He-Ne激光器的装调与参数测试.pdf

He-Ne 激光器的装调与参数测试 一、实验目的 1、熟悉 He-Ne 激光器的模式结构 2 、 了解F-P 共焦球面扫描干涉仪的原理 3、掌握 He-Ne 激光器的调整方法 4 、掌握用共焦球面扫描干涉仪观察、测量激光纵模的方法 二、实验原理 1、He-Ne 激光器的模式结构 He-Ne 激光器是最常用的连续工作气体激光器，以结构形式不同可分为内腔式、半内腔 1 式和外腔式激光器，如图 所示。二反射镜组成光学谐振腔，放电管内充以不同比例的氦气 和氖气 （激活物质），二电极通过毛细管放电激励激光工作物质，在氖原子的一对能级间造 成粒子数反转，输出受激辐射。由于谐振腔的作用，使受激辐射光在谐振腔内来回发射，多 次通过激活介质而不断加强。如果单程增益大于单程损耗，即满足产生激光的阈值条件时， 则有稳定的激光输出。 （1）外腔式 （2）半内腔式 由于各种因素引起的谱线加宽，使激光介质的增益系数有一频率分布，如图 2 所示，该 曲线称为增益曲线。对于 He-Ne 激光器，氖原子的自发辐射中心波长为 632.8nm，增益线宽 约为 1500MHz。由无源谐振腔理论可知，激光器的谐振腔具有无数多个固有的分立的谐振 频率，只有频率落在工作物质增益曲线范围内并满足激光器阈值条件的那些模式，才能形成 2 He-Ne 激光振荡，如图 所示。如果不采取选模措施，则 激光器一般以多模方式工作。 不同的振荡模式具有不同的光场分布。光腔的模式可以分解为纵模和横模，它们分别代 z z xy 表光腔模式的纵向 （即腔轴 方向）的光场分布和横向 （即垂直于 轴方向的 平面）的 光场分布。通常用符号 TEMmnq 标志不同模式，其中 q 为纵模序数，一般为很大的正整数； m 、n 0 1 2 TEM 代表基横模，它对应的光场分布特点是：在光 为横模序数，一般为 ， ， 。 00q 腔轴线上光振幅最大，从中心到边缘振幅逐渐降落。 每一个 q 对应纵向一种稳定的电磁场分布，称为一个纵模。对于同一阶横模，相邻两 纵模间距为 c = = q mn (q+1) mnq 2L 其中 为腔中介质的折射率，L 为谐振腔的长度。从式中看出，当腔长越长时，纵模间距越 小；相反腔长越短，纵模间距越大，因此用缩短腔长的办法，是获得单纵模运行激光器的方 法之一。相邻两个纵模频率间距相等，对应同一横模的一组纵模，它们的强度顶点构成了多 普勒线型的轮廓线，如图 2。 根据激光器不同的模式具有不同谐振频率的特点，可以通过分析激光器的频谱结构来判 断激光器的振荡模式。本实验用共焦球面扫描干涉仪测量 He-Ne 激光器的频谱。需要提醒 大家注意的是，由激光器的频谱图一般只能测出激光器各谱线的频率差，并不能直接测出 m 、 n 、q 的值。要判断激光器的模式结构，还应根据光斑形状及谐振腔具体参数等多种因素进 行综合分析。 2、 共焦球面扫描干涉仪的基本原理 共焦球面扫描干涉仪的结构如图 3 所示。它由两块镀有高反射膜、曲率半径相等的凹面 反射镜组成。这两片反射镜同轴相对放置，间距L 等于反射镜的半径 R，从而构成共焦球面 谐振腔。当一束波长为 的光沿光轴方向入射时，在忽略反射镜球差的情况下，光经四次反 射后与原入射光重合，它们之间的光程差为 =4nL n 为二反射镜间介质的折射率。根据多光束干涉的原理，当入射光波长满足 k=4nL k ( 为正整数) 时，透射光相干叠加产生干涉极大。共焦球面扫描干涉仪的透射谱如图 4