激光调腔与纵横模分析实验报告.pdf

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1、激光调腔与纵横模分析实验 一、实验目的：1.了解激光原理、光学谐振腔的结构。2.掌握谐振腔的模式稳定原则，并学会用其设计一个稳定的激光谐振腔。3.掌握实际调腔的操作方法。4.了解激光器模的形成及特点，加深对其物理概念的理解。5通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。6对本实验使用的重要分光仪器共焦球面打描干涉仪，了解其原理、性能，学会正确的使用。二、实验原理：(一)激光原理与光学谐振腔 激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔、激励能源。激光实际上是一种受激辐射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）。如果用某种激

2、励方式，将介质的某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，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、放大。因为受激辐射产生相干光子，而自发辐射产生非相干光子。如果我们能创造一种情况，使腔内某一特定模式（或少数几个模式）的单色能量密度大大增加，而其他所有模式的单色能量密度很小，就能在这一特定（或少数几个）模式内形成很高的光子简并度。也就是说，使相干的受激辐射光子集中在某一特定（或几个）模式内，而不是均匀分配在所有模式内。这种情况可以用以下的方法实现：（如图 1 所示）非轴向模 轴向模 图 1.光谐振腔的选模作用 将一个充满物质原子的长方体空腔去掉侧壁，只保留两

3、个端面壁。如果端面腔壁对光有很高的反射系数，则沿垂直端面的腔轴方向传播的光（相当于少数几个模式）在腔内多次反射而不逸出腔外，而所有其他方向的光则很容易逸出腔外。此外，如果沿腔轴传播的光在 每次通过腔内物质使不是被原子吸收（受激吸收），而是由于原子的受激辐射而得到放大，那么腔内轴向模式的单色能量密度就能不断的增强，从而在轴向模内获得极高的光子简并度。这就是激光器的基本思想。不管初始光强多么微弱，只要放大器足够长，就总是能形成确定大小的光强mI，这实际上就是自激振荡的概念，它表明，当激光放大器的长度足够长时，它可能成为一个自激振荡器。实际上，我们不可能也没必要把激活物质的长度无限增加，只要在具有一

4、定长度的光放大器两端放置如上所述的光谐振腔，就可以使轴向光波模在反射镜间往返传播，就等效于增加了放大器长度。综上所述，一个激光器应包括光放大器和光谐振腔两部分，对于光腔的作用，至少应该归结为两点：模式选择和提供轴向光波模的反馈。在本实验中的光放大器为氦氖激光管，光谐振腔要求用已提供的各种参数的镜片来设计完成。(二)调腔实验调节方法：十字小孔成像准直法 如图 1 所示，十字屏中心有一小孔，用照明光源照亮十字屏。通过小孔沿光轴观察放电管，移动十字屏位置，在放电管端头找到放电管中心的光点，如图 2（a）所示。然后调节腔镜，并观察十字线的像，使其交点与放电管中心光点重合，调节到如图 2（c）所示状图态

5、后（标志着腔镜已经与放电管轴线垂直），将十字屏、照明光源换到激光腔另外一端，按照以上调节方法，同样调节到如图 2（c）所示状态，即可能有激光输出。否则，可重复以上步骤，反复调节，直至输出红色激光。可以使用光功率计（自备）检测输出激光强度，微调两腔镜，以达到最佳输出光强。波长。(三）激光器模的形成 被传播的光波绝不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是指光的中心波长而已）。因能级有一定宽度，粒子在谐振腔内运动又受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是自然增宽、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 激光器谱线，

6、则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为 1500MHZ，见图 4。只有频率落在展宽范围内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，还不足以产生激光，还需要有谐振腔对它进行光学反馈，使光在多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，光在谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍，即 qqL2 （1）N1E1N2E2hvhvhv(N2N1)I(v)vV0 图 3 粒子数反转分布 图 4 光的增益曲线 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，其它则相互抵消。式中，是折射率，对气体 1，L 是腔长，q 是正整数，每一个

