑制比是指在发 射光谱中, 射光谱中,在规定的 输出功率和规定的调 制时最高光谱峰值强 制时最高光谱峰值强 度与次高光谱峰值强 度之比。 度之比。该参数仅用 于单模LD, 于单模 ,如DFB-LD。 - 。
4.2.5 半导体激光器的模式
1.激光器的模式分析 .
纵模决定频谱特性 纵模决定频谱特性 横模决定光场的空间特性 光场的空间特性, 横模决定光场的空间特性,即横模决定近场特性 在激光器表面)和远场特性(近场的傅里叶变换) (在激光器表面)和远场特性(近场的傅里叶变换) 横模分为水平横模和垂直横模两种类型。 横模分为水平横模和垂直横模两种类型。 水平横模和垂直横模两种类型 水平横模反映出有源区中平行于 结方向光场的空 水平横模反映出 有源区中平行于PN结方向光场的空 有源区中平行于 间分布, 主要取决于谐振腔宽度、 间分布 , 主要取决于谐振腔宽度 、 边壁材料及其制 作工艺。 作工艺。 垂直横模表示与PN结垂直方向上电磁场的空间分布。 垂直横模表示与 结垂直方向上电磁场的空间分布。 结垂直方向上电磁场的空间分布
o
近场 图案 远 场 光 o 斑 30
I =80mA 72 64 60
o 10 TEM00 S ~10µm W ~ 1µm
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
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。
激光器的振荡模式和模式选择
一般谐振腔中不同纵模有着相同的损耗,但由于频率的差异而具有
不同的小信号增益系数。因此,扩大和充分利用相邻纵模间的增益
差,或人为引人损耗差是进行纵模选择的有效途径。具体方法如下。
(1) 、短腔法
缩短谐振腔长度,可增大相邻纵模间隔,以致在荧光谱线有效
宽度内,只存在一个纵模,从而实现单纵模振荡。短腔选模条件可表
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由物理光学可知,标准具透射率峰值
对
应
的
频率为
m m
2
'
c
d cos
'
其中m为正整数,d为标准具厚度,‘为标准具材料的 折射率,’为标准具内光线内反射角。
相邻透射率峰的频率间隔,也称为标准具自由光谱范围
为:
m
c
2' d cos '
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若不计标准具的吸收散射损耗,透射谱线宽度为:
通过调节标准具的倾斜角θ、标准具 的温度活借助压电传感器改变厚度d 来实现队标准具的调整。
倾斜放置标准具避免了垂直放置时 可能产生的子腔振荡干扰。
平均增益系数等于G t,但实际上轴向各点的反转 集居数密度和增益系数是不相同的,波腹处增益
系数(反转集居数密度)最小,波节处增益系数(反
转集居数密度)最大。这一现象称作增益的空间
烧孔效应。
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2.空间烧孔引起多模振荡
我们再来看频率为νq‘的另一 纵模, 其腔内光强分布示于 图 (c)。由图可见, q'模式 的波腹有可能与q模的波节 重合而获得较高的增益,从 而形成较弱的振荡。以上 讨论表明,由于轴向空间烧 孔效应,不同纵模可以使用 不同空间的激活粒子而同 时产生振荡,这一现象叫做 纵模的空间竞争。
氦氖激光器模式分析与竞争
实验中改变扫描干涉仪的偏执电压,只能使示波器中模谱发生平移,而不 能改变示波器中的各模间的距离;改变扫描锯齿波的幅度,可以改变示波器中 的各模间的距离,随着锯齿波的幅度增大,示波器中的模间距变小,还可能出 现其他级次的模谱。
用偏振片观察短管两纵模间的偏振关系;
将激光源换成 JX-1 氦氖激光器,此时观察到的模谱轮廓如图七所示,图中 画出了两个不同的纵膜,可观察到激光管的模谱中也只包含不同模式的纵模,
t5-t4 0.16
t7-t6 0.16
t8-t7 平均 0.16 0.152
表 5 长管横模间隔
纵膜
t6-t3
Δt 纵
0.72
t7-t4 0.76
t8-t5 0.76
平均 0.747
实验测得自由光谱区对应的时间间隔为Δt = 3.240 ms,相邻纵模间隔对应
的时间间隔为Δ������纵 = 0.747 ms,相邻横模对应的时间间隔为Δ������横 = 152 ������������,故
瓷环上的电压成正比。实验中示波器的横向扫描采用与干涉仪的腔长扫描同步,
示波器的横坐标 t 的变化就可以表示干涉仪的频率变化,即 V L v t 。
要定量的分析就必须用自由光谱区来标定频宽,自由光谱区的范围是由干
涉仪的构造决定的。故在实验时激光输出的两个间隔最大的纵模间距要小于自
由光谱区。由纵横模在模谱上的间隔与自由光谱区的间隔进行比较可以得出纵
而没有不同模式的横模。
2
4
1
3
Δ������纵
自由光谱区
图七 JX-1 氦氖激光器模谱示意图
在激光器的出口加上偏振片后,然后旋转偏振片,我们会发现模的高
激光实验报告
激光实验报告He-Ne 激光器模式分析一.实验目的与要求目的:使学生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,掌握模式分析的基本方法。
对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪,了解其原理,性能,学会正确使用。
要求:用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne 激光器的相邻纵横模间隔,判别高阶横模的阶次;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.实验原理1.激光模式的一般分析由光学谐振腔理论可以知道,稳定腔的输出频率特性为:LCV mnq η2=[1q (m 2n 1)+++π]cos -1[(1—1R L )(1—2R L )]1/2(17)其中:L —谐振腔长度; R 1、R 2—两球面反射镜的曲率半径;q —纵横序数; m 、n —横模序数; η—腔内介质的折射率。
