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1、.实验一 He-Ne 激光器谐振腔调整及纵横模观测相对一般光源,激光具有单色性好的特点 ,也就是说,它具有非常窄的谱线宽度。这样窄的谱线,不是受激辐射后自然形成的,而是受激辐射经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉后形成的 。所形成的一个或多个离散的 、稳定的又很精细的谱线就是激光器的模。每个模对应一种稳定的电磁场分布,即具有一定的光频率。相邻两个模的光频率相差很小,我们用分辨率比较高的分光仪器可以观测到每个模。当从与光输出的方向平行 纵向和垂直横向两个不同的角度去观测和分析每个模时,发现又分别具有许多不同的特征 ,因此,为方便每个模又相应称作纵模和横模。在激光器的生产与应用中,我们常常需要先知
2、道激光器的模式状况,如精密测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器 ,而激光稳频和激光测距等不仅要求基横模,而且要求单纵模运行的激光器。因此,模式分析是激光器的一项基本而又重要的性能测试。一一、实验目的实验目的1了解激光器的模式结构,加深对模式概念的理解。2通过测试分析,掌握模式分析的基本方法。3对本实验使用的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。二二、实验原理实验原理1激光器模的形成我们知道,激光器的三个基本组成部分是增益介质 、谐振腔和激励1 / 11.能源。如果用某种激励方式,在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
3、波产生 ,在腔内传播,并被增益介质逐渐增强、放大,如图 2-1 所示。实际上,由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响,增益介质的增益有一个频率分布,如图 2-2 所示,图中G()为光的增益系数。只有频率落在这个范围内的光在介质中传播时 ,光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大,还不足以产生激光,要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈,使光在多次往返传播中图图 2-12-1 粒子数反转分布粒子数反转分布形成稳定、持续的振荡。形成持续振荡的条件是,光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍,即2L qq2-1式中,为折射率,对气体1；L为腔长；q为正整数 。这正是光波相干的极大条件,满足
4、此条件的光将获得极大增强。每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布,叫作一个纵模,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2-1 式中,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式存在的,q值反映的恰是驻波波腹的数目,纵模的频率为图图 2-22-2 光的增益曲线光的增益曲线2 / 11.q qc2L2-2同样,一般我们不去求它,而关心的是相邻两个纵模的频率间隔q1c2Lc2-32L从2-3 式中看出,相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比 ,即腔越长,相邻纵模频率间隔越小,满足振荡条件的纵模个数越多 ；相反,
5、腔越短,相邻纵模频率间隔越大,在同样的增益曲线范围内,纵模个数就越少。因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。光波在腔内往返振荡时,一方面有增益,使光不断增强；另一方面也存在着多种损耗,使光强减弱,如介质的吸收损耗、散射损耗 、镜面的透射损耗 、放电毛细管的衍射损耗等 。所以,不仅要满足谐振条件 ,还需要增益大于各种损耗的总和 ,才能形成持续振荡 ,有激光输出。如图 2-3 所示,有五个纵模满足谐振条件 ,其中有两个纵模的增益小于损耗 ,所以,有三个纵模形成持续振荡。对于纵模的观测,由于q值很大,相邻纵模频率差异很小,一般的分光仪器无法分辨,必须使用精度较高的检测仪器才能观测到。
6、谐振腔对光多次反馈,在纵向形成不同的场分布,那么对横向是否也会产图图 2-32-3 纵模和纵模间隔纵模和纵模间隔生影响呢？回答是肯定的,这是因为光每经过放电毛细管反馈一次 ,就相当于一3 / 11.次衍射,多次反复衍射,就在横向形成了一个或多个稳定的衍射光斑。每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布,称为一个横模。图 2-4 中,给出了几种常见的基本横模光斑图样 。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加。激光的模式用TEMmnq来表示,其中,m、n为横模的标记 ,q为纵模的标记。m是沿 X 轴场强为零的节点数,n是沿 Y 轴场强为零的节点数。图图 2-42-4 常见的横模光斑图常见的横