7、 q 值对应一种纵向稳定的电磁场分布的波长q，称为一个纵模，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，腔内的纵模是以驻波形成存在的，q 值反映的恰是驻波波腹的数目，纵模的频率为 Lcqq2 （2）同样，一般我们不去计算它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔 LcLcq221 （3）从式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，纵越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反腔越短，纵越大，在同样的增宽曲线范围内，纵模个数就越少，因而用缩短腔长的办法获得单纵模运行激

8、光器的方法之一。以上我们得出纵模具有的特征是：相邻纵模频率间隔相等；它们的相对强度由多普勒线型的分布曲线决定。如图 5 所示。任何事物都具有两重性，光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强；另一方面也存在着不可避免的多种损耗，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，在图 5 中，增益线宽内虽有五个纵模满足谐振条件，但只有三个纵模的增益大于损耗，能有激光输出，对于纵模的观测，由于 q 值很大，相邻纵模频率差异很小，眼睛不能分辨，必须借用一定的检测仪器才能观测到。增益损

9、耗纵横间隔vq-2vq-1vq+1vq+2vq频率 图 5 纵模和纵模间隔 图 6 常见的横模光斑图 谐振腔对光多次反馈，在纵向形成不同的场分布，那么对光斑的横向分布是否也会产生影响呢回答是肯定的。这是因为光每经过放电毛细管反馈一次，就相当于一次衍射。多次反复衍射，就在同一波腹的横截面处形成一个或多个稳定的衍射光斑，每一个衍射光斑对应一种稳定的横向电磁场分布，称为一个横模。我们所看到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加，几种常见的基本横模光斑图样如图 6 所示。总之，任何一个模，即是纵模，又是横模。它同时有两个名称，只不过是对两个不同方向的观测结果分开称呼而已。一个模由三个量子数来表示，通常写作

10、 TEMmnq,q 是纵模标记，m 和 n 是横模标记，m 是沿 x 轴强为零的节点数，n 是沿 y 轴场强为零的节点数。前面已知，不同的纵模对应不同的频率。那和属于同一纵模序数里的不同横模又如何呢同样，不同横模也对应不同的频率，横模序数越大，频率越高。通常我们也不需要计算出横模频率，关心的是具有几个不同的横模及不同的横模间的频率差，经推导得)1)(1cos(.)(122121RLRLarcnmLcnm （4）其中，m、n 分别表示 x、y 方向上的横模序数差，R1、R2为谐振腔的两个反射镜的曲率半径。相邻横模频率间隔为)1)(1cos(.1212111RLRLarcqnm （5）从上式还可以

11、看出，相邻的横模频率间隔与纵模频率间隔的比值是一个分数，例如图 7，分数的大小由激光器的腔长和曲率半径决定。腔长与曲率半径的比值越大，分数值越大。1q 1nm2nm 图 7 IVTEM00q-1TEM10q-1TEM20q-1TEM00qTEM10qTEM20q在增益线宽内纵、横模的分布（频谱图）综上所述，模式分析的内容就是要测量和分析出激光器所具有的纵模个数、纵模频率间隔值、横模个数、横模频率间隔值、每个横模的 m 值和 n 值及对应的光斑图形。（四）共焦球面扫描干涉仪 共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器，已成为激光技术中一种重要的测量设备。本实验就是使用它将一支激光器所发射出的彼

12、此频率差异甚小（几十至几百 MHZ），用眼睛和一般光谱仪器都不能分辨的所有纵模、横模展现成频谱图来进行观测的。它在本实验中起着不可替代的重要作用。共焦球面扫描干涉仪是一个无源谱振腔，由两块球形凹面反射镜构成共焦腔，即两块镜的曲率半径和腔长相等，lRR21。反射镜镀有高反射膜。两块镜中的一块是固定不变的，另一块固定在可随外加电压而变化的压电陶瓷环上，如图 8 所示，图中，1 为由低膨胀系数制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜 R1和 R2总是处在共焦状态；2 为压电陶瓷环，其特性是若在环的内外壁上加一定数值的电压，环的长度将随之发生变化，而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关系，这正是扫描干

