模的耦合及横模纵模观测实验

模的耦合及横模、纵模观测实验人：林晔顺023012037合作人：林宗祥组号：A8【实验目的】对气体激光器的性质进一步了解。掌握应用气体激光器的调节方法。了解共振模的耦合和匹配概念。仔细调节模耦合装置，观察横模和模的耦合现象。纵模的观测。【实验仪器】He-Ne激光管2支、表座2个、WSS夫焦球面扫描干涉仪、激光电源、JPM-1激光光谱扫描分析仪【实验基本原理】1.横模的概念横摸是描述激光光斑上的能量分布情况，是指激光束横截面上的光强分布。光场在横向不同的稳定分布，通常称为不同的横模：基模和高阶模。基模和高阶模的区别在于光斑形状，光斑没有出现分瓣的，分布均匀的，就是基模。反之出现了分瓣现象的就是高阶模。基模用TEM表示，它具有最小的衍射损失，其辐射照度分布在垂直于光轴00的任何截面都具有高斯形状。高阶模用TEM高阶模用TEMmn表示，m和n表示横模序数，即在光轴垂直的任一平面内，光强分布在x,y方向的极小值数目。轴对称旋转对称TEM00 TEMTEM旋转对称TEM00 TEMTEMTEM111012TEM00TEM03TEM00TEM03TEM10图1激光的各种横模图形2.共振模的耦合和匹配的理论概述激光器谐振腔产生的基模注入到另一个谐振腔或光学传输线中去，它会产生基模以处的其他模式。若能选择适当的匹配参数，可以使基模得到很大的耦合系数。如图2所示，当激光从左方射向右方时，到达参考平面入上的横模光斑图3图3谐振腔内的纵模3.激光的纵横概念及纵横间隔激光器谐振腔内获得振荡的不同波长成分具有不同的波形，沿腔的轴线方向（纵向）形成驻波，驻波的波节数由q决定。通常将由整数q所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模。不同的q值相应于不同的纵模。纵模是与激光腔长度相关的，是描述激光频率的。激光器的振荡纵模数目由腔长、工作物质的增益线宽和激励水平等因素决定的。腔长L，光波反射加强的条件：2nL=kX=kX=k为纵模个数。1 2 i由于产生激光的某一单色光谱线的固有宽度和多普勒展宽，及激光的发出的

光波长的限制，能获得干涉加强的模数，还是有限几个。4.共焦球面扫描干涉仪共焦球面扫描干涉仪是一个激光谐振腔，结构如图4所示:1低膨胀系数材料1低膨胀系数材料图4扫描干涉仪结构示意图1为低膨胀系数材料制成的间隔圈，保证R1和R2两透镜的焦点重合，2为电源陶瓷，在压电陶瓷外壁上加上一定幅度的电压，压电陶瓷的长度就会发生变化，长度的变化量与电压成正比，其值在光波波长的量级，不会影响共焦腔的状态。如图5所示：激光以小角度入射， / \a在腔内走X形回路，光程为4L的整数二^三二三倍，在a、b两处光可透出，因此形v成两束光。如果相邻两束光光程差为 上 l波长的整数倍，则透射光束相干叠加时输出光强为极大值。即满足：4L4L=kX当入射光束的波长变为湛，这图5共焦球面干涉仪光路图时只要改变扫描干涉仪的电压，使腔长变为L，满足：4L=kX，透射光束也能出现干涉极大值。腔长与透射极大值的波长之间有线性关系，由于腔长与光波长比很大，所以有无限个不同波长的光波符合加强反射的条件，即：X4L=kX=kX=...对上式微分，得：AX=—(—)Ak两邻近模，Ak=1，1122 k

