He-Ne激光器模式分析

1、He-Ne激光器模式分析【摘要】激光的模式结构是激光器性能指标中的一项重要内容，本实验基于激光模式的形成以及共焦球面扫描干涉仪的工作原理，性能及使用方法等相关知识对He-Ne激光器的模式结构进行分析测量。【关键词】He-Ne激光器，模式结构，6328谱线，高斯分布【引言】第一台气体激光器是1961年由贾范（Javan）、贝内特（Bennett）和赫里奥特（Herriott）研制的氦氖激光器，其输出波长为1.15m，是不可见的红外氦氖激光器.。经过40多年的发展，目前氦氖激光器成为种类最多、容易制作、质量十分可靠、应用广泛的激光器.。由于它结构简单，非常直观地体现出激光器的三大组成部分，即工作物

2、质、谐振腔和激励电源，因而成为最常用的连续工作气体激光器。激光的单色性好，说明它具有非常窄的谱线宽度，这样窄的谱线是受激辐射后，经过谐振腔等多种机制的作用和相互干涉，最后形成的一个或多个离散的、稳定的、又很精细的谱线，这些谱线就是激光器的模。每个模对应一种非常稳定的电磁场分布，即具有一定的光频率。 当从与光输出方向平行（纵向）或垂直(横向)两个不同方向观测时，发现其分别具有许多不同的特征，为方便讨论，分别称为纵模和横模。在全息照相，激光准直，激光测长和激光稳频技术中，往往需要了解激光的模式状态。本实验利用共焦球面干涉仪观察He-Ne激光器的模式频谱结构，分析哪些频谱属于同一纵模，哪些频谱属于同

3、一横模；哪些是基横模；哪些是高阶横模并测出相邻纵模的频率间隔，从而定出相应模式的模序。【正文】激光及激光器基础知识普通光源的发光是一种完全随机的受激吸收和自发辐射过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则地射向四面八方的，另外位相和偏振状态等也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。一般说来，这种光源所辐射的光能量是不强的，加上四面八方发射，更使能量分散了。而对于受激辐射而言，起初，原子处于高能级E2（亚稳态），当一个外来光子所带的能量h正好为某一对能级之差E2-E1，则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级

4、E1跃迁，发出与诱发光子全同的光子。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来的光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。一个诱发光子不仅能形成受激辐射，也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收而占优势。因此，为使光源发出激光而不是发出普通光，关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况称为粒子束反转。而在热平衡状态下，原子几乎都处于最低能级（基态），因此，必须用一定的方法激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加，在工作介质中出现粒子数反转。在实验中，我们通常使用脉冲光源来照射工作介质，称为光激

5、励。有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数的反转，但这样产生的受激辐射的强度很弱，于是采用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，即在激光器的两端面对面装上两块反射率很高的镜子。一块几乎全反射，另一块光大部分反射、少量投射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回震荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。激光的模式结构在受激辐射的过程中，由于能级有一定的宽度，加之粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际上激光器输出的光谱线宽度是由自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽叠加而成。本实验使用的He-

6、Ne激光器，其6328谱线以多普勒增宽为主，增宽线型基本上呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz，只有频率落在展宽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。由于光是一种电磁波，要在谐振腔内往返传播得到加强，必须使光在腔内来回一次的位相差是2的整数倍。而形成干涉加强，即要求在腔内一个来回的光程是波长的整数倍，即，其中是增益介质的折射率，对于气体， 1；L是腔长；q是正整数. 每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫一个纵模，q称作纵模序数。上式同时是驻波形成的条件，即腔内的纵模是以驻波的形式存在的，q值反映的是驻波波腹的数目. 纵模的频率为，相邻两个纵模的频率间隔为。可见，纵模频率间

7、隔是谐振腔长度L的函数，当L一定时，为一常数，即相邻纵模的频率间隔是等距的。光在谐振腔中来回反射时，伴随着光波的多次衍射，在光束的横截面上将出现各种不同的场强分布衍射花纹。如图，即谐振腔可能的分布形式，每种分布叫一种横模。可见,，所谓的模式，实际上是指激光器内能够发生稳定光振荡的形式。每一个模，既是纵模，又是横模。纵模描述了激光器输出分立频率的个数，横模描述了垂直于激光传播方向的平面内光场的分布情况.。激光的线宽和相干长度由纵模来决定，而光束的发散角、光斑直径和能量的横向分布则是由横模决定。 一个模由三个量子数表示，通常记作TEMmnq，q是纵模标记，m和n是横模序数，m是沿x轴场强为零的节点

