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氦氖激光器模式分析实验

在激光器的生产与应用中，我们常常需要先知道激光器的模式状况，如

精细测量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光器稳频和激光测距

等不仅要基横模而且要求单纵模运行的激光器。因此，进展模式分析是激光器的

一项根本又重要的性能测试。

一、实验目的

1．了解氦氖激光模式的根本原理；

2．掌握氦氖激光模式分析整套仪器的光路调节，理解光谱精度，光谱分辨

率的计算；

3.根据氦氖激光器的光学特性考察其在光电子技术方面的应用。

二、根本原理

1．激光器模的形成

我们知道，激光器的三个根本组成局部是增益介质、谐振腔、鼓励能源。

如果用*种鼓励方式，将介质的*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，将有一定频率的光波产生，在腔传播，并被增益介质逐渐增

强、放大，见图1。被传播的光波绝不是单一频率的〔通常所谓*一波长的光，

不过是指中心波长而已〕。因能级有一定宽度，加之粒子在谐振腔运动受多种因

素的影响，实际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。不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低

气压、小功率的He-Ne激光器6328埃谱线，以多普勒增宽为主，增宽线型根本

呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz。只有频率落在展宽围的光在介质中传播时，

光强将获得不同程度的放大。但只有单程放大，还缺乏以产生激光，还需要有谐

振腔对其光学反响，使光在屡次往返传播中形成稳定、持续的振荡，才有激光输

出的可能。而形成持续振荡的条件是，光在谐振腔往返一周的光程差应是波长的

整数倍，即

2Lqq〔1〕

这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强，其他则互相抵消。

式中，是折射率，对气体1；L是腔长；q是正整数。每一个q对应纵向一

.z

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种稳定的电磁场分布q,叫一个纵模,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.从式〔1〕中我们还看出,这也是驻波形成的条件,腔的纵模是以驻波形式

存在的,q值反映的恰是驻波腹的数目.纵模的频率为

vqc〔2〕

q2L

相邻两个纵模地频率间隔为：

cc

了v〔3〕

q2L2L

从式〔3〕看出,相邻的纵模频率间隔和激光器的腔长成反比,即腔越长,v纵越

q

小,满足振荡条件的纵模个数越多;相反,腔越短,v越大,在一样的增宽曲线围,

q

纵模个数就越少.因而用缩短腔长的方法是获得单纵模运行激光器的方法之一.

任何事物都具有两重性.光波在腔往返振荡时候,一方面有增益,使光不断

增强;另一方面也存在着不可防止的多种损耗,使光强减弱,如介质的吸收损耗、

散射损耗、镜面透射损耗、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,如下列图,

图1：纵模和纵模间隔

图1中,增益线宽虽有五个纵模满足谐振条件,但只有三个纵模地增益大于损耗,