氦氖激光器模式分析实验报告

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，如精密测量、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，进行模式分析是激光器的一项基本又重要的性能测试。

一、实验目的1．了解氦氖激光模式的基本原理；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、基本原理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、激励能源。

如果用某种激励方式，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，见图1。

被传播的光波绝不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是指中心波长而已）。

因能级有一定宽度，加之粒子在谐振腔内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，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz。

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，还需要有谐振腔对其光学反馈，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，光在谐振腔内往返一周的光程差应是波长的整数倍，即2q L q ηλ= （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，η是折射率，对气体1η≈；L 是腔长；q 是正整数。

每一个q 对应纵向一种稳定的电磁场分布q λ,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,腔内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2q qc v Lμ= （2） 相邻两个纵模地频率间隔为：了 22q cc v L Lη∆=≈ （3） 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,q v ∆纵越小,满足振荡条件的纵模个数越多;相反,腔越短, q v ∆越大,在相同的增宽曲线范围内,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.光波在腔内往返振荡时候,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,如图所示,图1：纵模和纵模间隔图1中,增益线宽内虽有五个纵模满足谐振条件,但只有三个纵模地增益大于损耗,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.谐振腔对光多次反馈,在纵向形成不同的场分布,那么对横向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,就在横向的同一波腹处形成一个或者多个稳定的衍射分布,称为一个横模,我们见到的复杂的光斑则是这些基本光斑的叠加.图4中,我们介绍了几种常见的基本横模光斑图样.图2：常见的横模光斑图总之,任一个模,既是纵模,又是横模,它同时有两个名称,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,q 是纵模标记,m 和n 是横模标记.对方形镜来说，m 是沿x 轴场强为零的节点数,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,那么同一纵模序数内的不同横模又如何呢?同样,不同横模也是对应不同的频率.横模序数越大,频率越高.通常我们也不需要求出横模频率,关心的是不同横模间的频率差,经推导得()2m n c v m n L ηπ∆+∆∆=∆+∆（4）其中, m ∆,n ∆分别表示x ,y 方向上横模模序差, 1R ,2R 为谐振腔的两个反射镜的曲率半径,由（3）和（4）可知相邻的横模频率间隔和相邻的纵模频率间隔的关系：()m n q m n v v π∆+∆∆+∆∆=∆（5） 从上式中还可以看出,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5.图3: 在增益线宽内，纵模和横模分布图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.当腔长等于曲率半径时(12L R R ==,即共焦腔),分数值达到极大,即横模间隔是纵模间隔的1/2,横模序数相差为2的谱线频率正好与纵模序数相差为1的谱线频率兼并.激光器中能产生的横模个数,除前述增益因素外,还与放电毛细管的粗细、内部损耗等因素有关.一般说来,放电管直径越大,可能出现的横模个数越多.横模序数越高的,衍射损耗越大,形成稳定的振荡越困难.但是激光器输出光中横模的强弱决不能仅从衍射损耗一个因素考虑,而是由多种因素共同决定的,这是在模式分析实验中,辨认哪一个是高阶横模时易出错的地方.因仅从光的强弱来判断横模阶数的高低,即认为光最强的谱线一定是基横模,这是不对的,而应根据高阶横模具有高频率来确定.横模频率间隔的测量同纵模间隔一样,需借助展现的频谱图进行计算.但阶数m 和n 的确定仅从频谱图上是不够的,因为频谱图上只能看到有几个不同的m n +,可以测出m n +的差值,然而不同的m 和n 可对应相同的m n +，即简并,在频谱图上则是相同的,因此要确定m 和n 各是多少,还需结合激光器输出的光斑图形进行.当我们对光斑进行观察时,看到的应是它全部横模的叠加图(即图2中一个或几个单一态图形的组合).当只有一个横模时,很易辨认.如果横模个数比较多,或基横模很强,掩盖了其他的横模,或者高阶模太弱,都会给分辨带来一定的难度.但由于我们有频谱图,知道了横模的个数及彼此强度上的大致关系,就可缩小考虑的范围,从而能准确地确定出每个横模的m 和n 。

