氦氖激光器的模式分析實驗報告

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1、近代物理實驗報告 指導(dǎo)教師: 得分: 實驗時間: 2009年03月17日，第 周，周 第 5-8 節(jié) 實驗者: 班級 材料0705 學(xué)號 200767025 姓名 童凌煒 同組者: 班級 材料0705 學(xué)號 200767007 姓名 車宏龍 實驗地點: 綜合樓501 實驗條件: 室內(nèi)溫度 C,相對濕度 %,室內(nèi)氣壓 實驗題目: 氫凝激光器的模式分析 實驗儀器: (注明規(guī)格和型號) 制*1-1此的雄心曲1 .qf = 2uL 掃描干涉儀；高速光電接收器；鋸齒波發(fā)生器；示波器； 半

2、外腔氨頰激光器及電源；準(zhǔn)直用氨頰激光器及電源；準(zhǔn)直小孔。 實驗?zāi)康模? (1) 了解掃描干涉儀原理，掌握其使用方法; (2) 學(xué)習(xí)觀測激光束橫模、縱模的實驗方法。 實驗原理簡述: 1 .激光器模式的形成 激光器由增益介質(zhì)、諧振腔、激勵能源三個基本部分組成。如果用 某種激勵的方式，使介質(zhì)的某一對能級間形成的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布， 由于自發(fā)輻射的作用，將有一定頻率的光波產(chǎn)生，并在諧振腔內(nèi)傳 播，被增益介質(zhì)增強、放大。形成持續(xù)振蕩的條件是：光在諧振腔 內(nèi)往返一周的光程差為波長的整數(shù)倍，即 滿足此條件的光將獲得極大的增強。 每一個q對應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場分布%,叫一個縱模，q稱為縱 模序數(shù)

3、。縱模的頻率為 c ' q = q — q 2uL 相鄰兩個縱模的頻率間隔為 因此可以得知，縮短腔長的方法是獲得單縱模運行激光器的辦法之 當(dāng)光經(jīng)過放電毛細(xì)管時，每反饋一次就相當(dāng)于一次衍射，多次反復(fù)衍射，就在橫向的同一波腹處形成一個 或多個穩(wěn)定的衍射光斑。每一個衍射光斑對應(yīng)一種穩(wěn)定的橫向電磁場分布，稱為一個橫模。模式指激光器 內(nèi)能夠發(fā)生穩(wěn)定光振蕩的形式，每一個膜，既是縱模，又是橫模，縱模描述了激光器輸出分立頻率的個數(shù), 橫模描述了垂直于激光傳播方向的平面內(nèi)光場的分布情況。激光的線寬和相干長度由縱模決定，光束的發(fā) 散角、光斑的直徑和能量的橫向分布由橫模決定。，一個膜由三個量子數(shù)表示，

4、通常記作TEMmnq。 橫模序數(shù)越大，頻率越高。不同橫模間的頻率差為: -' mn,m'n 1 （m ：r n）arccos （1 2uL 二 RL）（1 R1 1/2 相鄰橫模頻率間隔為: =Aa3rccosK1-〉-/J I R|_R1R2 相鄰橫模頻率間隔與縱模頻率間隔的比值是一個分?jǐn)?shù)，分?jǐn)?shù)的大小由激光器的腔長和曲率半徑?jīng)Q定，腔長 與曲率半徑的比值越大，分?jǐn)?shù)值就越大。 另外， 激光器中產(chǎn)生的橫模個數(shù)，除了與增益有關(guān)外，還與放電毛細(xì)管的粗細(xì)、內(nèi)部損耗等因素有關(guān)。 間隔? 圖51 3獨熱球向H描廣祚儀結(jié)構(gòu)陽 2 .共焦球面掃描干涉儀 共焦球面干涉

5、儀用壓電陶瓷作為掃描元件或用氣壓進(jìn)行掃 描。 2.1 共焦球面掃描干涉儀的機構(gòu)和工作原理 共焦球面掃描干涉儀是一個無源腔，由兩塊球形凹面反射鏡 構(gòu)成，兩塊鏡的曲率半徑和腔長相等（即R1=R2=l,構(gòu)成共焦 腔）。其中一塊反射鏡固定不動，另一塊反射鏡固定在可隨外 電壓變化而變化的壓電陶瓷環(huán)上。如右圖所示，由低膨脹系 數(shù)材料制成的間隔圈，用以彳持兩球形凹面反射鏡R1、R2總 圖5-17 共世!球面打描『涉儀內(nèi)部光路圖 處于共焦?fàn)顟B(tài)。 當(dāng)一束波長為入的光近軸入射到 干涉儀內(nèi)時，在忽略球差的條件 下，在共焦腔中經(jīng)四次反射形成 一條閉合路徑，光程近似為 41, 如右圖所示 ' 編

