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He-Ne 激光器的模式分析

He-Ne 激光器的模式分析. 主讲：苏作鹏. 河南大学近代物理实验中心. 实验目的. 1 、 观测 He － Ne 激光器的模式，掌握激 光模式分析的方法。 2 、了解共焦球面干涉仪的分光原理。 3 、掌握激光器的出光调节方法。. 工作物质：氖气. 激励方式：直流气体放电. 实验原理. 1. 氦氖激 光器. 高压 直流电源. 电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与 Ne 碰撞，把能量传递给 Ne ，使它在亚稳态 （ 3s 2 、 2s 2 ） 和激发态 （ 3 p 2 、 2 p 4 ） 之间形成反转分布。.  .

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He-Ne 激光器的模式分析

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Presentation Transcript

  1. He-Ne激光器的模式分析 主讲：苏作鹏 河南大学近代物理实验中心

  2. 实验目的 1、观测He－Ne激光器的模式，掌握激 光模式分析的方法。 2、了解共焦球面干涉仪的分光原理。 3、掌握激光器的出光调节方法。

  3. 工作物质：氖气 激励方式：直流气体放电 实验原理 1. 氦氖激光器 高压 直流电源 电子经电场加速后，与 He碰撞。处于激发态的 He与 Ne碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态（3s2、2s2）和激发态（3p2、2p4）之间形成反转分布。

  4.    0 2. 光学谐振腔的选频（激光的模式） 在光学谐振腔的作用下可形成纵模和横模 1）纵模 沿光学谐振腔纵向形成的每一种稳定的 光振动（驻波）称为一个纵模 谱线是有一定的宽度的

  5. k=1 k=2 k=3 L 原因: 光在谐振腔两端来回反射要产生干涉 由驻波条件知往返光程 ( k=1、2、3、…．) n —谐振腔内工作物质的折射率 k—真空中的波长

  6. 可以存在的纵模频率为 相邻两个纵模频率的间隔为 数量级估计： L～ 1 m n ～ 1.0 c = 3108 ms

  7. I I0 而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为  =1.3×109 HZ 在 区间中 可以存在的纵模个数为 通过缩短腔长和控制反射镜膜厚等手段可使输出纵模个数减少

  8. I I I0 例如利用缩短腔长来加大k 可以使 区间中只存在一个纵模频率

  9. 如上述He—Ne激光器 L 从 1m 缩短到 0.1m 则k要增大到10倍 在 区间中可能存在的纵模个数Ｎ仅为1 从而获得了线宽极窄的0.6328 m激光 极大地提高了单色性（但损失了光强） 也可以在腔内插入F─P标准具选频

  10. 基模 高阶横模 中心对称 轴对称分布 某些激光横模的光强分布 旋转对称 旋转对称分布 2）横模 激光光强沿谐振腔横向的每一种稳定的模式 产生横模的主要原因:谐振腔两端反射镜的衍射作用和初始自发辐射的多样性

  11. TEM00 TEM10 TEM20 TEM30 TEM00TEM10 TEM20TEM30 TEM40TEM50 TEM21TEM22 TEM00TEM10 TEM20 TEM01TEM02 TEM03 不同横模的光场强度

  12. 激光谐振腔的模谱 激光谐振腔通常用圆形凹面镜构成，腔内电磁场TEMmnq模的频率为： 式中u为工作物质的折射率，L为腔长，R1 和R2分别为两个反射镜的曲率半径，m和n为横模阶次，q为纵模阶次，mnq均为整数。

  13. 2、激光模的观测——共焦球面扫描干涉仪

  14. 共焦球面干涉仪分光的实质： 通过在压电陶瓷上加周期性随时间作线性变化的电压信号，使其腔长随时间做周期性线性变化，因此可以使激光不同的模依次产生相干极大而通过 。用光电探头将光信号转变成电信号，输入到示波器上可以观测到其频谱图。

  15. 值得注意的是，若入射光的波长范围超过某一限度，外加电压虽可使腔长线性变化，但一个确定的腔长有可能使几个不同波长的模同时产生相干极大，几个不同波长的模被同时扫出，叠加在一起造成重序，不易分辨，因此，扫描干涉仪本身存在一个不重序的波长范围限制，即所谓自由光谱范围，它是指扫描干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差，用频率差表示为：值得注意的是，若入射光的波长范围超过某一限度，外加电压虽可使腔长线性变化，但一个确定的腔长有可能使几个不同波长的模同时产生相干极大，几个不同波长的模被同时扫出，叠加在一起造成重序，不易分辨，因此，扫描干涉仪本身存在一个不重序的波长范围限制，即所谓自由光谱范围，它是指扫描干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差，用频率差表示为： • 自由光谱范围

  16. 干涉仪的带宽δv 干涉仪所能透过的半宽度称为带宽，干涉仪的带宽要比激光器的线宽要大。 Δv SR由腔长d决定，当d一定时，δv越小F越大。即干涉仪所能观测的谱线条数愈多。 • 精细度F

  17. 分辨率 分辨率可由F及Δv表示，即：

  18. 实验装置

  19. 分别用光靶法和准直法调节半内腔式He－Ne激光器谐振腔，使其能够出射激光。分别用光靶法和准直法调节半内腔式He－Ne激光器谐振腔，使其能够出射激光。 • 利用共焦扫描干涉仪分析He-Ne激光器的模式。 实验内容 （激光器腔长L=25cm，R1=∞，R2=1m，共焦球面扫描干涉仪腔长l=20mm）

  20. 步骤要点： • 分别用光靶法和准直法调节半内腔式He－Ne激 光 器谐振腔，使其能够出射激光。 • 按光路图布置光路，将光电接收器及锯齿波电压 • 输出端分别接到示波器的两个输入端，示波器采 • 用双踪显示。 • 3.打开激光器电源，调整光路，使得激光器发出的 • 光通过扫描干涉仪，被光电接收器接收。

  21. 步骤要点： 4. 打开示波器、锯齿波电源，调整示波器可以看 到频谱图，进一步调节干涉仪的方位螺钉，使 谱线最强。 5.调节锯齿波电压观察频谱图的变化，直到在示 波器上能够看到两个干涉序。 6. 在同一个干涉序中分析激光的模，根据纵模、 横模特征，确定纵模、横模的个数，计算相 邻纵模、与理论值进行比较。测量干涉仪的 精细度F及分辨率。

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