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激光实验报告

he-ne激光器模式分析

一．实验目的与要求

目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，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——共焦球面扫描干

涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。

要求：用共焦球面扫描干涉仪测量he-ne激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶

横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的

横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。

二．实验原理

1.激光模式的一般分析

由光学谐振腔理论可以知道，稳定腔的输出频率特性为：

vmnq?l1/21lc[q?(m?2n?1)]cos-1[(1—)(1—)]r2?r12?l

(17)

其中：l—谐振腔长度；r1、r2—两球面反射镜的曲率半径；

q—纵横序数；m、n—横模序数；η—腔内介质的折射率。

横模不同（m、n不同），对应不同的横向光场分布（垂直于光轴方向），即有不同的光斑

花样。但对于复杂的横模，目测则很困难。精确的方法是借助于仪器测量，本实验就是利用

共焦扫描干涉仪来分析激光器输出的横模结构。

由（17）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为：

mn:mn?ll1/2c1(?mn)cos-1[（1－）(1－)]（18）r1r22?l?

其中：δm=m－m′；δn=n－n′。对于相同的横模，不同纵模间的频差为

q:q?c?q2?l

其中：δq=q－q′，相邻两纵模的频差为

q?c2?l

（19）

由（18）、（19）式看出，稳定球面腔有如图2—1的频谱。

（18）式除以（19）式得

ll?mn:mn1?(?m??n)cos-1[(1－)(1－)]1/2r1r2??q?

（20）设：mn:mn

q；s=1?cos-1[(1－ll)(1?)]1/2r1r2

δ表示不同的两横模（比如υ00与υ

比，于是（20）式可简写作：10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之

(?m??n)??s

（21）

只要我们能测出δ，并通过产品说明书了解到l、r1、r2（这些数据生产厂家常给出），

那么就可以由（21）式求出（δm+δn）。如果我们选取m=n=0作为基准，那么便可以判断出

横模序数m、n。例如，我们通过测量和计算求得（δm+δn）=2，那么，激光器可能工作于

υ00、υ10、υ01、υ11、υ20、υ02。

2.共焦球面扫描干涉仪的基本工作原理

共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图2—2。反射镜的曲率半径

r1=r2=l。

图2-2

由于反射镜的反射率相当高，注入腔内的光束将在腔内多次反射形成多光束，从多光束

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干涉的角度来看，入射光束中那些满足干涉相长条件的光谱成分才能透过干涉仪。当光束正

入射时，干涉相长的条件为：4?l?m?其中η为折射率；l为腔长；m为一正整数。

我们定义相邻两个干涉级之间所允许透射光的频差为干涉仪的自由光谱范围：

c??f?4?l

只要注入光束的频谱宽度不大于δυf，那么在干涉仪扫描过程中便能逐