7、模光斑图前面已知,不同的纵模对应不同的频率,那么同一个纵模序数内的不同横模又如何呢？同样,不同的横模也对应不同的频率。横模序数越大,频率越高。通常我们也不需要求出横模频率,我们关心的是不同横模间的频率差。经推导得1c1LL 2(m n)arccos(1)(1) 2-42LR1R2 mn其中,m、n分别表示 X、Y 方向上横模模序差,R1、R2为谐振腔的两个反射镜的曲率半径,相邻的横模频率间隔为12LL1 q1arccos(1)(1) 2-5R1R2 mn1从上式中还可看出,相邻的横模频率间隔与相邻的纵模频率间隔的比值是一个分数,如图 2-5 所示。分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定,腔长与
8、曲率半径的比值越大,分数值越大。当腔长等于曲率半径时L R1 R2,分数值达到极大,即横模间隔是纵模间隔的 1/2,横模序数相差为 2 的谱线频率正好与纵模序数相差为 1 的谱线频率简并。图图 2-52-5 纵模纵模、横模的分布横模的分布激光器中能产生的横模个数 ,除前述增益因素外 ,还与放电毛细管的粗细 ,内部损耗等因素有关 。一般说来,放电毛细管直径越大 ,可能出现的横模个数就越4 / 11.多。序数越高的横模,其衍射损耗越大,形成稳定的振荡就越困难 ,但激光器输出光中横模的强弱绝不能仅从衍射损耗一个因素考虑,而是由多种因素共同决定的。这是在模式分析实验中,辨认哪一个是高阶横模时易出错的地
9、方。因为,仅从光的强弱来判断横模阶数的高低,即认为光最强的谱线一定是基横模,这是不对的,而应根据高阶横模具有高频率来确定。横模频率间隔的测量同纵模频率间隔的测量一样 ,需借助展现的频谱图进行计算。但阶数m和n无法仅从频谱图上确定,因为频谱图上只能看到有几个不同的mn,可以测出mn的差值,然而不同的m或n可对应相同的mn,在频谱图上则是相同的,因此要确定m和n各是多少,还需结合激光器输出的光斑图形进行判断。当我们对光斑进行观察时,看到的是全部横模的叠加图,即图 2-4 中几个单一态光斑图形的组合。当只有一个横模时,很容易辨认。如果横模个数比较多,或基横模很强,掩盖了其它横模,或某高阶模太弱,都会
10、给分辨带来一定的难度 。但由于我们有频谱图,知道了横模的个数及彼此强度上的大致关系,就可缩小考虑的范围,从而能准确地确定出每个横横的m和n值。2共焦球面扫描干涉仪共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器 ,它已成为激光技术中一种重要的测量设备。本实验就是通过它将彼此频率差异甚小几十至几百 MHz,用一般光谱仪器无法分辨的各个不同的纵模、横模展现成频谱图来进行观测的。在本实验中,它起着关键作用。5 / 11.共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔 ,它由两块球形凹面反射镜构成共焦腔,即两块反射镜的曲率半径和腔长l R2 l。反射镜镀有高反相等R1射率膜。两块反射镜中的一块是固定不变的,另一块固定
11、在可随外加电压而变化的压电陶瓷环上 ,如图 2-6所示。图中,为由低膨胀系数材料制成的间隔圈 ,用以保持两球形凹面反射镜总是处在共焦状态 。为压电陶瓷环,其特性是若在环的内外壁上加一R1和R2定数值的电压,环的长度将随之发生变化,而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关图图 2-62-6 共焦球面扫描干涉仪内部结构示意图共焦球面扫描干涉仪内部结构示意图系,这是扫描干涉仪被用来扫描的基本条件。由于长度的变化量很小 ,仅为波长数量级,所以,外加电压不会改变腔的共焦状态 。但是当线性关系不好时 ,会给测量带来一定误差。当一束激光以近光轴方向射入干涉仪后,在共焦腔中经四次反射呈 X 形路径,光程近似为
12、 4l,见图 2-7 所示。光在腔内每走一个周期都会有一部分光从镜面透射出去。如在 A、B 两点,形成一束束透射光 1、2、3和1、2、3我们在压6 / 11.电陶瓷上加一线性电压,当外加电压使腔长变化到某一长度la,使相邻图图 2-72-7 共焦球面扫描干涉仪内部光路图共焦球面扫描干涉仪内部光路图两次透射光束的光程差是入射光中模波长为a这条谱线波长的整数倍时,即满足4la ka2-6模a将产生相干极大透射k为扫描干涉仪的干涉序数 ,为一个正整数,而其它波长的模则不能透过。同理,外加电压又可使腔长变化到lb,使模b极大透射,而a等其它模又不能透过 因此,透射极大的波长值与腔长值之间有一一对应关
13、系。只要有一定幅度的电压来改变腔长 ,就可以使激光器具有的所有不同波长或频率的模依次相干极大透过,形成扫描。值得注意的是,若入射光的波长范围超过某一限度,外加电压虽可使腔长线性变化,但一个确定的腔长有可能使几个不同波长的模同时产生相干极大,造成重序。例如,当腔长变化到可使d极大时,a会再次出现极大,于是有4ld kd (k 1)a2-7即k序中的d和k 1序中的a同时满足极大条件,两个不同波长的模被同时扫出,叠加在一起。所以,扫描干涉仪本身存在一个不重序的波长范围限制,即所谓自由光谱范围,它是指扫描干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差 ,用S.R.或S.R.表示。假如上例中的ld为刚刚重
