《近代物理实验报告—He》由会员分享，可在线阅读，更多相关《近代物理实验报告—He（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、近代物理实验报告-He-Ne激光模谱分析与模分裂【摘要】本实验对利用共焦打描球面干涉仪在示波器上观察了长短两个He-Ne激光器的模谱，并在模谱上 辨认了自由光谱区，测量了纵、横模的频率间隔，然后观察了横模的图样。又利用频率分裂和模竞争实验 激光器测量了增益曲线，观察了模分裂现彖。【关键词】He-Ne激光器、共焦球面打描干涉仪、纵模、横模、引言激光是20世纪60年代的伟人发明。它的诞生使得近代光学得以发展，并且影响到自然科学的各个领 域。激光不同于一般光源，它具有极好的方向性、单色性、相干性和极高的亮度。激光器是由增益介质、光学谐振腔和激励能源组成。谐振腔有本征频率，每一个频率对应一种光场分 布
2、，称为一种模式。由于激光谐振腔是开放式的，只要知道谐振腔轴线方向的光场分布及垂直于轴线的平 面上的光场分布，谐振腔内每个本征频率对应的光场分布状态就可以完整的描述出来，于是引进纵模和横 模的概念，纵模描述轴向光场分布状态，横模描述横向光场分布状态。气体激光器是利用气体增益介质充 入谐振腔，不改变由空腔得到的模式结构。冲入后使之成为有源谐振腔，只有那些在谐振腔内往返一次増 益人于损耗的光才能建立稳定的振荡，因此激光器输出的激光只包含少量的模式。研究激光就是分析该激 光的模式及其模谱。并且在一些物理效应卞，如双折射、塞曼效应等，激光会发生模分裂现象。共焦球面打描干涉仪是研究激光模谱的普遍技术。它是
3、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，是具有较高分辨率和精细度的分光仪器。本实验利用共焦球面打描干涉仪来测量激光 的频谱间隔，结合激光的远向横场分布，来分析激光建立的激光横模序数，并分析观察激光的纵模分裂现 象。二、实验原理1、激光以及氨氛激光器激光器由光学谐振腔、增益介质和激励能源组成。He-Ne激光器谐振腔由二片直径为2a、间隔的L的 介质膜反射镜相对放置组成。如果一个腔体中同时存在着原子体系和光讯号，它们之间的相互作用可以归 结为三个基本过程，即自发辐射、受激吸收和受激发射。对于激光束，同时存在着受激吸收和受激发射。 有激光输出，要求受激发射超过受激吸收，必须是高能
4、级的原子数密度N2人于低能级的原子数密度N1。我 们把出现N2N1的情况称为“粒子数反转”。用放电激励的方法使N2N1,那么，由于激光器两端有两块互 相平行的高反射镜子，使光讯号在激光器的腔体中不断来回振荡，不断放人，最终就形成强烈的激光束。 受激发射的光子具有相同的能量（频率）、相同的相位、偏振态，且从同一方向发出。2、He-Ne激光器的纵模、横模及其对应的频率间隔（1）纵模激光器是由增益介质、光学谐振腔和激励能源组成。在增益介质中，由自发辐射诱导出受激辐射，光 在介质中得到增益。实现增益的条件是粒子数的反转，这町以通过激励能源实现。由于光学介质长度有限，所以通过光学谐振腔町以对介质起到延长
5、的作用，使得增益明显，最终产生激光。虽然谐振腔会有不同的结构，但激光在其中稳定振荡时必须满足相应结构的驻波条件，即2/L = qA其中是增益介质的折射率（对于气体介质1）, L是谐振腔长，彳是波长，q是整数。所以谐振腔中允许的激光频率为v = q.(2)q 2/zL这种驻波场的分布称为纵模。相邻纵模的频率间隔是住 如图1所示。 2f.iL丄2pLW-3 Vq-2 Vq1Vq+2 Vq+3Vq lq+1图1腔的纵模谱满足上述条件出射的光形成了一系列的纵模。又因为每种增益介质都对应了一种增益曲线G（v）,且只有增益人于损耗纵模才可以保留，所以使得最终达到稳定后输出的激光只有几个分立的纵模，如图2所