13、涉仪被用来扫描的基本条件，由于长度的变化量很小，仅为波长数量级，它不足以改变腔的共焦状态，但是当线性关系不好时，会给测量带来一定的误差。扫描干涉仪有两个重要的性能参数，即自由光谱范围和精细常数，这两个参数经常要用到，下面分别对它们进行讨论。R1R221 lAB1,2,3.O1,2,3.O 图 8 扫描干涉仪内部结构示意图 图 9 共焦球面扫描干涉仪内部光路图 1.由低膨胀系数制成的间隔圈 2.压电陶瓷环 1.自由光谱范围 当一束激光以近光轴方向轴入干涉仪后，在共焦腔中经四次反射呈 x 形路径，光程近似为l 4，见图 7 所示，光在腔内每走一个周期都会有部分光从镜面透射出去。如在 A、B两点，形

14、成一束束透射光 1，2，3和 1，2，3，这时我们在压电陶瓷环上加一线性电压，当外加电使腔长变化到某一长度al，正好使相邻两次透射光束的光程差是入射光中波长为a的这个模的波长的整数倍时，即 aa4 （6）此式模a将产生相干极大透射，而其它波长的模则相互抵消（k 为扫描干涉仪的干涉序数，是一个整数）。同理，外加电压又可使腔长变化到bl，使波长为b的模符合谐振条件，极大透射，而a等其它模又相互抵消，因此，极大透射的波长值与腔长值间有一一对应关系。只要有一定幅度的电压来改变腔长，就可以使激光器的所有不同波长（或频率）的模依次产生相干极大透射，形成扫描，但值得注意的是，若入射光波长范围超过某一限定时，

15、外加电压虽可使腔长线性变化，但一个确定的腔长有可能使几个不同波长的模同波长的模同时产生相干极大，造成重序，例如，当腔长变化到可使d极大时，a会再次出现极大，有 addkkl)1(4 （7）即 k 序中的d和 k+1 序中的a同时满足极大条件，两种不同的模被同时扫出，叠加在一起，因此，要求扫描干涉仪存在一个不重序的波长范围限制，所谓自由光谱范围（.）是指扫描干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差，用.RS或者.RS表示。例如上例中的dl为刚刚重序的起点，则ad即为此干涉仪的自由光谱范围值，经推导，可得 llaad42 （8）由于d与a间相差很小，可共用近似表示 lRS42.（9）用频率表示，

16、即为 lcRS4.（10）在模式分析实验中，由于我们不希望出现式（7）中的重序现象，故选用扫描干涉仪时，必须首先知道它的.RS和待分析的激光器频率范围，并使.RS，才能保证在频谱图上不重序，即保证腔长与模的波长（或频率）之间是一一对应关系。自由光谱范围还可用腔长的变化量来描述，即腔长变化量为/4 时所对应的扫描范围，因为光在共焦腔内呈 x 型，四倍路程的光程差正好等于，干涉序数改变 1。另外，还可看出，当满足.RS条件后，如果外加电压足够大，可使腔长的变化量是/4 的 i 倍时，那么将会扫描 i 个干涉序，激光器的所有模将周期性地重复出现在干涉序 k,k+1,，k+(i-1)中，如图 10 所

17、示。.RS IVq-1qq+1q-1qq+1k+1序k序 图 10 展现出多个干涉序 2.精细常数 精细常数 F 是用来表征扫描干涉仪分辨本领高低的参数，它的定义是：自由光谱范围与最小分辨率限宽度之比，即在自由光谱范围内能分辨的最多的谱线数目，根据精细常数定义 .RSF （11）其中就是干涉仪所能分辨出的最小波长差，我们用仪器测出的一个模的宽度代替，实验中就是一个模的半值宽度。从展开的频谱图中我们可以测定出 F 值的大小，精细常数的理论公式为 RRF1 （12）R 为凹面镜的反射率，从式（12）看，F 只与镜片的反射率有关，实际上还与共焦腔的调整精度、镜片加工精度、干涉仪的入射和出射光孔的大小

