氦氖激光器横模纵模分析及模分裂与模竞争.docx

氦氖激光器横模纵模分析及模分裂与模竞争【摘要】本实验观测了长为33.8cm的长激光管和长为24.2cm的短激光管的模谱，通过已知的自由光谱区1875MHz定标，测得长激光管纵模间距440.63MHz；长激光管横模间距为93.75MHz；短激光管纵模间距619.35MHz。实验数据与理论值符合较好。同时观测了氦氖激光器的出光带宽，并观察双折射效应下纵模分裂的现象，分析激光偏振态的性质。【关键词】He-Ne激光器，横模与纵模，共焦球面扫描干涉仪，自由光谱区引言激光是20世纪60年代的伟大发明，它的诞生开创了光学技术的崭新局面，影响到了自然科学的各个领域。新的交叉学科如激光化学、激光生物学、激光医学等。激光具有极好的方向性，单色性，相干性和极高的亮度。激光具有这些特性是由于其发光机理和普通光源根本不同，激光是受激辐射光，而普通光是自发辐射光；此外还由于激光器的光学谐振腔的选模作用。激光器有增益介质、光学谐振腔和激励能源组成，激光谐振腔有本征频率，每一个频率对应一种广场分布，叫做一种模式。引入横模纵模的概念来描述谐振腔内每个本征频率对应的光场分布。谐振腔不同，他的模式就不相同。本实验利用“共焦球面扫描干涉仪”来测量激光的频率间隔，结合激光的远场横向分布，可以分析激光器建立的激光横模序数，并且观察模分裂和模竞争现象。实验原理激光的产生原理频率的光照射具有能级为，的介质时，将同时有受激辐射和自发跃迁吸收过程，前者辐射光与入射光具有相同的模式，受激辐射光与入射光相互叠加，产生光的放大作用；后者则使光减弱。当介质粒子数分布状态满足粒子数反转状态时，介质对光有增益作用才能引起光的放大。He-Ne激光器,横模与纵模及其频率间隔激光器由增益介质，光学谐振腔和激励能源组成，激光谐振腔有本征频率，每一个频率对应一种广场分布，叫做一种模式。纵模描述轴向光场分布状态，横模描述横向的分布状态。He-Ne激光器谐振腔由两片直径为2a，间隔为L的介质膜反射镜相对放置组成，用放电激励的方法使某个上能级的粒子数多于下能级的粒子数，这种状态成为粒子数反转。当激光器的工作物质处于粒子数反转状态时，由于自发辐射，产生了出事的光，光通过增益介质被放大，继续向前传播到达另一面反射镜，经反射后，再通过增益介质放大，如此多次往返，往返一次增益大于损耗的那些频率的光逐渐加强，最后在谐振腔里形成稳定的光场分布，便有激光输出。纵模：两列沿轴向相向传播的同频率的光波相干叠加形成驻波，在腔内形成驻波场才是稳定的，由此谐振腔允许的激光频率是 （1）只有那些频率是的整数倍的光才能形成稳定的光场分布，这些驻波场的分布成为纵模的频率间隔为 （2）相邻纵模的频率间隔是相等的。 每种增益介质都对应了一种增益曲线G(v)。只有增益大于损耗纵模才可以保留，故最终达到稳定后输出的激光只有几个分立的纵模。横模：光在谐振腔中来回反射时，由于工作物质的横截面和镜面都是有限的，当平行光通过它们时，因为衍射作用，使出射光波阵面发生畸变，从而在垂直于光的传播方向及横向上，将出现各种不同的场强分布，每一种分布形式叫做一种横模。横向分布是二维的。用三个指标m,n,q来完整的描述一个模式，m,n——横模序数，q——纵模序数。对同样的横模序数m,n (3)对同一级q，非共焦腔的横模频率差为 (4)其中R1 ，R2为两反射镜的曲率半径，若腔长L比反射镜的曲率半径小，则横模频率间隔比纵模频率间隔小。3．模竞争与模分裂激光器的出光带宽定义在激光增益曲线内总增益大于总损耗所限定的频率范围。在激光器增益带宽较宽，激光纵模间隔较小时，可能有几个纵模处于出光带宽内，必然引起多纵模对增益的竞争。大多数类型的激光器输出的每一个纵模（频率）也就是线偏振的，而且相邻的两个纵模要么事正交偏振，要么是平行偏振的。激光模分裂指的是物理效应，如双折射和塞曼效应等把激光器的一个频率分裂成两个的现象。实验内容实验仪器装置及原理（1）实验装置JDW-3激光电源，JX-1激光电源，氦氖激光管（长，短），扫描干涉仪，示波器,压电陶瓷电源等。实验一实验二图（1）实验装置连接示意图（2）共焦扫描干涉仪的原理共焦扫描干涉仪是由两个曲率半径相等，镀以低损耗、高反射膜的球面反射镜组成。两镜之间的距离L等于曲率半径R，构成一个共焦系统。其中一面镜子固定不动，另一面镜子固定在压电陶瓷环上，在压电陶瓷环内外壁上加上一定方向，适当幅度，适当周期的锯齿波电压，则压电陶瓷环的长度与该电压成正比，则L在一定范围内做周期性变化。一束入射光有两组透射光，为了使投射光束相干叠加长生极大，干涉腔的腔长是透过波长的线性函数 （5） 光通过干涉仪后用光电二极管接收，经放大后接到示波器Y轴上，改变腔长L的锯齿波电压同时加在X轴上，透过干涉仪的激光频率变化与L的变化成正比即频率的变化与电压