6、示,其中a阈值增益系数，为为出射激光的带宽。激光之所以有如此好的单色性就是基于上述原理。I IM I(O,O,q-l) (0,(),q) (0,0,q+D图2增益曲线示意图（2）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有限，当平行光通过它们时，因为衍射作用，使出射光波的波阵面发生畸变，从而在垂直于光的传播方向上，也就是横向上，将出现各种不同的场 强分布，形成了所谓的横模，即一种光场的分布。用来表示，横模光场在形成稳定振荡后也会满足 一些条件，横模间距随谐振腔结构不同而不同。所以要完善地描述一个模式，必须有三个指标：m, n, q,记为正“。m, n是横模序数，q是纵模序数。设激
7、光起的轴线沿z轴方向，则m, n, q分别表示沿x、y、z三个轴线方向场强为零的节点数。用鸟呦 表示TEMm模的频率。则由（？）式得纵模间隔为v纵=Xn,n,q+Aq Yn,n,q =乙叫(3)可知相邻的纵模间隔是相等的。横模的频率间隔为横一 Yn+gn+&,qUgq,其具体表达与谐振腔的结构有关，对于实验中 采用的激光器为非共焦腔，其横模的频率间隔为c 1TT%黄二 E (Am+An) cos-1 (1- -)(1- -)1/2兀兀企(4)图3给出几种低阶横模的光强分布，通常几个横模同时振荡，观察到得往往是合成图样。图3谐振腔中几种低阶横模的光强分布若在谐振腔中附加一些物理效应，如通过一个晶
8、体，利用其双折射效应，可以把激光的一个频率的激 光分裂成。光与e光。该现象就是模分裂现彖。3、共焦球面扫描干涉仪(1)结构原理共焦球面扫描干涉仪的两个球面反射镜之间的距离L等于曲率半径R,构成一个共焦系统，如图4。其 中一面镜子固定不动，另一面镜子固定在压电陶瓷环上，因此腔长可随电压变化，并且腔长变化量与电压 成正比。所以我们利用压电陶瓷随电压的伸缩性质来控制打描干涉仪的腔长L,进而控制了该腔所满足的驻 波条件，即4L= K2 (5)其中K为整数。只有满足该驻波条件的光才可以因为干涉极人而透过干涉仪进入光电计测量光强。可 以证明光频率v的变化与腔长的变化量成正比，也就是与加在压电陶瓷坏上的电压
9、成正比。实验中示波器的 横向打描采用与干涉仪的腔长打描同步，示波器的横坐标t的变化就可以表示干涉仪的频率变化，即 AV oc AL cc Av oc At o图4共焦球面担描干涉仪示意图（2）自由光谱区观测到模谱只是定性的对纵横模进行了分析，如果要定量的分析就必须用自由光谱区来标定频宽。由 公式（5）可知，有可能不同级次的光都经过干涉极人显示在模谱上，这样我们将无法分辨出想要的模谱, 测量没有意义。干涉仪有意义的测量范I制就是自由光谱区。其范I韦I是由干涉仪的构造决定的。因此在实验 时激光输出的两个间隔最人的纵模间距要小于自由光谱区才可以。另外，由纵横模在模谱上的间隔与自由 光谱区的间隔进行比
10、较可以得出纵横模间隔的确切频率宽度，此时自由光谱区在实验中起着标度单位长度 的作用。4、双折射效应（1）模分裂：激光模分裂指的是由物理效应，如双折射和塞满效应等把激光器的一个频率分裂成两个 的现象。其中双折射效应包括三种：1、石英晶体双折射效应2、应力双折射效应3、腔内双折射效应。（2）石英晶体双折射效应产生激光频率分裂石英晶体双折射效应应用的是其双折射性，使。光和e光形成光程差0。而。光和e光之间的光程差 0的人小由晶体在光路中的厚度h和晶轴与光线之间的夹角8所决定，我们通过改变h和e的人小来改变 和控制光程差。的人小。波长和激光腔总光长满足=q （ = 1）。当一片双折射元件放入激光谐振腔
