He-Ne激光器模式分析实验

1 实验一 He-Ne激光器模式分析

（一）实验目的与要求

目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。

要求：用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。

（二）实验原理

1．激光器模的形成

我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式，在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，如图1-1所示。实际上，由于能级总有一定的宽度以及其它因素的影响，增益介质的增益有一个频率分布，如图1-2所示，图中)(G为光的增益系数。只有频率落在这个范围内的光在介质中传播时，光强才能获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，要产生激光还需要有谐振腔对其进行光学反馈，使光在多次往返传播中

图 1-1 粒子数反转分布 形成稳定、持续的振荡。形成持续振荡的条件是，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即

qqL2 （1-1）

式中，为折射率，对气体≈1；L为腔长；q为正整数。这正是光波相干的极大条件，满足此条件的光将获得极大增强。每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布，叫作一个纵模，q称作纵模序数。q是一个很大 2 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（2-1）式中，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式存在的，q值反映的恰是驻波波腹的 图 1-2 光的增益曲线 数目，纵模的频率为

He-Ne激光器模式分析

一、 实验目的

1、 了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；

2、 通过测试分析，掌握模式分析的基本方法；

3、 了解实验使用的共焦球面扫描干涉仪的工作原理及性能，学会正确使用

二、 实验原理

1. 激光模式的一般分析

稳定腔的输出频率特性：

（1）

其中：L—谐振腔长度；

q纵横序数； R、艮一两球面反射镜的曲率半径； m n横模序数；n 腔内介质的折射率。

（1）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为:

(1--) (1 - - )] 1/2

R1 R2

（其中 Am=n- m' ； An=n_ rT）

对于相同的横模，不同纵模间的频差为

3 ' = —Aq q：q 2耳 L

相邻两纵模的频差为 C 2 F （3）

由（2）、（ 3）式看出，稳定球面腔有如图 2— 1的频谱。△表示不同的两横模（比如U 00与U 10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之比,

2. 共焦球面扫描干涉仪的工作原理C 1

Vmnq「辽[q _(m n 1)]C0S-1[(1 L

R1 )(1 L

R2 )] 1/2

Av mn:m'n' _1

(m ；n)cos [

(2)

(△q=q— q')

(2)式除以(3)式得

=mn:m，n\lc^ . .；n)cos_1[(1 —丄)(1 -丄)] Av q R1 R2「/2 (4)

设: Av mn:m'n

Au

q S=丄 cos-1 [(1 -丄)(1 一 丄)]1/2

兀 R1 R2

于是（4）式可简写作: (二m =n) _ '： S (5) V00q+1

(1) 共焦球面扫描干涉仪由两块镀有高反射率的凹面镜构成，如图 射镜的曲率半径R=R=L。

(2) 正入射时，干涉相长条件为：4L=m・(n为折射率；L为腔长)

(3) 通常情况下，R固定，而F2装在一块管状压电陶瓷上。如果在压电陶瓷 y方 向上加一周期性的信号电压，那么 Fb将随压电陶瓷周期变形并沿轴向在中心位置 附近做微小振动，因而干涉仪的腔长 L也做微小的周期变化。从而干涉仪也允许 透射的光波波长也做周期的变化即：干涉仪可对入射光的波长进行扫描。

实验题目：利用双棱镜干涉法测He-Ne激光波长

实验目的：1观察双棱镜产生的双光束干涉现象，进一步理解产生干涉的条件

2学会用双棱镜测定光波波长。

实验仪器：光具座，He-Ne激光器，双棱镜，扩束激光透镜及镜架，成像透镜及镜架，测微透视观察屏卷尺等

实验原理：

设d代表两虚光源1S和2S间的距离，D为虚光源所在的平面(近似地在光源狭缝S的平面内)至观察屏Q的距离，且d《D，任意两条相邻的亮（或暗）条纹间的距离为ΔX，则实验所用光波波长λ可由下式表示：

