激光膜谱实验报告概述

1、激光模谱【摘要】本次实验共分为两个部分。第一部分学习共焦球面扫描仪的工作原理并利用共焦球面扫描仪分析长、短He-Ne激光器的纵模、横模特性（即测量纵横模频率间隔）。二是测量和观察He-Ne激光器纵模分裂和模竞争。得到出光带宽和偏振对模谱的影响。关键词：激光模式、共焦球面扫描、He-Ne激光器、双折射1、 引言 激光器由增益介质、光学谐振腔和激励能源组成，激光谐振腔的每一个频率对应一种广场分布，叫做一种模式。均匀的增益介质充入谐振腔不改变由空腔得到的模式，只有那些在谐振腔中往返一次增益大于消耗的光才能建立稳定的光场分布。激光模分裂是指由物理效应吧激光器的一个频率分裂为两个的现象，本实验研究由双折

2、射效应引起的激光频率分裂。通过观察激光偏振、纵模、纵模分裂和模竞争等物理现象，加深学生对物理光学中的偏振、双折射以及激光原理中的频率（纵模）、出光带宽、激光烧孔和模竞争效应的理解。2、 实验原理1、He-Ne激光器的纵模、橫模及其对应的频率间隔（1）纵模He-Ne激光器的谐振腔由两片直径为2a，间隔为L的介质膜反射镜组成，激光工作物质He、Ne混合气体置于两反射镜之间，用放电激励的方法使得工作物质处于粒子反转态，光通过增益介时被放大，经反射镜反射往返多次后在谐振腔中形成稳定的光场分布。根据驻波形成条件，在谐振腔内允许沿轴向的激光频率满足 （公式1）其中是增益介质的折射率（对气体介质1），L是谐

3、振腔长，q是整数。这种驻波场的分布称为纵模，相邻两纵模的频率间隔为 （公式2）（2）橫模光在谐振腔中反射时由于衍射作用使光在垂直于光的传播方向即横向上也出现各种不同的光场分布，用TEMm,n表示，则纵模频率间隔为 （公式3）横模频率间隔为 （公式4）橫模频率间隔与谐振腔的结构有关：平行平面镜的与之间的频率差为： （公式5）其中为菲涅耳数，a为激光腔的孔径。共焦腔的横模频率差： （公式6）即橫相邻模间隔为相邻纵模间隔的一半。非共焦腔的横模频率差： （公式7）和为两反射镜的曲率半径。若腔长L比反射镜的曲率半径小，则横模频率间隔比纵模频率间隔小2、共焦球面扫描干涉仪（1）结构原理共焦系统以由两个曲率

4、半径相等，镀以低损耗、高反射膜的球面反射镜组成，其中的一面镜子固定在压电陶瓷环上，在压电陶瓷环上加适当周期的锯齿波电压可使得压电陶瓷环的长度随电压的大小而变化，进而带动腔长L变化，其变化与电压成正比。OOM1M2FZ(I)(II)图1共焦球面扫描干涉仪的光路图共焦球面扫描干涉仪的光路如图1-1所示，一束波长为的光接近光轴方向入射时，忽略反射镜球面差情况下，光线走闭合路径经四次反射后正好与入射光重合，其光程差，I型透射光反射了4m次，II型反射了4m+2次，如果相邻两束光的光程差满足 （公式8）其中K为整数，则透射光束相干叠加产生干涉极大。当入射光的波长变为时，只要共焦腔的腔长变为，使，则的透射

5、光束产生干涉极大。光通过干涉仪后用光电二极管接受，经放大接到示波器的Y轴上，锯齿波电压加在示波器X轴上，观察激光模谱。透过干涉仪的激光频率满足 （公式9）因为在设计腔长附近作极微小的变化，即 （公式10）其中应被满足，将（1-10）式代入（1-9）式，展开并取一级近似得到 （公式11）将（1-11）移项，得到 （公式12）上式说明的变化与腔长的变化量成正比，即与加在压电陶瓷环上的电压成正比。（2）干涉仪的自由光谱区满足时，通过，当镜间距离的变化量，即时，相当于干涉级次改变1，即 （公式13）此时波长为及的光束同时透过干涉仪且无法分辨开，测量无意义。因此我们称为干涉仪的自由光谱区，它相当于干涉级

6、次不变而波长改变为 （公式14）换算成频率 （公式15）自由光谱区的物理意义是决定干涉仪能够测量的不重序的最大波长差或最大频率差。（3）干涉仪的腔长设计为了把He-Ne激光器的所有频谱都在同一级光谱内显示，要求，是He-Ne激光器工作波长的荧光线宽。（4）模式分析和测定观察示波器荧光屏上的频谱图，标定横坐标的频率变化率，测出各谱线间的频率间隔，根据前面的频率间隔公式，判断包含哪些模。3、石英晶体双折射效应石英晶体是一种既有双折射效应又有旋光性的单轴正晶体，双折射效应使光和光具有光程差 （公式16）式中h是晶片厚度，和分别是光和光的折射率，和分别是石英晶体的两个主折射率（对于623.8nm, 和