它们的波长差腴和自由光谱范围司分别为：△人=E和割=£SR 2nL 2nL在一定范转内调节扫描电压，观察干涉极大值的个数，即可得到纵模的个数。【实验装置图及实验技术】1,模的耦合和横模观测需要用到2支He-Ne激光管（1支作激光光发射源，1支仅用其谐振腔）、小孔光阑及显微目镜。装置连接如图6：小孔光阑H已-NH已-N已激光器显微目镜图6横模观测装置图左边激光器发出各种模式的光束通过小孔光阑进入右边谐振腔，在显微目镜中观察可以看到激光光斑不断变化，有时还可能闪出旋转对称的高次模。这种变化是周而复始的，而变化的快慢则与激光源的温度和所受外界的扰动有关。2.纵横及纵横间隔观测需用到1支He-Ne激光管、WSS共焦球面扫描干涉仪、JPM-1激光光谱扫描分析仪及激光电源。装置连接如图7：图7纵模观测装置图激光的模式可通过光电探头在示波器上直接观察到。根据需要可以改变锯齿波的电压及周期，加大扫描电压周期能使激光模式周期性出现，此时即可观察到激光纵模个数。【实验步骤】模的耦合及横模观察按图6确认各装置连接正确。调节各元件共轴，首先目测，使各元件大致在一条直线上，利用小孔光阑调整光轴，使右边谐振腔的毛细管与光轴重合，从其后通过目镜观察模式图形，并记录下来。根据观察绘制出各个模式的图形。对左边激光管扇风使其轻微振动，观察各种迅速变化的模式。纵横及纵横间隔观察按图7确认各装置连接正确。调节激光器及共焦球面扫描干涉仪，能在示波器上观察到激光的输出模式的电信号。改变扫描电压的强度和周期，观察周期性的信号，数出纵模个数。【实验记录及结果分析】实验时间：2005-3-2814:30—17：00实验地点：十友堂二楼光电实验室室内温度：23.9C1.模的耦合及横模观察各种观察到的模式绘于图8：图8目镜中观察到的6种横模模式观察时，模式从1到6连续缓慢变化，红色的条纹清晰，模式可辨，横模的分布呈周期性变化即：先是由TEM00变为TEM01，再由TEM01变为TEM02，然后由TEM02变为TEM03，接着由TEM03变为TEM04，再由TEM04变为TEM05最后再由TEM05变为TEM00开始下一轮的循环。2.纵横及纵横间隔观察实验结果如下图所示：调节JPM-1激光光谱扫描分析仪根据示波器上观察到的波形绘制图9：图9示波器上观测到的图象在观测激光纵模的时候，由于激光器的漂移现象，使到观测到的图象不是很稳定，出现的峰值的大小浮动变化较大，原来的观测的时只能看到两个较明显的波峰，一段时间之后，有一个“毛刺”的锋值越来越大，更波峰的值差不多，在一个较长的时间后维持不变，故判断其为第三个波峰。且出现了两个周期的波形，模式重复出现，说明没有纵模图样被丢失，从而准确确定出纵模个数为3。理论解释与计算：

因为电压是以锯齿波的形式输出的，在一个周期内，电压逐渐上升。在电压上升的过程中，压电陶瓷的长度也会逐渐变化，这样激光在谐振腔内的光程也会相应改变，当相邻两束光的光程差是波长的整数倍，透射光束相干叠加，输出光强为极大值。此时，示波器上将显示一个纵模。逐渐加大电压，当相同的纵模在示波器上重复出现时，说明已过了一个周期，此时示波器上不同的纵模的个数即为激光器纵模的个数，理论计算如下：. AC由： Av= 2nL得出： Av=0.6GHz2kT 1由多普勒宽度计数公式： Av0=叫（芸ln2）2得出：其中，v°=6328A，T=296.9K得出：Av=1.73QH0纵模个数：Av―纵模个数：Av―0=Av1.73 "0.622.79取整数得纵模的个数为3个【实验思考与分析】1.简述He-Ne激光器的基本发光原理。答：He-Ne激光器属于气体激光器。工作物质为He和Ne，在氦氖混合气体中，产生受激辐射的是氖原子，氦原子只起传递能量的作用。激光器应用直流电压源进行气体放电，两端放电管的电压增压时可加速电子，使电子带有一定能量，在工作物质中运动的电子与粒子碰撞时将自身的能量转移给He原子，使其由基态1s跃迁到2s激发态。处于2s态上的He原子与处于激发态2s和3s的Ne原子碰撞，能量从He原子转移到Ne原子。由于具有较长寿命的暂稳态2s和3s的存在，在Ne原子跃迁回基态过程中，实现了粒子数反转，辐射跃迁发生在Ne原子的各能级之间，产生激光。

2.满足什么条件才能实现基模间的完全匹配。答：基模耦合系数的模为1,即CC*=1,或者说参考平面两边基模参数完0000全相同，使得条件rUm(x)U*(x)dx=1满足，这种情况即为基模间的完全匹到达参考平面入上的横模光斑半配。在右图中，当激光从左方射向右方时，径分别为3和寸，等相位面曲率半径分别为人和人’。当3=寸,R=R，或者说参考平面两边基模参数完全相同时，基模间达到完全匹配。左方入射基模的能量完全转换为右边基模的能量。当然完全匹配只是一个理想状态，实验中总有能量损失，右边基模能量比到达参考平面入上的横模光斑半左边入射基模的能量小。3.为什么管A发出的TEM00激光束经过管B后变成了其它模式？为什么观察到的模式又