.實驗一 利用共焦掃描干涉儀分析激光器的模式

1、.實驗一 利用共焦掃描干涉儀分析激光器的模式一、實驗目的1.了解穩(wěn)定球面腔激光器的模式結構；2.掌握利用共焦掃描干涉儀分析激光器輸出模式的方法。二、實驗原理1.激光模式的一般分析由光學諧振腔理論可以知道，穩(wěn)定腔的輸出頻率特性為： cos-1(1)(1)1/2 (1)其中：L諧振腔長度； R1、R2兩球面反射鏡的曲率半徑；q縱橫序數(shù)；m、n橫模序數(shù)；腔內介質的折射率。橫模不同（m、n不同），對應不同的橫向光場分布（垂直于光軸方向），即有不同的光斑花樣。正因為如此，人們常用目測方法判斷激光器的橫模結構，這對于簡單且規(guī)范的橫?；虞^方便，但對于復雜的橫模，目測則很困難。精確的方法是借助于儀器測量，本

2、實驗就是利用共焦掃描干涉儀來分析激光器輸出的橫模結構。由（1）式看出，對于同一縱模序數(shù)，不同橫模之間的頻差為： cos-1（1）(1)1/2 （2）其中：m=mm； n=nn對于相同的橫模，不同縱模間的頻差為 其中：q=qq，相鄰兩縱模的頻差為 （3）由（2）、（3）式看出，穩(wěn)定球面腔有如圖11的頻譜。 （2）式除以（3）式得 -1(1)(1)1/2 （4）設： ； S=cos-1(11/2表示不同的兩橫模（比如00與10）之間的頻差與相鄰兩縱模之間的頻差之比，于是（4）式可簡寫作： （5）只要我們能測出，并通過產(chǎn)品說明書了解到L、R1、R2（這些數(shù)據(jù)生產(chǎn)廠家常給出），那么就可以由（5）式求出

3、（m+n）。如果我們選取m=n=0作為基準，那么便可以判斷出橫模序數(shù)m、n。 例如，我們通過測量和計算求得（m+n）=2，那么，激光器可能工作于00、10、01、11、20、02。2.共焦球面掃描干涉儀的基本工作原理共焦球面掃描干涉儀由兩塊鍍有高反射率的凹面鏡構成，如圖12。反射鏡的曲率半徑R1=R2=L。圖 1-2由于反射鏡的反射率相當高，注入腔內的光束將在腔內多次反射形成多光束，從多光束干涉的角度來看，入射光束中那些滿足干涉相長條件的光譜成分才能透過干涉儀。當光束正入射時，干涉相長的條件為： （6）其中為折射率；L為腔長；m為一正整數(shù)。這種干涉儀通常R1固定，而R2裝在一塊管狀壓電陶瓷上。

4、如果在壓電陶瓷y方向上加一周期性的信號電壓，那么R2將隨壓電陶瓷周期變形并沿軸向在中心位置附近做微小振動，因而干涉儀的腔長L也做微小的周期變化。從（6）式看出，當L變化時，干涉儀允許透射的光波波長也做周期的變化。因此，干涉儀便對入射光的波長進行掃描。當L改變/4，則干涉儀改變一個干涉級，我們定義相鄰兩個干涉級之間所允許透射光的頻差為干涉儀的自由光譜范圍： (7)只要注入光束的頻譜寬度不大于F，那么在干涉儀掃描過程中便能逐次透過，若在干涉儀的后方使用光電轉換元件接收透射的光強，再將這種光轉換為電信號輸入到示波器中，于是在示波器的熒光屏上便顯示出如圖11那樣的激光頻譜。將該譜圖拍照下來，在讀數(shù)顯微

5、鏡下讀取相應的值，再求出待測激光器的S值，代入（5）式，即可求出（m+n），進而斷定橫模序數(shù)。三、實驗裝置實驗裝置如下圖7將He-Ne激光器和掃描干涉儀裝架在一根導軌上，實驗中的掃描干涉儀和硅光電池已裝在一起。本實驗用讀數(shù)顯微鏡讀取數(shù)據(jù)。四、實驗步驟1.用卡尺測量He-Ne激光器的腔長L，了解諧振腔反射鏡的曲率半徑R1和R2。2.開啟示波器，使用雙線狀態(tài)工作。3.開啟信號發(fā)生器，調整有關旋鈕，使其輸出鋸齒波信號，時間間隔1080mS，電壓50100V。把此信號直接加到掃描干涉儀的壓電陶瓷上；從信號發(fā)生器有衰減的輸出端引出信號并接至示波器的y2上。（注意：此操作前務必將示波y2的輸入幅度鈕撥到2

6、0V/cm檔，以免損壞儀器。）4.點燃被測HeNe激光器，調整激光束與掃描干涉儀共軸。將硅光電池盒從干涉儀上拿下，在干涉儀的后面放一白紙屏，在屏上可以看見一閃動的紅光點，閃動頻率與輸入信號頻率相同。5.旋上硅光電池盒，把接收到的信號輸送到示波器的y1，改變y2的衰減，使在熒光屏上的波形適中，為使波形穩(wěn)定，使示波器工作在y2觸發(fā)狀態(tài)。6.待測激光器輸出穩(wěn)定后，用示波器照相機拍下頻譜波形，（為取平均測試數(shù)據(jù)，拍攝5張照片）。如采用記憶示波器可將波形存儲下來。7.處理照相膠卷或將記憶示波器上的波形打印出來。8.用讀數(shù)顯微鏡測量相鄰縱橫之間的距離和以00為基準的某一橫模間距，求出，并把測試數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)

7、表格。次數(shù)位置（mm）mnq位置（mm）mnq+1q平均值00qmnq00q+1mnq+1S(m+n)輸出模式9.計算出S值，連同的平均值代入（6）式，求出（m+n），判斷激光的橫模序數(shù)。五、思考與習題1.如果提高加在壓電陶瓷上的鋸齒波電壓的幅度，示波器熒光屏上會出現(xiàn)二組或三組形狀相同的脈沖信號，這是為什么？是否是激光輸出的模式增加了？2.為什么用掃描干涉儀就可以在示波器的熒光屏上顯示待測激光器輸出頻譜結構？3.在剛剛點燃激光器時，示波器上顯示的激光器的輸出頻譜一直在漂移，經(jīng)過一段時間又趨于穩(wěn)定，這是為什么？4.分析所測值的誤差來源。5.僅僅為了測試激光器的橫模序數(shù)和僅僅為了觀察激光器全部輸出模式結構，選用掃描干涉儀的自由光譜范圍有什么不同？為什么？附錄：