横模不同(m 、n 不同),对应不同的横向光场分布(垂直于光轴方向),即有不同的光斑花样。
但对于复杂的横模,目测则很困难。
精确的方法是借助于仪器测量,本实验就是利用共焦扫描干涉仪来分析激光器输出的横模结构。
由(17)式看出,对于同一纵模序数,不同横模之间的频差为:)(12'':n m L C n m mn ∆∆πηυ∆+=cos -1[(1-1R L )(1-2R L )]1/2 (18)其中:Δm=m -m ′;Δn=n -n ′。
对于相同的横模,不同纵模间的频差为q LCq q ∆ηυ∆2':=其中:Δq=q -q ′,相邻两纵模的频差为LCq ηυ∆2=(19)由(18)、(19)式看出,稳定球面腔有如图2—1的频谱。
(18)式除以(19)式得cos )(1'':n m n m mn q ∆∆πν∆∆+=-1[(1-1R L )(1-2R L )]1/2(20)设:qn m mn υ∆υ∆∆'':=; S=π1cos -1[(1-)]1)(21R LR L -1/2 Δ表示不同的两横模(比如υ00与υ10)之间的频差与相邻两纵模之间的频差之比,于是(20)式可简写作:Sn m ∆=∆+∆)( (21)只要我们能测出Δ,并通过产品说明书了解到L 、R 1、R 2(这些数据生产厂家常给出),那么就可以由(21)式求出(Δm +Δn )。
激光器中的光束特性与模式
激光器中的光束特性与模式激光器是一种广泛应用于科学研究、医疗、通信等领域的重要工具。
在激光器中,光束特性与模式是其关键的物理特性之一。
光束特性指的是激光的强度、相位、空间分布等参数,而光束模式则描述了光束的空间特性和能量分布情况。
在本文中,我们将深入探讨激光器中的光束特性与模式,以及它们在不同应用中的重要性。
激光器中的光束特性与模式首先与激光器的谐振腔结构密切相关。
激光器的谐振腔由两个反射镜构成,其中一个是半透明的输出镜。
光由激发介质(如固体、气体或半导体等)产生并被放大后,在这两个反射镜之间来回反射,形成一个光学腔。
这个腔的长度和反射镜的性质将决定光束的特性。
在激光器中,光的放大过程是通过固体、气体或半导体中的激发介质实现的。
激发介质通过吸收外界光或电能,将其转化为内部能量,并将这部分能量传递给光子,从而实现光的放大。
光束的放大程度与激发介质的特性、光的频率和谐振腔的长度等因素有关。
值得注意的是,激光器中的光束具有非常高的单色性。
这意味着光的频率非常集中,几乎没有频率上的宽度。
这是因为激光的放大与激发介质的特定能级之间的跃迁相关。
不同激发介质具有不同的能级结构,因此它们所能放大的频率范围也不同。
这种单色性使得激光器在科研实验、光谱分析和医学治疗等领域有广泛应用。
光束的空间分布也是激光器中的重要特性之一。
光束的空间模式描述了光的横截面分布情况。
常见的光束模式有高斯模式和多模式等。
在高斯模式下,光的能量集中在腔中央,逐渐向边缘衰减。
而在多模式下,光的能量分布在腔内的多个模式上。
不同的模式有不同的能量分布和光强分布特性。
选择适当的光束模式对于不同的应用具有重要意义。
例如,在光纤通信中,我们通常希望光束的模式尽可能接近高斯模式,以降低传输损耗和增加传输距离。
此外,光束特性与模式还会受到外界因素的影响,例如非线性效应和散射等。
非线性效应在高功率激光器中尤为重要,它会引起光的频率转换、谐波产生和自聚焦等现象。
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He-Ne 激光器模式分析
引言
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,掌握模式分析的基本方法。
2.对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪,了解其原理,性能,学会正确使用。
3.用共焦球面扫描干涉仪测量Ne He
-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 实验原理
单色性好是激光的特点之一,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,稳定又很精细的谱线.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。
又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,将有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是,光在谐振腔中往返一周的波程差应是波长的整数倍,即:
q
q L λμ=2
其中
μ
是折射率,L 是腔长,
q 是正整数。
这正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q
λ,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,只关心有几个不同的
q 值,即有几个不同的纵模。
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:
L c q
q μν2=
一般不计算它,只关心相邻两个纵模的频率间隔:
L
c L
c q 221≈
=
∆=∆μν
由此可看出纵模的特征:相邻邦纵模频率间隔相等,它们的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
mnq
TEM ,
q 是纵模标记,m 和n 是横模标记,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.