氦氖激光器实验报告《氦氖激光器实验报告1》哎呀，老师说要做氦氖激光器实验的时候，我心里就像揣了只小兔子，既兴奋又紧张。

“这可是个超级酷的实验呢！”我对同桌说。

同桌眼睛放光，回应道：“是啊，感觉就像要去探索神秘宝藏一样。

”就像每次生日拆礼物的时候，那种期待感满满当当的。

那天走进实验室，各种仪器摆在那里，灯光有点暗黄，像是在暗示着这里即将发生神秘的事情。

我和同桌小心翼翼地走向放置氦氖激光器的地方，那感觉就像两个小探险家靠近神秘的魔法盒。

实验开始了，我们按照步骤连接线路。

“这根线插这儿对吗？”我有点不确定地问旁边的小组同学。

“我觉得是这样的。

”他挠挠头说。

这就像我们在玩拼图，每一块都得小心翼翼地放对位置。

当我们接通电源的那一刻，激光器发出了微弱的光，那光线就像黑暗中好不容易钻出来的小豆芽，那么微弱却又充满希望。

我忍不住欢呼起来：“哇，成功了一小步呢！”大家都笑了起来，那种喜悦就像在炎热的夏天吃到了最爱的冰淇淋。

这个小小的成功让我明白，哪怕是再复杂的事情，只要一步一步来，总会有收获。

《氦氖激光器实验报告2》“氦氖激光器？这名字听起来就很高级！”我刚听到这个实验项目就对朋友大喊。

朋友说：“那肯定超级有趣，就像科幻电影里的东西。

”就像我们看《星球大战》时对那些炫酷的激光武器充满向往一样。

来到实验室，那股淡淡的化学药品味道弥漫在空气中，有点刺鼻却又很熟悉，像是在提醒我这是个充满挑战的地方。

我看着那复杂的仪器设备，有点犯愁。

“这么多东西，从哪儿开始呢？”我嘟囔着。

这时老师走过来，拍拍我的肩膀说：“别慌，就像搭积木，一块一块来。

”我深吸一口气，开始摆弄那些仪器。

在调节镜片的时候，我和小组成员产生了分歧。

“我觉得应该往这边转一点。

”我坚持说。

“不，我觉得那边才对。

”他反驳道。

这就像拔河比赛，双方都不肯让步。

最后我们决定试一下我的方法，结果发现光的准直度更好了。

那一刻我特别开心，就像赢得了一场重要的比赛。

我懂得了在团队里，有时候要勇敢地坚持自己的想法。

实验二 He-Ne激光器的模式分析一、实验目的1.用共焦球面扫描干涉仪测量He-Ne激光器的相邻纵模间隔，判别高阶横模的阶次。

2.了解激光的频谱结构，掌握扫描干涉仪的使用方法及测定其性能指标的实验技能。

3.观察激光器的频率漂移及跳模现象，了解其影响因素；观察激光器的输出横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。

二实验设备He-Ne激光器、激光电源、小孔光阑、共焦球面扫描干涉仪、锯齿波发生器、放大器、示波器等三、实验原理1．激光的频率特性激光器的光学谐振腔内可存在一系列具有分立谐振频率的本征模式，但其中频率位于工作物质增益带宽范围内，并满足阈值条件的本征模才会振荡形成激光。

通常把激光光波场的空间分布，分解为沿传播方向（腔轴方向）的分布E(z)和垂直于传播方向在横截面内的分布E(x,y)，即谐振腔模式可分为纵模和横模，用符号TEM标志不同模式的模式分布。

对激光束的模式进行频率分析，可以分辨出它的精细mn结构。

由无源腔理论可知：共轴稳定球面谐振腔TEM mn 模的频率为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+++=2111arccos )1(12R L R L n m q nL C v mnq π （2.1）式中m 、n 为横模阶次，q 为纵模阶次，L 为腔长，R 1R 2是腔面两反射镜的曲率半径，n是工作物质的折射率。

当m=n=0时为基横模，而m 或n ≠0时叫做高阶横模。

对于不同的横模（m 、n 不同）有不同的横向光强分布，所以观察光斑图案或测量光强分布也能分析横模结构。

但对于含有高阶横模的结构，则必须借助于频率分析才能分辨。

由(2.1)式可知，q 一定时，不同的横模对应有不同的振荡频率，其频率间隔为 ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆+∆=∆21'',1111arccos )(12R R n m nL C v n m mn π （2.2） 式中：m m m -=∆'，n n n -=∆'。

实验二氦氖激光器的模式分析简述：相对于一般光源，激光还具有单色性好的特点，即具有非常窄的谱线宽度。

这样窄的谱线并不是从能级受激辐射就自然形成的，而是受激辐射后有经过谐振腔等多种机制的作用和互相干涉，最后形成的一个或多个离散、稳定而又精细的谱线，这些谱线就是激光器的模。

实验目的1.了解激光器模形成的特点，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.对于共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能、学会正确使用。

实验原理激光器模的形成激光之所以能够保证良好的单色性，除了其发光原理之外，更重要的是谐振腔的选频功能。

发光介质的光谱宽度就其形成原理上来讲由自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽叠加而成。

对于低气压小功率激光器其增宽以多普勒增宽为主，增宽线型呈高斯函数。

而谐振腔的选频放大功能则表现为只有满足谐振要求的光才能实现持续震荡：2qL q µλ=q 通常是很大的整数。

则可知纵模频率以及频率间隔分别为：2q cv qL µ=122q c c v L Lµ∆=∆=≈即腔长越长，选出的纵模个数越多，反之亦然。

缩短腔长是得到单纵模运行激光的有效方法之一。

谐振腔对光进行多次反馈，在纵向形成不同的场分布的同时，也在横向的同一波腹处形成一个或多个稳定的衍射光斑，每种光斑对应一种横向电磁场分布，称为一个横模。

横模间距为：1/2121()arccos[(1)(1)]2m n c L L v m n L R R µπ∆+∆⎧⎫∆=∆+∆−−⎨⎬⎩⎭图1.横纵模示意图共焦球面扫描干涉仪（具体结构说明及结构示意图见实验书）共焦球面干涉仪用压电陶瓷作为扫描元件或用气压进行扫描。

共焦球面扫描干涉仪是一个无源腔，由两块球形凹面反射镜构成，两块镜的曲率半径和腔长相等（即R1=R2=l，构成共焦腔）。

其中一块反射镜固定不动，另一块反射镜固定在可随外电压变化而变化的压电陶瓷环上。

如右图所示，由低膨胀系数材料制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜R1、R2总处于共焦状态。