激光模谱实验_指南

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1、 1He-Ne 激光器谐振腔调节与模谱分析激光器谐振腔调节与模谱分析 实验注意事项实验注意事项 1 不要随意实用或操作未经允许的实验仪器或装置。不要随意实用或操作未经允许的实验仪器或装置。 2 注意激光安全。绝对不可用眼直视激光束，或借助有聚光性的光学组件观察 激光束，以免损伤眼睛。注意激光安全。绝对不可用眼直视激光束，或借助有聚光性的光学组件观察 激光束，以免损伤眼睛。 3 He-Ne 激光器电源有高压输出，严禁接触电源输出和激光头的输入端，以防 触电。He-Ne 激光器电源有高压输出，严禁接触电源输出和激光头的输入端，以防 触电。 4 严禁用手或其他物品接触所有光学元件的光学表面（如激光管

2、输出端和反射 镜片的表面） 。严禁用手或其他物品接触所有光学元件的光学表面（如激光管输出端和反射 镜片的表面） 。 5 支架上的调整螺丝，只可微量调整。过度的调整，会损坏仪器。支架上的调整螺丝，只可微量调整。过度的调整，会损坏仪器。 激光模谱实验预习要求激光模谱实验预习要求 1 了解 He-Ne 激光器的基本结构和工作原理。 2 明确本实验的主要实验目的。 3 能够简要说明激光器谐振腔的结构及输出激光模谱特性。 4 明确本实验拟完成的主要实验和观测内容。 一、实验目的一、实验目的 1 学习半外腔式 He-Ne 激光器谐振腔的共轴调节方法。 2 观察 He-Ne 激光器的激光输出特性。 3 用共

3、焦球面扫描干涉仪测量 He-Ne 激光器输出模谱。 二、实验原理二、实验原理 1 He-Ne 激光器谐振腔的共轴调节激光准直法激光器谐振腔的共轴调节激光准直法 He-Ne 激光器的谐振腔主要由放电毛细管和位于两端的反射镜构成。 激光器 谐振腔的共轴调节主要包括以下内容： （1）毛细管的直度调节；由于放电毛细 管很细（内径只有 1-2mm） ，毛细管必须有很好的直度才能保证激光能够顺利通 过，毛细管的增益截面才能得到有效利用。 （2）两端反射镜的平行度调节；为 使激光在两反射镜之间来回反射多次而不溢出腔外，使光波在腔内有足够的寿 命，两反射镜之间就要保持很高的平行度才行。 （3）毛细管和反射镜的

4、垂直度 调节；只有毛细管和反射镜高度垂直度，反射光波才能多次通过毛细管中的增 益介质被放大。 图 1 半外腔式谐振腔结构示意图 2图 2 激光准直法光路示意图 本实验主要学习用激光准直法对激光谐振腔的平行度和垂直度进行调节。 图 1 所示为本实验所用的 He-Ne 激光器谐振腔的结构示意图。 图 2 为用激光准 直法调节谐振腔的光路示意图。图中，LD 为一小功率半导体激光器，SL 为一 小孔光拦。当激光器因为谐振腔失谐不出光时，可通过以下步骤调节出光： （1）将谐振腔的部分反射镜（输出镜）先拿掉。初步调整 He-Ne 激光管支 架上的微调旋钮使激光管位于支架中心且与导轨基本平行。 （2）通过在

5、导轨上前后移动小孔光栏和调整 LD 支架的方向调节旋钮，使 激光束与导轨平行且高度合适（参考 He-Ne 激光器毛细管的位置，使激光束与 毛细管高度尽量相同） 。将小孔光拦靠近 LD，并使激光束通过小孔中心。 （3）微调 He-Ne 激光管支架上的微调旋钮，使 LD 激光束准确穿过毛细管 中心，并经全反射镜反射后沿原光路返回。此时在小孔光拦上可看到返回的光 斑刚好聚焦到小孔附近。 （4）将取下的部分反射镜放回原处并固定好（要使激光束通过中间的反射 膜） 。微调反射镜支架的微调旋钮，使由反射镜反射回的 LD 激光也刚好回到 小孔光拦的小孔上。 此时 He-Ne 激光器应该有激光产生 （如果看不到