8、数，n是沿y轴场强为零的节点数。m=n=0的横模称为基横模，它输出高斯光束。而某一个任意的TEMmnq模， 其中m=m-m，n=n-n分别表示x , y方向上横模模序数差，R1、R2为谐振腔的两个反射镜的曲率半径。相邻横模频率间隔即为=1的取值。易知，相邻横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定，腔长与曲率半径的比值越大，分数值就越大。共焦球面扫描干涉仪当一束波长为的光近轴入射到干涉仪内时，在忽略球差的条件下，在共焦腔中经四次反射走过一闭合路径，光程近似为4l。光在腔内每走一个周期都会有部分光从镜面透射出去，分别为1、1'两组透射光。

9、若m是光线在腔内往返的次数，则1组经历了4m次反射后，1'组经历了4m+2次反射. 设反射镜的反射率为R，透射系为T，1、1两组透光强分别为 是往返一次的位相差，当 (k为任意整数)时，即时，透射率有极大值，则改变腔长或改变折射率，就可以使不同波长的光以最大透射率透射，实现光谱扫描（本实验中将锯齿波电压加到压电陶瓷上，驱动和压电陶瓷相连的反射镜来改变腔长，以达到光谱扫描的目的）。但是当入射光的波长超过一定范围时，外加电压虽然可使腔长线性变化，但是一个确定的腔长内可能会有几个不同波长的模同时产生相干极大，而造成重序，使两个不同的模被同时扫出，叠加在一起，所以扫描干涉仪存在一个不重序的波长

10、范围限制.。所谓的自由光谱范围就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，其在=1时，仅由腔长决定，它表征波长在 范围内的光，产生的干涉圆环不相互重叠。在选择扫描干涉仪时，须首先知道它的和激光器的，并使>，才能保证频谱图上不重序。干涉仪的分辨本领定义为和在该处可最小分辨的波长间隔的比值；精细常数表征了一个自由光谱范围内能够分辨的最大谱线的数目，。实验原理及连线示意图发散角激光虽然有方向性好的特点，但也不是理想的平行光，而是有一定的发散角。(z)称为光斑半径，定义为在光束横截面内光强下降到光斑中心点光强的时所对应的圆半径，可表示为，0是(0，0，0)点的光斑半径，称作光束腰，它是

11、高斯光束的一个特征参量将式上式改写，有 可见，沿z轴传播的基模高斯光束，其(z)随坐标z轴按双曲线规律变化。则双曲线渐近线的夹角为激光束的发散角，【实验心得】该实验总体上来说算是一个验证性实验，最根本的目的是通过实际的调校光路，测量模式结构，计算发散角，观察高斯分布等，对激光的基本原理和性质以及相关科研器材进行深入的了解和理解，从而将理论学习融入到动手实践中来，升华对激光及激光器系列知识的认知。在实验中，我们遇到的最大困难是光路准直总是不尽如人意，由此引发了一系列不理想效果，导致实验误差很大。以下是对于实验的一些总结和反思：1， 实验过程中，台面或仪器的轻微触碰，就会导致光路的飘移，光强减弱，

12、甚至不出光，应尽可能避免无谓的外界影响照成实验误差甚至错误2， 调整光线准直和He-Ne激光器的谐振需要耐心细致，观察光路偏移的方向，仔细思考其原因及调整思路，确保挡板在滑轨上各处激光都能准确通过其中心小孔3， 调谐振时，可将激光引到远处墙壁上，边调整旋钮边观察其光强变化，选择光强最大处进行实验4， 由于光路调整的不精确，远场光斑很可能不是正圆，而是一个不规则椭圆或者其他形状，这对观察横纵模影响不是特别大，但是测量高斯分布时会引起很大误差5， 示波器上出现频谱图时，要进一步调节干涉仪的两个方位螺丝，使谱线尽量强，噪声尽量小6， 示波器上图谱不稳定或不易阅读时，应细心调节电平和相关增益，确定一稳

13、定且明显的图谱周期可以说，这次实验我们不算很成功，因为光路调节上的失误，导致远场光斑始终不能达到正圆或接近正圆的标准，所以对后续的测量产生较大不良影响，直接导致计算出的精细常数与标准值有很大偏差，且高斯分布图也偏离一般正态分布的曲线形状。但是，通观全局，应该说，收获还是很大的，对于激光及激光器的认识由表及里，由浅入深，又达到了一个新的层次，同时严谨的科学态度也得到了很好的贯彻和表达。对于这个实验来说，调校光路始终是关键，是重中之重。光路调整好了，那实验也就成功一半了。【小结】激光的模式结构是激光器性能指标中的一项重要参数。许多激光应用要求具有基横模输出的激光器。如全息照相、激光准直、激光打孔等。而激光测长和激光稳频技术中不仅要求基横模而且要求单纵模工作的激光器，因此，有必要了解激光模式状态，掌握分析激光模式的方法，这是激光实验技术中的一项基本内