激光调腔与纵横模分析实验报告.docxVIP

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激光调腔与纵横模分析实验

一、实验目的:

了解激光原理、光学谐振腔的结构。

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。

掌握实际调腔的操作方法。

了解激光器模的形成及特点,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

非轴向模轴向模图1.光谐振腔的选模作用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(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)。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。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

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Im,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。

图(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

态后(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,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 2?L?q?

q

(1)

hvhvhv

hv

hv

hv

I(v)

N1 E1

(N2N1)

V0 v

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,μ是折射率,对气体μ≈1,L是腔长,q是正整数,每一个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

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