激光调腔与纵横模分析实验报告.docx

激光调腔与纵横模分析实验 一、实验目的： 了解激光原理、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。 掌握实际调腔的操作方法。 了解激光器模的形成及特点，加深对其物理概念的理解。 通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。 对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面打描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确的使用。 二、实验原理： (一)激光原理与光学谐振腔 非轴向模轴向模图 1.光谐振腔的选模作用激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔、激励能源。激光实际上是一种受激辐射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。如果用某种激励方式，将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。因为受激辐射产生相干光子，而自发辐射产生非相干光子。如果我们能创造一种情况，使腔内某一特定模式（或少数几个模式）的单色能量密度大大增加，而其他所有模式的单色能量密度很小，就能在这一特定（或少数几个）模式内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某一特定（或几个）模式内，而不是均匀分配在所有模式内。这种情况可以用以下的方法实现：（如图 1 非轴向模 轴向模 图 1.光谐振腔的选模作用 将一个充满物质原子的长方体空腔去掉侧壁，只保留两个端面壁。如果端面腔壁对光有很高的反射系数，则沿垂直端面的腔轴方向传播的光（相当于少数几个模式）在腔内多次反射而不逸出腔外，而所有其他方向的光则很容易逸出腔外。此外，如果沿腔轴传播的光在 每次通过腔内物质使不是被原子吸收（受激吸收），而是由于原子的受激辐射而得到放大，那么腔内轴向模式的单色能量密度就能不断的增强，从而在轴向模内获得极高的光子简并度。这就是激光器的基本思想。 不管初始光强多么微弱，只要放大器足够长，就总是能形成确定大小的光强 I m，这实际上就是自激振荡的概念，它表明，当激光放大器的长度足够长时，它可能成为一个自 激振荡器。实际上，我们不可能也没必要把激活物质的长度无限增加，只要在具有一定长度的光放大器两端放置如上所述的光谐振腔，就可以使轴向光波模在反射镜间往返传播， 就等效于增加了放大器长度。 综上所述，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，光谐振腔要求用已提供的各种参数的镜片来设计完成。 图(二)调腔实验调节方法：十字小孔成像准直法 图 如图 1 所示，十字屏中心有一小孔，用照明光源照亮十字屏。通过小孔沿光轴观察放 电管，移动十字屏位置，在放电管端头找到放电管中心的光点，如图2（a）所示。然后调节腔镜，并观察十字线的像，使其交点与放电管中心光点重合，调节到如图2（c）所示状 态后（标志着腔镜已经与放电管轴线垂直），将十字屏、照明光源换到激光腔另外一端，按照以上调节方法，同样调节到如图2（c）所示状态，即可能有激光输出。否则，可重复 以上步骤，反复调节，直至输出红色激光。可以使用光功率计（自备）检测输出激光强度， 微调两腔镜，以达到最佳输出光强。波长。 (三）激光器模的形成 被传播的光波绝不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是指光的中心波长而已）。因能级有一定宽度，粒子在谐振腔内运动又受多种因素的影响，实际激光器输出的 光谱宽度是自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽叠加而成。不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低气压、小功率的He-Ne 激光器谱线，则以多普勒增宽 为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHZ，见图4。只有频率落在展宽范围 内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放大，但只有单程放大，还不足以产生激 光，还需要有谐振腔对它进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定持续的振荡，才 有激光输出的可能。而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 2?L ? q? q （1） hvhvhv hv hv hv I(v) N1 E1 (N2N1)  V0 v 图 3 粒子数反转分布 图 4 光的增益曲线 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，μ 是折射率，对气体μ≈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? q ，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（1）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