He-Ne激光器纵模分裂和模竞争及模谱分析

He-Ne激光器纵模分裂和模竞争及模谱分析

【摘要】：

本实验主要利用氦氖激光器、扫描干涉仪、示波器观察了不同激光器的纵模横

模，认识了自由光谱区；又利用了纵模分裂和模竞争测量了增益曲线，测得出

光带宽，观察了模分裂现象，观测了激光偏振态。

关键词：

氦氖激光器、纵模、横模、自由光谱区、增益曲线、出光带宽、模分裂

一、实验引言：

激光是20世纪60年代的伟大发明。它的诞生影响到自然科学的各个领域。

激光是受激辐射光，所以它具备与普通光源不同的性质，即极好的方向性、单

色性和极高的亮度。

激光器由增益介质、光学谐振腔和激励能源组成。激光谐振腔有本征频率，每一个频率对应一种光场分布，叫做一种模式。纵模描述轴向光场分布状态，

横模描述横向光场分布状态。谐振腔的结构不同，它的模式也不同。

激光模分裂指的是由物理效应，如双折射和塞曼效应等把激光器的一个频率分裂成两个的现象。激光束由受激辐射产生，光束中的光子都具有相同的偏

振状态，所以大多数类型的激光器输出的每一个纵模（频率）也都是线偏振的，

而且相邻的两个纵模要么是正交偏振的，要么是平行偏振的。本实验正式利用

激光器输出光束的偏振特性研究由双折射效应引起的激光频率分裂。

二、实验原理：

2.1激光以及氦氖激光器

如果一个腔体中同时存在着原子体系和光讯号，它们之间的相互作用可以归结为三个基本过程，即自发辐射、受激吸收和受激发射。对于激光束，同时存在着受激吸收和受激发射。有激光输出，要求受激发射超过受激吸收，必须是高能级的原子数密度N2大于低能级的原子数密度N1。我们把出现N2>N1的情况称为“粒子数反

转”。用放电激励的方法使N2>N1，那么，由于激光器两端有两块互相平行的高反射镜子，使光讯号在激光器的腔体中不断来回振荡，不断放大，最终就形成强烈的激光束。受激发射的光子具有相同的能量（频率）、相同的相位、偏振态，且从同一方向发出。

图一、激光管结构示意图

2.2氦氖激光器的纵模横模

纵模是描述谐振腔内轴向光场的分布状态，横模是描述腔内横向光场的分布状态。每种光场的分布形式叫做一种模式，记做TEMm,n,q 模。m 和n 是横模序数，q 是纵模序数。实验中所测量的纵、横模间隔是指纵、横模序数不同的本征模式之间的频率间隔。

在腔内形成稳定驻波场是稳定的条件为2q L μλ=，μ是增益介质的折射率，q 是整数，L 是谐振腔长。可得，纵模间隔

,,,,2m n q q m n q c q L

νννμ+∆∆=-=

∆纵 （1）

横模间隔与反射镜曲率及腔长有关，本实验用的是非共焦腔：

()1

21

121cos 112c L L m n L R R νμπ-⎧⎫⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎪⎪∆=∆+∆--⎨⎬⎢⎥ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎪⎪

⎩⎭

横 (2)

图二为最简单的几种横模的光强分布。通常几个横模同时振荡，观察到得往往是合成图样。

图二、几种简单的横模的光强分布

2.3双折射效应产生激光频率分裂

波长和激光腔总光长满足q 2

L λ

=

（1μ=）。当一片双折射元件放入激光谐振腔中，

它对两正交偏振方向的光有不同的折射率，使其光程不同，原本唯一的谐振腔长“分

裂”为两个腔长，两个腔长又不同的本征频率，一个激光频率变成了两个。

o e L

ν

νννδ∆=-=

，δ为光程差。

大多数类型的激光器输出的每一个纵模都是线偏振的，可以实现纵模分裂。 本实验利用石英晶体双折射效应产生纵模分裂。

2.4共焦球面扫描干涉仪

共焦球面扫描干涉仪：其是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，二镜之间的距离等于曲率半径R ，构成一个共焦系统。其的剖面图和光路图如下：

图三、共焦球面扫描干涉仪

压电陶瓷环带动其中一面镜子使腔长L 在一定范围内做周期性变化。一束光入射后，有两组透射光，若相邻两束光程差满足4L K λ=,则产生干涉极大。进而可得

2

c 4K

L L νδ∆=-

,说明ν的变化与腔长的变化量成正比。当114L δλ=时，即i 11

4

L L λ=+，无法分辨i λ和1λ，定义i 1SR λλλ∆=-，为干涉仪的自由光谱区。

三、实验内容： 实验仪器：

JWD-3激光电源、氦氖激光管、扫描干涉仪、示波器、压电陶瓷电源、JX-1氦氖激光器

图四、实验仪器

实验步骤：

1、分别测量两根氦氖激光管的模谱分布

按照实验一的方案连接示意图，连接装置。调节光路后，改变偏置电压、锯齿波幅度，观察对模谱的影响；测量激光管的相邻的纵模频率间隔和相邻的横模频率间隔；观察记录一个自由光谱区的模谱图。

2、观测氦氖激光器的纵模分裂和模竞争

按照实验二的方案连接示意图，连接装置。调节光路后，改变加在压电陶瓷上的电压，模谱将在示波器上移动并改变幅值，记下谱线左边和右边的消失点，两消失点的频率间隔就是出光带宽。记录三四个点，描出激光增益曲线。

调整石英晶片晶轴与光束夹角，是纵模谱线足够的分裂间距，旋转偏振片，观察两分裂谱线间的偏振关系。

改变压电陶瓷上的电压，分析什么条件下才能观察到o和e光。

四、实验结果极其分析：

（一）

对于短管激光器，改变锯齿波幅度会使模的自由光谱区的t 的对应区域会减小或者增大，

改变偏置电压会使模谱横向平移。

自由光谱区的判断：在示波器上可以观察到模谱具有周期性。每个周期中每个谱线的强度的比例基本一样。可以找准一条谱线，然后在下一周期中找到与之相应的谱线，它们之间的距离就是自由光谱区。

从表中可以看出，理论值和测量值存在着误差。误差应来自仪器本身的误差以及信号的不稳定致使测量不准确。在实验的过程中，其他实验室的震动会影响仪器的稳定性。