HeNe激光器谐振腔调整及纵横模观测1.pdf
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1、实用 文案 实验一 He-Ne 激光器谐振腔调整及纵横模观测 相对一般光源,激光具有单色性好的特点,也就是说,它具有非常窄的谱线宽度。这样窄的谱线,不是受激辐射后自然形成的,而是受激辐射经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉后形成的。所形成的一个或多个离散的、稳定的又很精细的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。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时,发现又分别具有许多不同的特征,因此,为方便每个模又相应称作纵模和横模。在激光器的生产与应用中,我们常
2、常需要先知道激光器的模式状况,如精密测量、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等不仅要求基横模,而且要求单纵模运行的激光器。因此,模式分析是激光器的一项基本而又重要的性能测试。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
3、增益介质逐渐增强、放大,如图 2-1 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2-2 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 图 2-1 粒子数反转分布 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 qqL2 (2-1)实用 文案 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
4、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(2-1)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 图 2-2 光的增益曲线 Lcqq2 (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 LcLcq221 (2-3)从(2-3)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
5、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,一方面有增益,使光不断增强;另一方面也存在着多种损耗,使光强减弱,如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面的透射损耗、放电毛细管的衍射损耗等。所以,不仅要满足谐振条件,还需要增益大于各种损耗的总和,才能形成持续振荡,有激光输出。如图 2-3 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,在纵向形实用 文案 成不同的场分布,那么对横向
6、是否也会产 图 2-3 纵模和纵模间隔 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。图 2-4 中,给出了几种常见的基本横模光斑图样。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加。激光的模式用mnqTEM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。图 2-4 常见的横模光斑图 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
7、频率。横模序数越大,频率越高。通常我们也不需要求出横模频率,我们关心的是不同横模间的频率差。经推导得 2121)1)(1(arccos)(12RLRLnmLcnm (2-4)其中,m、n分别表示X、Y 方向上横模模序差,1R、2R为谐振腔的两个反射镜的曲率半径,相邻的横模频率间隔为 212111)1)(1(arccos1RLRLqnm 实用 文案(2-5)从上式中还可看出,相邻的横模频率间隔与相邻的纵模频率间隔的比值是一个分数,如图 2-5 所示。分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定,腔长与曲率半径的比值越大,分数值越大。当腔长等于曲率半径时(21RRL),分数值达到极大,即横模间隔是纵模间
8、隔的 1/2,横模序数相差为 2 的谱线频率正好与纵模序数相差为 1 的谱线频率简并。图 2-5 纵模、横模的分布 激光器中能产生的横模个数,除前述增益因素外,还与放电毛细管的粗细,内部损耗等因素有关。一般说来,放电毛细管直径越大,可能出现的横模个数就越多。序数越高的横模,其衍射损耗越大,形成稳定的振荡就越困难,但激光器输出光中横模的强弱绝不能仅从衍射损耗一个因素考虑,而是由多种因素共同决定的。这是在模式分析实验中,辨认哪一个是高阶横模时易出错的地方。因为,仅从光的强弱来判断横模阶数的高低,即认为光最强的谱线一定是基横模,这是不对的,而应根据高阶横模具有高频率来确定。横模频率间隔的测量同纵模频
9、率间隔的测量一样,需借助展现的频谱图进行计算。但阶数m和n无法仅从频谱图上确定,因为频谱图上只能看到有几个不同的nm,可以测出nm的差值,然而不同的m或n可对应相同的nm,在频谱图上则是相同的,因此要确定m和n各是多少,还需结合激光器输出的光斑图形进行判断。当我们对光斑进行观察时,看到的是全部横模的叠加图,即图 2-4中几个单一态光斑图形的组合。当只有一个横模时,很容易辨认。如果横模个数比较多,或基横模很强,掩盖了其它横模,或某高阶模太弱,都会给分辨带来一定的难度。但由于我们有频谱图,知道了横模的个数及彼此强度上的大致关系,就可缩小考虑的范围,从而能准确地确定出每个横横的m和n值。2共焦球面扫
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