λ=

DdΔX

由于干涉条纹宽度ΔX很小，必须使用测微目镜进行测量．两虚光源间的距离d，可用一已知焦距为f的会聚透镜L，置于双棱镜与测微目镜之间，由透镜两次成像法求得．只要使测微目镜到狭缝的距离大于4f，前后移动透镜，就可以在透镜的两个不同位置上从测微目镜中看到两虚光源1S和2S经透镜所成的实像，其中之一为放大的实像，另一个为缩小的实像．如果分别测得两放大像的间距1d，和两缩小像的间距2d， d= 21dd

实验步骤：1调节光学元件等高共轴：调节光源狭缝，双棱镜，测微目镜等高共轴，并使狭缝方向与双棱镜棱脊沿竖直方向平行 2调节出清晰的干涉条纹：开启光源调节放置位置及光路，使光通过狭缝对称地照到双棱镜棱脊两侧，将缝调至适当宽度，微调狭缝的倾角，以从目镜中看到清晰的条文为准。

3测x和D：调节缝屏之间的间距适中，固定狭缝，双棱镜，测微目镜位置不变，移动测微目镜读数骨轮，测缝屏之间的距离

4测a：用凹透镜成像法测虚光源间距a=ua`/v

注意事项 ：1先粗调后细调。测量要满足无视差要求。注意消除测微目镜鼓轮的空程误差。

2单缝面到支座中心距离为42.00mm，测微目镜叉丝面到支座中心距离为37.15mm。

3使用测微目镜时，首先要确定测微目镜读数装置的分格精度；要注意防止回程误差；旋转读数鼓轮时动作要平稳、缓慢；测量装置要保持稳定．

He-Ne激光器旁侧光谱研究的新方法

何安珣，程一帆，白翠琴，乐永康，苏卫锋

（复旦大学 物理学系，上海 200433）

He-Ne激光器旁侧光谱实验是通过记录激光器在有、无激光输出的两种状态下，腔内He-Ne等离子体自发辐射谱线的强度变化来研究输出激光相关的原子能级上的布居数差异。旁侧光谱不但能够在比较复杂的He-Ne等离子体的发射光谱中直观地展示哪些谱线和受激辐射有关，还能非常简明地揭示布居数反转的现象（上能级粒子数多于下能级，布居数反转的体系在统计物理上常被称作负温度体系）。

旁侧光谱研究一般是用以光电倍增管为探测器的动镜光栅光谱仪来测量。这类光谱仪是通过光栅转动来扫描波长，在每个时刻记录一个波长的谱线强度，整个光谱测量一般需要几分钟时间甚至更长。很显然，若测量有、无激光输出的两种状态下的旁侧谱所间隔的时间太长，电压漂移等引起的气体放电状态的改变也会不可区分地被记录在结果中，甚至在结果中引入错误信息。解决这一问题的方法是引入斩光器和锁相放大器，在尽可能短的时间间隔里记录特定波长处有、无激光输出两种条件下的谱线强度差。这不仅增加了设备成本，复杂了测量技术，而且，因为整个测量的时间较长，不同谱线的相对强度中还是包含了气体放电状态改变的成分。

高分辨、高灵敏线阵CCD的出现使微型光栅光谱仪也能实现0.1nm的极限分辨率（相邻两个CCD线阵单元对应的波长差）。因为可以从CCD中高速读取数据，这样的光谱仪能够1秒时间内记录一条完整的光谱。用这样的光谱仪进行He-Ne激光器旁侧光谱实验就能克服上述问题。但与动镜光谱仪不同，微型光栅光谱仪的分辨率和波长测量范围一般都是固定的，对于具体的应用，必须根据所关心谱线的波长范围、所需的分辨率选择适用的谱仪。

本文将报道我们用FX4000型光栅光谱仪测量He-Ne激光器的旁侧光谱的结果，讨论如何从有、无激光输出两个状态下旁侧光谱的变化来揭示激光工作物质中的布居数反转现象。