6、激光产生， 说明调节不够精确，需重复上述调节过程直到有激光输出） 。 （5）关闭半导体激光器。用激光功率计测量激光输出功率；并进一步微调 输出反射镜支架的微调旋纽，使激光输出功率达到最大。 2 输出激光的模式输出激光的模式 （1）纵模。）纵模。光在谐振腔内来回反射时，要使谐振腔内能形成稳定的光场分布， 光在腔内一个来回的光程必须是波长的整数倍，即 qqL=2， （1） 其中为增益介质的折射率，L 是谐振腔的腔长，q 为整数。每个 q 对应一种可 能的输出波长，称为一个纵模。 （2）横模。）横模。通常，由于光波衍射，一谐振腔输出光场的横截面会产生几种可 能的分布形式，如图 3 所示，称为横模。

7、3图 3 不同横模模式激光强度分布示意图 表示激光模式的常用符号为 TEMmnq，或简写为 TEMmn .(TEM: Transverse Electromegnatic Mode)。严格的理论分析可以证明，对于一般稳定球面腔，其可 能的谐振频率为： 1/21121(1)cos(1)(1)2mnqcLLqmnLRR=+， （2） 其中，q 就是纵模序数，m、n 则为横模序数。因此，相邻两个纵模的频率间隔 为（对应同一横模序数 m 和 n） ： Lcq21=， （3） 相邻两个横模的频率间隔为(对应同一纵模序数 q)： 1/21 1 121cos(1)(1)2mncLL LRR + =。 （4）

8、 由于 He-Ne 激光器的增益曲线宽度（增益大于损耗的范围）一般都大于谐振 腔的纵模间隔，因此 He-Ne 激光器都有多个纵模输出，如图 4 所示。 图 4 激光模谱形成原理示意图 用扩束镜将输出激光扩束后打倒一观察屏上，可以通过观察和测量光斑的 横向强度分布特性，定性了解输出激光的横模情况。纵模则难以直接观察。由 于不同纵模和横模的频率间隔一般都很小，必须用高分辨率的分光光谱仪器才 能分开。最常用的定量观察和分析输出激光模谱特性的实验仪器是共焦球面扫 描干涉仪。本实验就是利用共焦扫描干涉仪来定量分析激光器输出的模谱特性。 3 共焦球面扫描干涉仪共焦球面扫描干涉仪 频率 纵模间隔域值 q q

9、+1 q+2 q-1 q-2 输出模谱纵模增益曲线G 4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 5 所示。反射 镜的曲率半径 R1=R2=L。 图 5 共焦球面扫描干涉仪原理示意图 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： mL =4。 （5） 其中为折射率；L 为腔长；m 为一正整数。 这种干涉仪通常 R1固定，而 R2装在一块管状压电陶瓷上。如果在压电陶瓷 y 方向上加一周期性的信号电压，那么 R2将随压电陶瓷周期变形并沿轴向在中

10、 心位置附近做微小振动，因而干涉仪的腔长 L 也做微小的周期变化。从（5）式 可看出，当 L 变化时，干涉仪允许透射的光波波长也做周期的变化，这样就能 对入射光的波长进行扫描。当 L 改变/4，则干涉仪改变一个干涉级。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： 4Fc L=。 （6） 只要注入光束的频谱宽度不大于 F， 那么在干涉仪扫描过程中便能逐次透过。 用光电转换元件接收透射的光强，再将转换的电信号输入到示波器中，在示波 器的荧光屏上便能显示出如图 6 所示的激光模谱。将该谱图拍照下来，就可以 定量测量模谱中的纵模间隔和横模间隔。 图 6 用共焦球面扫描干涉仪观

11、察到的激光模谱实例 本实验中的待测激光器为一氦氖激光器，它的有关参数如下： 谐振腔的腔长 L=25cm，反射镜的曲率半径 R1=120cm; R2=，632.8nm 谱线 的增益线宽约为 1500 MHz。由此可算出其纵模间隔和横模间隔分别为： 功率频率 5MHzLcq60021= .1006111MHzqnm=+ 因此，该激光器的输出中可能出现 3 组纵模。 本实验中的待测激光器为半外腔式 He-Ne 激光器（带一个布氏窗口） 。激光 管毛细管长度约为 200mm，输出波长=632.8 nm。谐振腔的全反射镜曲率半径 R1=1000 mm，部分反射镜（输出镜）曲率半径 R2= 。实验室提供的