14、序的起点 ,则d-a即为此干涉仪的自由光谱范围值。经推导,可得daad4ld由于d与a之间相差很小,腔长的变化仅为波长数量级,上式可近似表示为7 / 11.S.R.24l2-9式中为平均波长。用频率表示,则为S.R.c2-104l在模式分析实验中,由于我们不希望出现2-7式中的重序现象,故选用扫描干涉仪时,必须首先知道它的自由光谱范围S.R.和待分析激光器的频率范围,并使S.R.。这样,才能保证频谱图上不重序 ,腔长与模的波长或频率间是一一对应关系。自由光谱范围还可用腔长的变化量来描述,即腔长变化量为/4 时所对应的扫描范围。因为,光在共焦腔内呈 X 型路径行进,四倍路程的光程差正好等于,干涉
15、序数改变为 1。另外,还可以看出,当满足S.R.条件后,如果外加电压足够大 ,使腔长最大的变化量是/4的i倍,那么将会扫描出i个干涉序,激光器的所有模将周期性地重复出现在干涉序k、k 1k i中。三三、实验仪器实验仪器实验装置如图 2-8 所示。实验装置的各组成部分说明如下：1待测 He-Ne 激光器。2激光电源。3小孔光阑。4共焦球面扫描干涉仪。使激光器的各个模按波长或频率展开,其透射光中心波长为 632.8nm。仪器上有四个鼓轮,其中两个鼓轮用于调节腔的上下、左右位置,另外两个鼓轮用于调节腔的方位。5驱动器。驱动器电压除了加在扫描干涉仪的压电陶瓷上 ,还同时输出到8 / 11.示波器的 X
16、 轴作同步扫描。为了便于观察,我们希望能够移动干涉序的中心波长在频谱图中的位置 ,以使每个序中所有的模式能完整地展现在示波器的荧光屏上。为此,驱动器还增设了一个直流偏置电路,用以改变扫描的电压起点。图图 2-82-8 实验装置图实验装置图6光电二极管。将扫描干涉仪输出的光信号转变成电信号 ,并输入到示波器 Y 轴。7示波器。用于观测 He-Ne 激光器的频谱图。四四、实验内容及步骤实验内容及步骤1按实验装置图连接线路。经检查无误,方可进行实验。2开启激光电源。3用直尺测量扫描干涉仪光孔的高度。调节 He-Ne 激光管的高低、仰俯,使激光束与光学平台的表面平行,且与扫描干涉仪的光孔大致等高。4使
17、激光束通过小孔光阑 。调节扫描干涉仪的上下 、左右位置,使激光束正入射到扫描干涉仪中,再细调干涉仪上的四个鼓轮,使干涉仪腔镜反射回来的光点回到光阑的小孔附近 注意：不要使光点回到光阑的小孔中 ,且使反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合,这时入射光束与扫描干涉仪的光轴基本平行。5开启扫描干涉仪驱动器和示波器的电源开关。调节驱动器输出电压的大小即调节幅度旋钮和频率,在光屏上可以看到激光经过扫描干涉仪后形成的光斑。注意：如果在光屏上形成两个光斑,要在保持反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合的条件下,调节扫描干涉仪的鼓轮,使经过扫描干涉仪后形成的两个光斑重合。6降低驱动器的频率,观察光屏上的干涉条纹,调节
18、干涉仪上的四个鼓轮,使9 / 11.干涉条纹最宽。注意：调节过程中,要保持反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合7将光电二极管对准扫描干涉仪输出光斑的中心 ,调高驱动器的频率,观察示波器上展现的频谱图。进一步细调扫描干涉仪的鼓轮及光电二极管的位置 ,使谱线尽量强。8根据干涉序个数和频谱的周性期,确定哪些模属于同一个干涉序。9改变驱动器的输出电压即调节幅度旋钮,观察示波器上干涉序数目的变化。改变驱动器的扫描电压起点即调节直流偏置旋钮,可使某一个干涉序或某几个干涉序的所有模式完整地展现在示波器的荧光屏上。10根据自由光谱范围的定义 ,确定哪两条谱线之间对应着自由光谱范围S.R.。测出示波器荧光屏上与S
19、.R.相对应的标尺长度,计算出二者的比值,既示波器荧光屏上 1毫米对应的频率间隔值。11在同一干涉序内,根据纵模定义,测出纵模频率间隔q1。将测量值与理论值相比较 。12确定示波器荧光屏上频率增加的方向,以便确定在同一纵模序数内哪个模是基横模,哪些模是高阶横模。提示：激光器刚开启时 ,放电管温度逐渐升高 ,腔长L逐渐增大 ,根据2-2式,q逐渐变小。在示波器荧光屏上可以观察到谱线向频率减小的方向移动,所以,其反方向就是示波器荧光屏上频率增加的方向。13测出不同横模的频率间隔mn,并与理论值相比较,检查辨认是否正确,确定m n的数值。注：谐振腔两个反射镜的曲率半径R1、R2由实验室10 / 11.给出。14观察激光束在远处光屏上的光斑形状 。这时看到的应是所有横模的叠加图,需结合图 2-4 中单一横模的形状加以辨认,确定出每个横模的模序,既每个横模的m、n值。五五、思考题思考题1观测时,为何要先确定出示波器荧光屏上被扫出的干涉序的数目？六六、注意事项注意事项1实验过程中要注意眼睛的防护,绝对禁止用眼睛直视激光束。2开启或关闭扫描干涉仪的驱动器时,必须先将幅度旋钮置于最小值反时针方向旋转到底,以免将其损坏。11 / 11