18、及使用时的准直精度等因素有关。因此精细常数的实际值应由实验来确定。三、实验装置及功能说明 全反镜He-Ne激光管激光电源输出镜F-P干涉仪锯齿波输出光电探头探测器电源F-P扫描干涉仪控制器信号输出示波器Y X锯齿波监测 图 11 实验装置示意图 1.激光电源为 He-Ne 激光管，连线时需注意，激光管内与铝筒相连的引出端为阴极，应与激光电源的负极（黑色插座）相接。正极与阳极相接（红色插座）。切勿接反，否则会损坏激光管！2.全反镜、输出镜为激光器的两腔镜，通过仔细调节（方法见调腔说明书），使激光器出光。干涉仪：使激光器的各个不同的模按频率展开，透射光中心波长为，自由光谱范围为2500MHZ。4.

19、光电探头：内置光电二极管，将扫描 F-P 干涉仪输出的光信号转换成电信号。扫描干涉仪控制器：内含锯齿波发生器，锯齿波电压除了加到扫描干涉仪的压电陶瓷环上外，还同时输送到示波器的 X 轴上作同步扫描，锯齿波电压幅度可调。为了便于观察，使某个干涉的中心波长在频谱图中的位置移动，从而使每个干涉序中全部频谱能完整地展现在示波器上，所以增加了一个直流偏置电源，用以改变对腔扫描幅度的起点。探测器电源为光电探头提供直流工作电压。并将光电探头接收到的电信号送入内置的放大器。经放大后的电信号由信号输出端送到示波器的 y 轴。6.示波器：用于显示经扫描和放大后的 He-Ne 激光器的频谱图。总之，本实验装置的工作

20、原理是，用压电陶瓷环驱动扫描干涉仪的一个反射镜片，使该镜片在轴线方向上作微小的周期性振动，从而使各个激光模式依次通过干涉仪，由光电探头把接收到的光信号转换成电信号，经放大将该信号送到示波器的 y 轴输入端；同时将改变腔长的锯齿波电压送到示波器的 x 轴输入端。这时，示波器的横向座标就是干涉仪的频率变化，从而示波器的荧屏上即显示出透过干涉仪的激光模式频谱，如图 12 所示。图 12 示波器上显示的激光模谱 由于.RSX正比于干涉仪的自由光谱区.RS，X正比于激光器相邻纵模的频率间隔q。当存在主阶横模时，可在基模 TEM00q旁边看到（如图 10 中的 TEM00q模），1X正比于mn，由实验测出

21、.RSX、X、1X，就可以通过计算得出相对应的频率间隔。四、实验内容与步骤 1.按装置图连接线路，经检查无误后，方可接通。2.开启激光器。注意激光管内与铝筒相连的电极为阴极，与激光电源的负极（黑色插座）相连接，不能接反。3.利用十字小孔成像准直法调腔，直至输出红色激光。4.使被测激光束射向干涉仪的中心，用目视观察干涉仪内的光斑。因为在未加扫描电压时干涉仪的初始腔长未必恰好与激光器的谱线谐振，所以有时看不到光斑，这时可加上锯齿波电压。若看到两个光斑，说明激光束与干涉仪尚未准直，旋转干涉仪支架上的两个调节旋钮，使两个光斑重合，则激光束与干涉仪已基本准直。此时即可装上光电探头，让出射光斑射入光电探头