6、號為1和1的兩組透光強分別為： T2R 22： 4 I1 =10（2）[1 （7工？）sin ] 1 - R 1 - R 3為往返一次所形成的相位差，即 '■ =2ul 2二 /， 當(dāng)3 =k兀（k為任意整數(shù)）時即 4uL = k九 此時透射率有最大值，如下式所表達(dá)： T2 =ZT2~2 (1-R2)2 改變腔長l或介質(zhì)折射率 科，可以使不同波長的光以最大透射率透射，實現(xiàn)光譜掃描。 實驗中在電陶瓷上加一線性電壓，當(dāng)外加電壓使腔長變化到某一值時，正好使相鄰兩次透射光束的光程差 是入射光中波長為 ％的這條譜線的整數(shù)倍時， 即 4la =k'a 并且此時只要有一定幅度的電

7、壓來改變腔長，就可以使激光器具有的所有不同波長的膜依次相干極大透 過，形成掃描。 下圖所示的為激光膜譜 2.2共焦球面掃描干涉儀的主要性能指標(biāo) 2.2.1 自由光譜范圍 自由光譜范圍（S.R.）是指掃描干涉儀所能掃出的不重序的最大波長差或頻率差。 為了保證頻譜圖上不重序，需要使 △ V § R。＞△ V。 用頻率表不為△ v R。=c/4l, 2.2.2 儀器的帶寬8 y 儀器的帶寬8是指干涉儀透射峰的頻率寬度，也是干涉儀能分辨的最小頻差。 2.2.3 精細(xì)常數(shù) 精細(xì)常數(shù)是用來表示掃描干涉儀分辨本領(lǐng)的參數(shù)，它的定義是：自由光譜寬度與最小分辨極限的比。 ,, 二 R

8、 ?—on 這一比值用公式表達(dá)為： F = ——=一坦=—過 1 - R 門 : 3.激光模式的測量 利用掃描干涉儀可以測定激光器輸出模式的頻率間隔, 精品文檔交流 △ Xf正比于干涉儀的自由光譜區(qū) △,$.& 4X正比于 3 激光器相鄰縱模的頻率間隔△為正比于△vmn,00由實驗測出△入 △應(yīng)的長度, 并可以得到如下表達(dá): m m mn 00AX 11L ,— == —(. ：m —

9、干涉儀和接收器。 3 .打開準(zhǔn)直光源，檢查進(jìn)入和經(jīng)反射后的激光束是否都能通過準(zhǔn)直小孔。 4 .關(guān)閉準(zhǔn)直光源，打開半外腔氨速激光器的電源，調(diào)節(jié)好后，將輸出鏡固定，微調(diào)。 5 .用卷尺測量激光器的腔長，算出激光器的縱模頻率差和1階橫模的頻差，根據(jù)干涉儀的曲率半徑算出 干涉儀的自有光譜范圍，再由給定的反射率計算出精細(xì)常數(shù)F。 6 .將各儀器按照圖5-1-8位置擺放好。 7 .調(diào)整光路使得入射光束和掃描干涉儀的光軸重合。 8 .打開鋸齒波電源和示波器開關(guān)，適當(dāng)調(diào)節(jié)鋸齒波電源前面板上的幅值和頻率按鈕，使鋸齒波有一定的 幅值和頻率。 9 .調(diào)節(jié)干涉儀上的兩個方位螺絲，使譜線盡量強，噪聲盡量

10、小。 10 .調(diào)節(jié)幅值和頻率旋鈕，是波形類似圖5-1-7. 11 .測出^Xf,根據(jù)計算得到自由光譜范圍和所需的x軸增益，測出與自由光譜范圍相對應(yīng)的標(biāo)尺長度， 并計算二者比值，并確定每小格所代表的頻率間隔值。 12 .在同一個干涉序k內(nèi)觀測。根據(jù)縱模定義并對照頻譜特征，確定縱模個數(shù)，測量△入 AXi, 83計算 出縱模頻率間隔，并與理論值比較，判斷觀測是否正確。 13 .根據(jù)橫模的頻譜特征，確定在同一干涉序k內(nèi)有幾個不同的橫模， 并測出不同的橫模頻率間隔 △心m+An,并與理論值比較。 實驗個部件連接方式如下圖所示: 接收器 鋸齒波信號輸入據(jù)齒波 輸出精掃描干涉儀接收