不同的纵模对应不同的频率,那么属于同一纵模序数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:
()⎭⎬⎫
⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆+∆⎩⎨⎧=∆∆+∆21
2111arccos 12R L R L n m L c n
m πμν
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,相邻横模频
率间隔为:
⎪⎭⎪⎬⎫⎪
⎩⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆=∆=∆=∆+∆21
2111
11arccos 1
R L R L q n m πνν
2.共焦球面扫描干涉仪
共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔,由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,L R R ==21
,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的压电
陶瓷环上。
扫描干涉仪有两个重要的性能参数 (1) 自由光谱范围
当一束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L 4,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a l ,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a λ的这个模的波长的整数倍时,即:a a k l λ=4
此时模
a λ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
b l ,使波长b λ的
模符合谐振条件,极大透射。
而a λ
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。
但若入射光波长范围超过某一限定时,外加电压虽可使腔长线性变化但一个确定的腔长有可能使几个不同波长的模同时产生相干极大,造成重序。
当腔长变化到可使
d λ极大时,a λ会再次出现极大,有
()a d d k k l λλ14+==
即k 序中的d λ和1+k 序中的a λ
同时满足极大条件,两种不同的模同时被扫出,叠加在一起,由此,扫描干涉仪存在一个不重序的波长范围限制。
所谓自由光谱范围就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..R S λ∆或..R S ν∆表示。
经推导有
l
R S 42
..λλ=
∆ 或
l
c R S 4..=
∆ν
(2) 精细常数F
精细常数是用来表征扫描干涉仪分辨本领高低的参数。
它的定义:自由光谱范围与最小分辨极限宽度之比,即在自由光谱范围内能分辨的最多的谱线数目。
δλ
λ.
.R S F ∆=
理论公式为
R
R
F -=
1π
三 实验装置
Ne He
-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
实验装置如下图
四 实验内容
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。
3. 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,在细调干涉仪板架上的两个方位螺丝,以使从干涉仪腔镜反射的最高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。
4. 将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。
5. 接通放大器、锯齿波发生器、示波器的电源开关。
6. 观察使波器上展现的频谱图,进一步细调干涉仪的两个方位螺丝,使谱线尽量强,噪声很小。
7. 分辨共焦强球面扫描干涉仪的自由光谱区,确定示波器横轴上每cm 所对应的频率数。
8. 观察多模激光器的模谱,记下其波形及光斑图形(可在远场直接观察),并且
(1)测出纵模间隔
(2)由干涉仪的自由光谱区计算激光器相邻纵模间隔,并与理论值相比较
(3)测出纵模个数,由纵模个数及相邻纵模间隔计算出激光器工作物质的增益线宽(通常认为He-Ne激光器的多普勒线宽约1300MHz)
(4)分析判断是否存在高阶横模,估计其阶词,并于远场光斑加以比较
9. 根据横模的频率频谱特征,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。
与理论
值比较,检查辨认是否正确。
代入公式解出
υ
∆的值。
10. 根据定义,测量扫描干涉序的精细常数
F.为提高测量的准确度,需将示波器的X轴再增幅,此时可利用经过计算后已知的最靠近的模间隔数值找标尺,重新确定比值,既每厘米代表的频率间隔值。
11. 改变放电电流,加入小孔,观察以上因素对激光模式的影响
12. 用吹风的方法观察模谱频率的漂移和“跳模”现象,并解释其原因。
思考题
1.如何确定干涉仪扫出的干涉序的个数?
2.辨认不同的纵模和不同横模的依据?
3.根据什么确定示波器频率增加的方向?
参考资料。