激光调腔与纵横模分析

实验4：激光调腔与纵横模分析

周震亚

华中科技大学物理学院 应用物理1101班 U201110249

摘要：光学谐振腔 氦氖激光器模式分析

实验内容：

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.掌握激光模式分析的基本方法，加深对其物理概念的理解。

4.了解共焦球面打描干涉仪的工作原理、性能。

实验原理：

1.激光原理与光学谐振腔

一个激光器应包括光放大器和光谐振腔两部分，对于光腔的作用，至少应该归结为两点：模式选择和提供轴向光波模的反馈。在本实验中的光放大器为氦－氖激光管。

2.模式稳定原则

在激活物质两端恰当的放置两个反射镜片，就构成一个最简单的光学谐振腔。光学谐振腔的分类大致为：闭腔、开腔（稳定腔、非稳腔、临界腔）和气体波导腔。本实验中采用的是一种开放式的共轴球面稳定腔，由两块具有公共轴线的球面镜构成。对于球面镜腔的稳定条件，可由几何光学理论来讨论，运用矩阵乘法法则，并将矩阵元用参数g 1和g2表示，其中

2

1111 ,1R L g R L g -=-= （8） 得到球面镜腔的稳定条件：1021<

上式即为共轴球面腔的模式稳定原则。式中，当凹面镜向着腔内时，R 取正值，而当凸面镜向着腔内时，R 取负值。通常来说，21g g 的值越接近1表示介质的利用率越高，越接近0表示越难以调整出光，在设计选择时应注意综合考虑。

3.He-Ne 气体激光器的模式分析

形成持续振荡的条件是，光在谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍，即

q q nL λ=2 （9）

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，其它则相互抵消。式中，n 是折射率，对气体n ≈1，L 是腔长，q 是正整数，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（9）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成存在的，q 值反映的恰是驻波波腹的数目，纵模的频率为，

L

c q

q 2=ν （10） 同样，一般我们不去计算它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔，

L

c q 21=∆=∆ν 可看出，相邻纵模频率间隔和腔长成反比，腔越长，纵ν∆越小，满足振荡

条件的纵模个数越多；腔越短，纵ν∆越大，在同样增宽曲线范围内，纵模个数

就越少，因而可用缩短腔长的办法获得单纵模运行激光器的方法之一。

4.共焦球面扫描干涉仪

共焦球面扫描干涉仪是一个无源谱振腔，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。反射镜镀有高反射膜。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，如图7，图中1为由低膨胀系数制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜R 1和R 2总是处在共焦状态；2为压电陶瓷环，其特性是若在环的内外壁上加一定数值的电压，环的长度将随之发生变化，而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关系，这正是扫描干涉仪被用来扫描的基本条件，由于长度的变化量很小，仅为波长数量级，它不足以改变腔的共焦状态，但是当线性关系不好时，会给测量带来一定的误差。

（1）自由光谱范围

所谓自由光谱范围（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..R S λ∆或者..R S ν∆表示。经推导，可得 l l a a d 42

λλ=-

由于d λ与a λ间相差很小，可共用λ近似表示

l R S 42..λλ=∆

用频率表示，即为 l c R S 4..=∆ν

（2）精细常数

精细常数F 是用来表征扫描干涉仪分辨本领高低的参数，定义是：自由光谱

范围与最小分辨率限宽度之比，即在自由光谱范围内能分辨的最多的谱线数目，根据精细常数定义 δλλ..R S F ∆=

（19）

其中δλ就是干涉仪所能分辨出的最小波长差，我们用仪器测出的一个模的宽度△λ代替，从展开的频谱图中我们可以测定出F 值的大小，精细常数的理论公式为

R R

F -=1π

（20）

R 为凹面镜的反射率，从式（20）看，F 只与镜片的反射率有关，实际上还与共焦腔的调整精度、镜片加工精度、干涉仪的入射和出射光孔的大小及使用时的准直精度等因素有关。其实际值应由实验来确定。

实验仪器：

He-Ne 气体激光器的模式分析实验装置：

共焦球面扫描干涉仪

主要性能指标

1、反射镜（膜）：多层介质高反射膜；反射中心波长：632.8nm

2、自由光谱区：2.5GHz （适用于氦氖）

3、精细常数：﹥100

4、振子：锆钛酸铅压电陶瓷

5、光电接收器：PIN光电接收器（含放大器）

6、仪器工作条件：环境温度较稳定，无剧烈变化，相对湿度在85%以下。

具体实验：

设计一个氦氖激光器谐振腔，并调整使其输出激光

一.按照实验讲义的装置图连接好实验的仪器。注意不要讲激光管的电源正负极接反，并且做实验的时候不要碰触接头。

二.首先，为了便于调节，先用肉眼粗略的将激光器的位置调节水平，然后将全反镜与半反镜粗略的放置与激光器垂直，下面开始精细的调节。

三.接通电源。先调节输出镜处的光路。首先透过输出镜，调节输出镜可以看到一个亮点。然后透过一个带有十字架的遮光板，可以看到在原来的亮点中还有一个小的更亮的点。这时，用台灯照亮十字架，可以看见视野中有一个十字架，这时，调节输出镜，将小的亮点与十字架的中心调节至重合。

四.重复上一步的做法，调节全反镜。

五.不停的重复调节全反镜和输出镜，使其与激光管三者完全在一条线上，这时，微微的调节全反镜与输出镜，看到视野中的白点微微发红时，就不要用眼睛观察，此时，细微的调节全反镜和输出镜，直到出现激光，此时调节成功。

激光模式分析

1.由于之前中调节出的激光强度太弱，不便于作模式分析，改用实验室提供的腔长为460mm的激光器。使被测激光束输入干涉仪的中心，细调干涉仪的方位螺丝，使反射光点能回到激光器输出镜上光的输出点，然后打开锯齿波的电源和示波器待测电源开关，进一步细调干涉仪支架上的两个方位调节旋钮，使谱线尽量强，噪声最小。

2.调节示波器的参数，使屏幕上显示若干个干涉序的波形，同时把波形保存在U 盘里。

3.选择一个合适的波形，对示波器的x轴进行定标，由此计算纵模间隔和精细常数等。

数据分析：

用示波器观察激光透过干涉仪的激光模式频谱。波形图如下：