11、器 圖5-1空 實驗裝置一示意圖 原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理及誤差計算： 1 .記錄半外激光器的腔長：L=341.0mm 2 .計算： 精細(xì)常數(shù)F = —R =二 0.99 = 311.0176 1 - R 1 - 0.99 自由光譜范圍△治.R=c/4l=(3E8m/s)/(4*0.020m)=3.75GHz 以下為半外腔激光器的相關(guān)參數(shù)理論值計算: 半外腔激光器的縱模頻差為J = 3 10 m/S = 0.439GHz 2uL 2 0.341m 半外腔激光器的橫模頻差為 △”地注…后二小網(wǎng)1-和 上)門戶0.43成 R2 f / J/2 1 / 0.431m)

12、 一arccos1 - i (n I 1m J 0.1GHz 3.記錄 △ XF=40個單位格 △ X=5個單位格 △ X1=1個單位格 8 =0.75個單位格 以下為半外腔激光器相關(guān)參數(shù)的實測值計算： 計算 △ 0r/AXF=0.09375GHz每格 則 X 一. 縱模頻差q 1 = = 0.46875GHz Xf . V. sr XI 橫模頻差為二-.... .. ■ = =0.09375GHz m n* Xf 三 sr 模的半值寬度 S =8 /AXF*A%.r=0.0703GHz 根據(jù)實驗結(jié)果推算出來的精細(xì)常數(shù)為F=A%.r/ 8 =53.34

13、 4 .兩組結(jié)果的對比分析： 由以上數(shù)據(jù)對比可以看到，縱模頻差和橫模頻差的實測值與計算的理論值比較接近，說明實驗中的 測量方法以及思路能夠正確地反映激光的一些特性參數(shù)。 而根據(jù)測量結(jié)果計算得到的精細(xì)常數(shù)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了理論計算值，估計誤差出在半值寬度的讀取上。 (當(dāng)時示波器上的圖形晃動較厲害，影響了讀數(shù)的精確性) 5 .示波器上所顯示的模譜圖形: 思考題，實驗感想， 疑問與建議： 1 .什么是激光縱模？試估算腔長L=250nm, HeNe激光器發(fā)射的632.3nm的激光最大可能有的縱模數(shù)。 光在諧振腔內(nèi)往返一周的光程差為波長的整數(shù)倍時，激光器內(nèi)的光就可以被

14、多次放大，因而這 里表示整數(shù)倍關(guān)系的參數(shù) q必然都對應(yīng)著對應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場分布汨叫一個縱模。 c 已知縱模頻差公式為 最心苴=——，可以計算出這個激光器內(nèi)發(fā)射出的激光的縱模頻差為△產(chǎn)6E8Hz 2uL 而線寬為1500MHz,可以看出整個線分布內(nèi)能容下兩個頻差寬度，因而最大可能出現(xiàn)三個縱模。 2 .如何判斷實驗光路中各元件是否同軸 判斷是否同軸的前提是以激光光路作為標(biāo)準(zhǔn)軸。這樣 只要將元件放在光路上，如果該元件能夠?qū)⒓す夥瓷? 回激光器內(nèi)， 則說明元件與激光器同軸，繼而可以通 過此方法將各元件都調(diào)整為同軸。 3 .用掃描干涉儀能測量激光譜線的線寬嗎？ 可大致得到譜線

15、寬度，如右圖所示： 譜線中y q-1 , y q+1,在損耗之上，都顯示出來，可以 通過y q-1 , y q+1, y q三點大值位置，大致畫出如途 中所示的曲線，可測出激光譜線寬度。 具體方法與本實驗中計算縱模頻率差的方法類似，量出 兩譜線 (vq-2, y q+2)的間隔為△ X2, 根據(jù)關(guān)系式 乜:Xf 二 s 二 S.R. 可算出譜線寬度^ Y。 4 .實驗感想與體會： 通過本次實驗，我了解了關(guān)于HeNe激光器的工作原理， 激光器的工作特性以及一些特征參數(shù)的相 關(guān)知識。例如縱模、橫模等概念都是第一次接觸，通過實驗了解之后，對將來的應(yīng)用和理解有很 大的幫助。 另外在實驗中發(fā)現(xiàn)掃描干涉儀輸出的信號很不穩(wěn)定，圖形在不停的晃動，不便于正確地讀取數(shù)據(jù)。估 計可能是和光路收到房間內(nèi)的空氣流動以及灰塵干擾有關(guān)，建議在實驗儀器上增加防塵罩，以減少 外部干擾造成的抖動， 增加實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。 原始記錄及圖表粘貼處：（見附頁） 【下載本文檔，可以自由復(fù)制內(nèi)容或自由編輯 修改內(nèi)容，更多精彩文章，期待你的好評和關(guān)注，我將一如既往為您 服務(wù)】