激光膜谱实验报告.docx

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 一、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。 二、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μ是增益介质的折射率（对气体介质μ≈1），L是谐振腔长，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： ①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。 ②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。 ③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。 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