普通物理實驗C課程論文題目氦氖激光器模式分析實驗學院物理科學與技術學院專業物理學（師范類）年級2011級 學號 姓名指導教師論文成績_____________________答辯成績_____________________2012年12月07日氦氖激光器模式分析實驗研究HeliumneonlasermodelanalysisExperimentalStudy趙子龍2011級物理學院摘要：首先闡述了氦氖激光器漠視分析實驗的實驗原理，其次介紹了氦氖激光器模式分析實驗儀器，說明氦氖激光器在物理學中的應用。Abstract:FirstelaboratedtheHe-Nelaserindifferenceanalysisexperimentprinciple,followedbytheintroductionoftheHe-Nelasermodeanalysisoftheexperimentalapparatus,descriptionofHe-Nelaserintheapplicationofphysics.關鍵詞：氦氖激光器，橫模，縱模，自由光譜范圍，精細常數。Keyword:Heliumneonlaser,transverse,longitudinalmode,freespectralrange,fineconstant.引言：該實驗主要目的是了解激光器模式分析的實驗原理以及方法，要掌握激光器模式分析的一般方法。1問題的提出：關于激光器的運用很廣泛，因此要對激光器的原理及應用有所了解，這就是要進行激光器模式分析實驗的原因。在激光器的生產與應用中，我們常常需要先知道激光器的模式狀況，如精密測量、全息技術等工作需要基橫模輸出的激光器，而激光器穩頻和激光測距等不僅要基橫模而且要求單縱模運行的激光器。因此進行模式分析是激光器的一項基本又重要的性能測試。2實驗的理論基礎2、1實驗原理2、1、1激光器模的形成激光器由三個部分組成：增益介質、諧振腔、激勵能源。如果以某種激勵方式將介質的某一能級間形成粒子數反轉分布，由于自發輻射和受激輻射的作用，將有一定頻率的光波產生，在腔內傳播，并被增益介質逐漸增強、放大。被傳播的光波不是單一頻率的。只有頻率落在展寬范圍內的光在介質中傳播時，光強將獲得不同程度的放大。但只有單程放大還不足以產生激光，還需要有諧振腔對其光學反饋，使光在多次往返傳播中形成穩定、持續的振蕩，才有激光輸出的可能。而形成持續振蕩的條件是，光在諧振腔內往返一周的光程差是波長的整數倍，即2μL=qλq式中μ是折射率，對氣體μ≈1；L是腔長；q是正整數。每一個q對應縱向一種穩定的電磁場分布λq,q叫做縱模序數。這就是光波相干極大條件，只有滿足此條件的光才會被極大增強，其他的則相互抵消。2、1、2橫模和縱模我們可以看出腔內的縱模是以駐波的形式存在的，q值反映的是駐波腹的數目，縱模的頻率為Vq=qc/2μL相鄰兩個縱模的頻率間隔為ΔVΔq=1=c/2μL≈c/2L從此式可以看出相鄰的縱模頻率間隔和激光器的腔長成反比。因而縮短腔長可以獲得單縱模運行激光器。圖一：縱模和縱模間隔Longitudinalmodeandlongitudinalmodespacing諧振腔對光多次反饋,在縱向形成不同的場分布,那么對于橫向也會產生影響。光每經過放電毛細管反饋一次,就相當于一次衍射,多次反復衍射,就在橫向的同一波腹處形成一個或者多個穩定的衍射分布,稱為一個橫模,我們見到的復雜的光斑則是這些基本光斑的疊加。由此，任意一個模，既是縱模，也是橫模。我們用來表示。q是縱模標記，m和n是橫模標記。不同橫模也是對應不同的頻率.橫模序數越大,頻率越高.經推導得，不同橫模間的頻率差其中,,分別表示,方向上橫模模序差,,為諧振腔的兩個反射鏡的曲率半徑,由上述兩式可知相鄰的橫模頻率間隔和相鄰的縱模頻率間隔的關系：我們可以看到橫模間隔和縱模間隔的比值是一個分數。其大小由激光器的腔長和曲率半徑決定。腔長與曲率半徑的比值越大,分數值越大.當腔長等于曲率半徑時(,即共焦腔),分數值達到極大,即橫模間隔是縱模間隔的1/2,橫模序數相差為2的譜線頻率正好與縱模序數相差為1的譜線頻率兼并。圖二：幾種常見的橫模光斑圖Severalcommontransversespotdiagram關于橫模間隔和縱模間隔的測量可以通過頻譜圖來計算。也就是說模式分析就是要測量和分析出激光器所具有的縱模個數、縱模頻率間隔、橫模個數、橫模頻率間隔、每個模的m和n的階數及對應的光斑圖形。2、2共焦球面掃描干涉儀共焦球面掃描干涉儀是一個無源諧振腔，由兩塊球形凹面反射鏡構成共焦腔，即兩塊鏡的曲率半徑和腔長相等，R1=R2=l.反射鏡鍍有高反射膜，兩塊鏡中的一塊是固定不變的，另一塊固定在可隨外加電壓而變化的壓電陶瓷環上。圖三：掃描干涉儀內部結構示意圖Scanninginterferometerinternalstructurediagram2、2、1自由光譜范圍自由光譜范圍就是指掃描干涉儀所能掃出的不重序的最大波長差或者頻率差。經推們導得出，當與間相差很小時,可共用近似表示用頻率表示,即為實驗中我們不希望出現重序現象，因此選用掃描干涉儀時，要先知道它的和待分析的激光器頻率范圍,并使,才能保證在頻譜圖上不重序,腔長與模的波長或頻率間是一一對應關系。2、2、1精細常數精細常數指自由光譜范圍與最小分辨極限之比,即在自由光譜范圍內能分辨得最多的譜線數目。為凹面鏡的反射率，從上式可以看出,只與鏡片的反射率有關,實際上還與共焦腔地調整精度,鏡片加工精度,干涉儀的入射和出射光孔的大小及使用時的準直精度等因素有關.因此精細常數的實際值應由實驗來確定.根據精細常數的定義有（12）顯然,應是干涉儀能分辨出的最小波長差,我們用儀器的半寬度代替,實驗中就是一個模的半值寬度,從展開的頻譜圖中我們可以測定出值的大小。3、實驗研究3、1實驗儀器介紹1、氦氖激光器模式分析試驗儀2、共焦球面掃描干涉儀3、實驗裝置連接示意圖3、2實驗操作3、2、1實驗步驟1、按照實驗裝置圖連接好線路，檢查線路完好，連接正確，打開電源，點燃激光器。2、調整光路，使激光束從光闌小孔通過，調整掃描干涉儀上下、左右位置，使光束正入入射孔中心，再細調干涉儀板架上的兩個方位螺絲，以使從干涉儀腔鏡反射的最亮的光點回到光闌小孔的中心附近。3、將放大器的接收部位對準掃描干涉儀的輸出端.接通放大器、鋸齒波發生器、示波器的電源開關.4、調節示波器，能看到波峰圖，再進一步調節鋸齒波發生器的頻率使示波器上可以大致觀察到如下圖形。5、啟動軟件，點擊開始工作，采集數據。6、記錄數據。3、3、2實驗數據記錄表序號Txy10、46493、14453、264220、46523、16352、484530、46633、25143、644140、46663、27171、091650、47303、76873、345260、47333、78952、816170、47433、86973、552480、47463、88751、07873、3、3實驗數據處理與分析半外激光器的腔長：L=246.△νS.R對應的時間間隔為=0.00804=0.67理論值為c/2