激光实验报告讲解

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：

L C V mnq η2=

[1q (m 2n 1)+++π]cos -1[(1—1

R 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 ）(1－2

R 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 L

C

q q ∆ηυ∆2':=

其中：Δq=q －q ′，相邻两纵模的频差为

L

C

q 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 )(1－2

R L )]1/2

（20）

设：q

n m mn υ∆υ∆∆'':=

； S=

π

1

cos -1[(1－)]1)(21R L R L -1/2

Δ表示不同的两横模（比如υ00与υ

10）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：

S

n 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 ）。如果我们选取m=n=0作为基准，那么便可以判断出横模序数m 、n 。例如，我们通过测量和计算求得（Δm +Δn ）=2，那么，激光器可能工作于υ00、υ10、υ01、υ11、υ20、υ02。

2. 共焦球面扫描干涉仪的基本工作原理

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2—2。反射镜的曲率半径R 1=R 2=L 。

图 2-2

由于反射镜的反射率相当高，注入腔内的光束将在腔内多次反射形成多光束，从多光束干涉的角度来看，入射光束中那些满足干涉相长条件的光谱成分才能透过干涉仪。当光束正入射时，干涉相长的条件为：

ληm L =4

其中η为折射率；L 为腔长；m 为一正整数。

我们定义相邻两个干涉级之间所允许透射光的频差为干涉仪的自由光谱范围：

L C

F ην∆4=

只要注入光束的频谱宽度不大于ΔυF ，那么在干涉仪扫描过程中便能逐次透过，若在干涉仪的后方使用光电转换元件接收透射的光强，再将这种光转换为电信号输入到示波器中，于是在示波器的荧光屏上便显示出如图1—1那样的激光频谱。将该谱图拍照下来，在读数显微镜下读取相应的Δ值，再求出待测激光器的S 值，代入（21）式，即可求出（Δm +Δn ），进而断定横模序数。

三．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。实验装置如下图

图2-3

四．实验步骤和内容

1.按照实验装置图将其连接好，然后检查其是否合理。

2.将激光器打开。注意要先弄好在打开开关。注意激光器的安全。

3.调节光路，先将激光调准直。将光具架上得器件全都拿走，只剩下光阑。然后调节激光器的旋钮使激光透过光阑的小孔，注意近调近，远调远。使得光阑在光具架上移动时，激光全通过小孔。这时激光就几乎准直了。

4.将激光打到光阑小孔，调整扫描干涉仪上下左右的位置，使得激光光束能透过小孔中心，在细调干涉仪板架上得两个方位螺丝，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。

5.将放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。

6. 接通放大器、锯齿波发生器、示波器的电源开关。

7. 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。

8. 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。

9. 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

10. 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（1-5），解出的值。

11. 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，既没厘米代表的频率间隔值。

12. 改变放电电流，加入小孔，观察以上因素对激光模式的影响

13. 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

五．实验数据及其处理