12、共焦球面 扫描干涉仪的自由光谱范围SR=1850 MHz。 三、实验装置 三、实验装置 图 7 图 7 所示为用激光准直法进行谐振腔同轴调节的实验装置示意图。 所需器 材主要包括： （1）半开腔式 He-Ne 激光管及其电源； （2）部分反射镜（M） ； （3） 小孔光栏（SL） ； （4）半导体激光器（LD）及其电源。另外，还需要激光功率 计、扩束镜、观察屏等器件（未画出） 。 图 8 图 8 为用共焦球面扫描干涉仪进行激光模谱分析的实验装置示意图。图 9 为实验光路的实物照片， 其中所需实验器材主要有： （1） He-Ne 激光器及其电源; (2) He-Ne 激光管;（3）谐振腔的全反镜

13、 M1； （4）谐振腔的部分反射镜（输出 镜） M2； （5） 小孔光阑； （6） 半导体准直激光器； （7） 共焦球面扫描干涉仪； （8） 高压锯齿波信号发生器（提供压电陶瓷驱动电源） ； （9）激光功率计； （10）示 波器和计算机（未在图 9 中显示出来） 。 6图 9 四、实验内容 （一） 谐振腔共轴调节四、实验内容 （一） 谐振腔共轴调节 图 10 1 按图 10 所示选择有关器件，排放并固定到实验导轨的适当位置上。其中激 光管支架位置已经事先固定好了；部分反射镜 M2 和半导体激光器 LD 的高 度也已经事先调节到了与激光管中心大致相同的高度。 2 打开半导体激光器 LD 的电源(

14、注意：先不要打开 He-Ne 激光器电源注意：先不要打开 He-Ne 激光器电源)。 3 半导体激光束平行度调整半导体激光束平行度调整。调整小孔光拦 SL 上的小孔位置和半导体激光 器 LD 出射激光束的方向，使 LD 激光束与导轨保持平行；当小孔 SL 沿导轨 前后改变位置时，激光束中心都能与小孔中心保持重合。LD 激光束和小孔 的高度与 He-Ne 激光管中心的高度也要尽量保持一致。 4 He-Ne 激光管平行度调整激光管平行度调整。先从导轨上取下部分反射镜 M2。微调 He-Ne 激光管平行度调节旋钮，使 He-Ne 激光管中的毛细管与上述半导体激光束 重合。 判别两者重合的依据是透过小

15、孔的 LD 激光束经激光管另一端的全反11 3 4 5 6798 L1 L2 M2 的微 调旋钮 LD 的微 调旋钮 小孔 光栏 激光管 M1 7射镜 M1M1 反射后又回到小孔附近，在小孔光栏上形成一个清晰的聚焦光斑。 （注意掌握 He-Ne 激光管平行度调节旋钮的使用方法，只能微调）注意掌握 He-Ne 激光管平行度调节旋钮的使用方法，只能微调） 5 反射镜反射镜 M2 的共轴调节的共轴调节。将反射镜 M2 放回到导轨上并固定好，使透过小 孔的 LD 激光束照射到 M2 的中心附近。 微调反射镜 M2 支架上的方向微调 旋钮， 使由反射镜M2反射回的激光刚好也回到小孔光拦的小孔上。 （注意

16、： 反射镜注意： 反射镜 M2 要固定牢固要固定牢固） 6 打开 He-Ne 激光器的电源（注意，此后不要碰到注意，此后不要碰到 He-Ne 激光管上的高压电 极，以防触电激光管上的高压电 极，以防触电） ，此时若关掉 LD 激光束后应能看到 He-Ne 激光器产生的激 光束。如果 He-Ne 激光器没有激光输出，说明共轴调节不够准确。进一步 微调反射镜 M2 的微调旋钮，使由反射镜反射回的半导体激光束的光点在 小孔上或小孔附近扫描，直到 He-Ne 激光管有激光输出为止。 7 将小孔光拦换成激光功率计的测光探头，用激光功率计测量 He-Ne 激光管 的激光输出功率；并进一步微调输出反射镜 M2 支架的微调