He-Ne激光器模式分析.doc

1 He-Ne 激光器模式分析一实验目的 1 了解激光器的模式结构,加深对模式概念的理解。 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。二实验仪器实验装置如图 1 所示。实验装置的各组成部分说明如下: 1 待测 He-Ne 激光器。 2 激光电源。 3 小孔光阑。 4 共焦球面扫描干涉仪。 5 接收器。 6 电子计算机。三实验原理 1 激光器模的形成我们知道,激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式,在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, 如图 2 所示。实际上, 由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响, 增益介质的增益有一个频率分布, 如图 3 所示, 图中)(?G 为光的增益系数。只有频率落在这个范围内的光在介质中传 2 播时, 光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大, 还不足以产生激光, 要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈, 使光在多次往返传播中形成稳定、持续的振荡。形成持续振荡的条件是,光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍,即 qqL???2 (1) 式中, ?为折射率,对气体?≈1;L 为腔长; q 为正整数。这正是光波相干的极大条件, 满足此条件的光将获得极大增强。每一个 q 对应纵向一种稳定的电磁场分布, 叫作一个纵模,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( 1 )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式存在的, q 值反映的恰是驻波波腹的数目,纵模的频率为 L cq q??2 ?(2) 同样,一般我们不去求它,而关心的是相邻两个纵模的频率间隔 L cL c q22 1???????(3) 从( 3 )式中看出,相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比, 即腔越长, 相邻纵模频率间隔越小, 满足振荡条件的纵模个数越多; 相反, 腔越短, 相邻纵模频率间隔越大, 在同样的增益曲线范围内, 纵模个数就越少。因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。光波在腔内往返振荡时,还需要增益大于各种损耗的总和, 3 才能形成持续振荡, 有激光输出。如图 4 所示, 有五个纵模满足谐振条件, 其中有两个纵模的增益小于损耗, 所以, 有三个纵模形成持续振荡。对于纵模的观测, 由于 q 值很大, 相邻纵模频率差异很小,一般的分光仪器无法分辨,必须使用精度较高的检测仪器才能观测到。谐振腔对光多次反馈,在纵向形成不同的场分布,那么对横向是否也会产生影响呢?回答是肯定的,这是因为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, 就在横向形成了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。激光的模式用 mnq TEM 来表示, 其中,m 、n 为横模的标记,q 为纵模的标记。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。前面已知, 不同的纵模对应不同的频率, 那么同一个纵模序数内的不同横模又如何呢? 同样, 不同的横模也对应不同的频率