22、的小孔内，就可通过示波器来观测所展现的频谱图。进一步细调干涉仪支架上的两个方位调节旋钮，使谱线尽量强，噪声最小。5.改变锯齿波输出的电压幅度，观察示波器上干涉序的数目有何变化。6.根据干涉序个数和频谱的周期性，确定哪些模属于同一 K 序。7.为了测量不同模式的频率间隔，必须首先对示波器的 x 轴进行定标（即确定标尺：x 轴上每厘米代表的频率间隔值），具体做法是：根据自由光谱范围.RS的定义及已知的频率差值，在示波器的 x 轴上找出与之相对应的两条谱线及两条线间的距离值，即可算出标尺了。在确定标尺时，为了减小误差，必须适当增大示波器 x 轴的增益，即减小标尺的数值。8.在同一干涉序 K 内观测，

23、根据纵模定义对照频谱特征，确定纵模的个数，并测出纵模频率间隔1q，与理论值比较，检查辨认和测量的值是否正确。9.根据定义，测量扫描干涉仪的精细常数 F，为了提高测量的准确度，需再加大示波器的 x 轴增益，此时可利用经过计算后已知的最靠近的模间隔值重新定标，即重新确定每厘米代表的频率间隔。10.分析判断是否存在高阶横模，估计共阶次，并与远场光斑加以比较。五、注意事项：因本实验带有一定的危险性、复杂性，希望同学们仔细阅读以下注意事项并严格遵守，在实验中听从实验指导老师的安排，小心细心耐心的完成实验。1.勿用手指或其他粗糙纸制品擦拭激光管的布氏窗面、腔镜面，如有有污迹确需去除，请报请实验指导老师处理

24、。2.在连接激光管电源时切记看清正负极，并且看清是否连接良好（金属连接部分不要外露），正负极接反会导致激光管迅速损坏，激光电源输出电压很高，连接部分外露会导致触电情况发生。3.调腔使激光输出后不要用眼直视激光束，以免灼伤眼睛。事先选择好合适的激光管放置位置，使其出光后避免激光照射到其他实验同学的眼睛或面部，在实验区域附近不要乱放置不必要的反光物。4.在调节出光的过程中，不要将电源电流调得太大，以免瞬间出光时灼伤眼睛；调节过程中应有意识的使自己的瞳孔稍小，减少激光射入到视网膜的能量，一旦看到有红光出现，就不要再直视激光管内，而应改成使用白屏接收并细微调节直至输出稳定的激光。5.实验结束后，若需要

25、将电源连接线从激光管上拆下时，应先将电源关闭 1 分钟，然后方可将连在激光管上的连接线取下，并请小心操作，不要左右晃动，以免使电极折断。附：F-P 扫描干涉仪控制器使用方法 1.接好工作负载电路(见仪器馈线连接指导)，用馈线接通 220V 电源；2.将扫描“幅度、频率、偏置”旋钮放置中间位置；3.按“电源开关”按钮，调节“扫描频率”旋钮，可改变锯齿波输出频率；“锯齿波输出”和“锯齿波监测”有锯齿波输出；4.调节“扫描幅度”旋钮，改变“锯齿波输出”和“锯齿波监测”的锯齿波电压幅度；5.调节“偏置调节”旋钮，可以改变偏压值；6.使用完后，按“电源开关”按钮，关机。仪器馈线连接指导 1、F-P 扫描干涉仪控制器与扫描干涉仪连接 用锯齿波驱动馈线连接扫描干涉仪“锯齿波输入”端子和控制器“锯齿波输出”端子 2、F-P 扫描干涉仪控制器与探测器连接 用同轴馈线连接 F-P 扫描干涉仪控制器“探测器电源”端子和探测器 3、F-P 扫描干涉仪控制器与示波器连接 1）用信号输出馈线连接 F-P 扫描干涉仪控制器“信号输出”端子和示波器“Y1”输入端 2）用同轴馈线连接 F-P 扫描干涉仪控制器的“锯齿波监测”端子和示波器“Y2”输入端