氦氖激光器模式分析

He-Ne激光器的模式分析

实验简介：相对一般光源，激光还具有单色性好的特点。也就是说，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了，而是受激辐射后又经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉，最后形成的一个或多个离散的、稳定的又很精细的谱线，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，我们用分辨率比较高的分光仪器可以观测到每个模。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式，发现又分别具有许多不同的特性，因此，为方便称呼，每个模又可以相应称做纵模和横模。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，如定向、精密测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距离等不仅要基横模而且要求单纵横运行的激光器，因此，进行模式分析是激光器一项基本又重要的性能测试。本实验是以几支具有不同模式的He-Ne 激光器为例，从它们展示出的频谱结构入手，来分析和研究激光器不同的纵模、不同的横模所具有的场分布特征，从而得出纵横个数、纵模频率间隔、横模个数、横模频率间隔、横模模序等结果。

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

图1 实验装置示意图

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6328Å。自

由光谱范围应在1500~2000MH z，每伏电压使腔长改变24~25Å，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。外形结构见图

图2 扫描干涉仪及放大器外形图

(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∽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0∽150V

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。

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，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。

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、示波器的开关。

6、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。

7、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?将峰值固定在 150V ，确定示波器上应展示的干涉序个数。

8、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?

9、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

.S R ν) 为减小测量误差，需要对 x 轴增幅，测出与

.S R ν相对应的标尺长度，计算出二者比值，即每厘米代表的频率间隔值。

10、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

1q ν=与理论值比较，检查辩认和测量的值是否正确。 11、根据横模的频谱特征，在同一q 纵模序内有几个不同的横模?测出不同的横模频率 间隔m n ν=与理论值比较，检查辨认是否正确。代入公式(2.4)，解出△m+△n 的值。

12、确定横轴频率增加的方向，请同学们思考一下，根据什么辨别？以便确定在同一q 纵模序内哪个模是高阶横模，哪个模是低阶横模，及它们间的强度关系。

13、从激光器输出的反方向观察光斑形状，注意这时看到的应是它所有横模的叠加图， 还需结合图2.4 中单一横模的形状加以分解，以便确定每个横模的模序m ，n 值。

14、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，即每 厘米代表的频率间隔值。

15、通过对以上四支具有代表性的不同模式状况的激光器进行观测，总结模式分析的 基本方法。在总结中要回答出以下几个问题，写在实验报告中：

（1）根据什么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的横模的依据。

（3）根据什么确定示波器频率增加的方向?

思考题

l 、观测时，为何要先确定示波器上被扫出的干涉序的数目，有何好处?