11、中，由于双折射元件 对两正交偏振方向的光（。光和e光）有不同折射率，。光和e光在激光腔中的光程不同，所以原本唯一的 =匕匕=5 谐振腔长“分裂”为两个腔长，两个腔长又不同的本征频率,一个激光频率变成了两个。L ,其中为光程差。（3）模竞争激光器的出光带宽定义为在激光増益曲线内总增益人于总损耗所限定的范I制：在激光器增益带宽较宽, 激光纵模间隔较小的情况下，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。（4）模式分析和测定扫描干涉仪自由光谱区是给定的，当我们从示波器荧光屏上看到重复出现的频谱时，就能标定出横坐 标的频率变化，从而测出各条谱线之间的频率间隔，并判断激光所包含的模。三、实
12、验内容本次实验所用仪器及其连接方法如图5所示：图5实验装置及连接示意图1、分别测量两根氮氛激光管的模谱分布按照实验一的方案连接示意图，连接装置。调节光路后，改变偏置电压、锯齿波幅度，观察对模谱的 影响；测量激光管的相邻的纵模频率河隔和相邻的横模频率间隔；观察记录一个自由光谱区的模谱图。2、观测氧氛激光器的纵模分裂和模竞争按照实验二的方案连接示意图，连接装置。调节光路后，改变加在压电陶瓷上的电压，模谱将在示波 器上移动并改变幅值，记下谱线左边和右边的消失点，两消失点的频率间隔就是出光带宽。记录三四个点， 描出激光增益曲线。调整石英晶片晶轴与光束夹角，是纵模谱线足够的分裂间距，旋转偏振片，观察两分
13、裂谱线间的偏振 关系。改变压电陶瓷上的电压，分析什么条件下才能观察到。和e光。四、数据处理与实验结果分析1、实验理论值实验中实验仪器参数如表1表1实验仪器参数长激光管短激光管扫描干涉仪L33. 7cm24. 2cm自由光谱区1800MHzR】100cm100cm分辨率10MHzoooo将这些参数代入公式(3)、(4)中，可得两和激光管的出射光若存在不同的模式，则其纵模间隔与横模间 隔的理论值如表2。表2纵横模理论值长激光管短激光管纵模间隔445.10MHz619. 83MHz横模间隔87. 75MHz101.47MHz2长激光管模谱的实验测量与分析表3长激光管的自由光谱区实验测量At 1,76
14、. 92ms t3,96 68ms t5,116. 56msAt 2, 86. 92msAt4, 106 6msAt 6,126. 48ms平均值6. 69ms即自由光谱区:6. 69ms表4长激光管的横模实验测量与计算值 tl,20. 36nsAt 7,80. 36ms t3,40. 4msAt 9, 100. 28ms t5,60. 32nsAt 11,120. 32ms平均值0. 34ms即横模间距:0. 34ms表5长激光管的纵模实验测量与计算值 tl,31. 72msAt 7,91.48ms t2,41. 72msAt 8, 101.48ms t3,51. 32bsAtg, 111.
15、16msAt 4, 61. 28ms t io, 121.16ms平均值1. 14ms即纵模间距：1. 14ms计算的结果为：长激光管的横模间距为：91.4MHz, 误差为：4.2%纵模间距为：379. 2MHz,误差为：7.8%观察到的长管激光管的光斑为如图7：图7长激光管的远场光斑从如图的光强分布上町以看出其含有横模和纵模，其的横模为：TEM2, 0和TEMO, 2组成的。3、短激光管模谱的实验测量与分析实验中在示波器上观察到的短激光管的模谱如图6所表6长激光管的自由光谱区实验测量At 1,36. 92msAt 2,46 92ms平均值3. 28ms即自由光谱区：3.28ms表7短激光管的纵模实验测量与计算值tl,21. 24*sAt 3,41.12ms平均值即纵模间距:1