7、）。是晶轴和光线的夹角。当光线方向不与晶轴垂直时，石英晶体存在旋光性，光线与晶轴平行时旋光性最大。4、腔内双折射效应产生激光频率分裂的原理双折射元件对光和光有着不同的折射率，使得光和光在激光枪中的光程不同，一个谐振腔长“分裂”为两个腔长，腔长不同谐振频率也不同，及发生了拼了分裂，一个频率分裂为两个。腔长L与谐振频率的关系为 （公式17）式中q为整数，c为光速。对上式两边取微分，有 （公式18）其中光程差可看成谐振腔长的改变，为由引起的频率变化。5、出光带宽和激光莫竞争激光器的出光带宽定义为在激光增益曲线内总增益大于总损耗所限定的频率范围。均匀增益曲线随着光强的增加逐渐往下压，通过饱和效应，某一

8、个模逐渐把别的模的振荡抑制下去最后剩下它自己的现象叫做模的竞争。三、实验内容实验仪器：1、 模谱分析实验仪器及摆放位置如图2所示He-Ne管激光电源扫描干射仪电光接收放大锯齿波放大器放大器电源 X Y信号放大A/DD/A计算机信号输入12位12位输出D/A图2模谱分析实验装置示意图分别调节激光管、扫描干涉仪与光具座平行共轴，使激光束入射干涉仪的光栏孔，使入射光与干涉仪镜面的反射光重合，微调干涉仪使输出的光最强，放上接收器，使示波器上的信号峰值最大。2、 纵模分裂和模竞争实验仪器及摆放位置如图3所示压电陶瓷电源模分裂激光器激光电源扫描干涉仪扫描干涉仪电源探测仪示波器图3 纵模分裂装置示意图实验步

9、骤：1.模谱分析（1）通过实验搞清扫描干涉仪的自由光谱区范围，从模谱图上算出每个单位长度对应的频率宽度；（2）分别测量两支腔长不同的激光管的纵模频率间隔和橫模频率间隔；（3）用的公式结合观测激光器的横向光场分布，判断包含哪些橫模；（4）改变偏置电压、锯齿波幅度，观察这些因素对谱的影响，观察腔长度随温度变化对谱的影响；（5）观察荧光谱线轮廓线；（6）将测量值和理论计算值进行比较，分析误差原因；1.纵模分裂和模竞争（1）改变石英晶片晶轴与激光束的夹角，观察示波器上的频谱变化；（2）出光带宽观察：眼睛盯住一个频率，改变加在激光器PZT上的电压，此频率将在示波屏上移动，向左移和向右移都会都会出现此频率

10、消失，两个消失点之间的宽度即是出光带宽。4、 实验结果分析及讨论1. 模谱分析（1） 扫描干涉仪参数调节调节直流偏置直流偏置增大，测量范围向左移动。调节电压幅度电压幅度增大，干涉仪测量范围增大，测量级次增多，谱线条数增多。（2） 短激光管模谱分析短激光管参数： ， ，自由光谱区2667ms根据短激光管参数按公式算出：根据实验中得到的频谱数据算出：1、2之间，3、4之间，5、6之间的平均值为：与上述两值比较，谱线1,2为两纵模 图4 短激光管频谱图误差：光场分布短激光管的光场分布，结合短激光管的频谱分析，判断：横模的模式为，外围的光斑由衍射产生。图5 短激光管光场分布图（2） 长激光管模谱分析长

11、激光管参数： ， 图6 长激光管频谱图根据长激光管数据按照公式计算得出：纵模：横模： 长激光管频谱信号如图6所示，在电压变化的一个周期内同样出现两组重复的光谱。两组重复的光谱对应谱线之间代表自由光谱区大小，取其中1-12号谱线进行观察，可判断出该频谱包含3个纵模，4个横模，下面计算纵横模频率。根据实验中得到的频谱数据算出：纵模频率间隔：横模频率间隔：误差： 误差在合理范围内光斑分析观察短激光管的光场分布，看到图像如图7所示，结合长管的频谱图像可判断光场中肯定含有，和 图7 长激光管光斑2. 观察He-Ne激光器的纵模分裂和模竞争(1) 出光带宽出光带宽：分析：两个消失点之间的频率范围内，激光的增益大于总损耗，而消失点之外的部分总损耗大于总增益而使该频率的激光不再显现。(2) 偏振观察产生分裂后，放置偏振片，旋转偏振片：现象：观察到左右两个频率此消彼长 一个达到最大时，另一个小时，此时将偏振片旋转90°，观察到最大的频率消失，之前消失的频率达到最大。5、 实验结论与建议结论：本次实验共分为两个部分。第一部分利用共