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。

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。

减少横模的主要途径有：1、改善谐振腔反射镜与工作物质端面所形成的光路的等效平面性，如果产生了凸透镜效应则要想办法补偿；2、减小谐振腔和工作物质直径。

2实验原理

2.1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。

2.2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g1和g2表示，其中

g1=l-L

R1

g2=l-

L

R2

得到球面镜腔的稳定条件：

0

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，g1g2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。

2.3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

2nL=qλq

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，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，

V q=q c 2L

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，

ΔVΔq-1=c

2L

可看出，相邻纵模频率间隔和腔长成反比，腔越长，ΔV纵越小，满足振荡条件

的纵模个数越多；腔越短，ΔV纵越大，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。

3实验和理论推导结果

3. 实验步骤

设计一个氦氖激光器谐振腔，并调整使其输出激光 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。

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。

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。 重复上一步的做法，调节全反镜。

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

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。

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。 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。