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1、 1 模的耦合及横模、纵模观测 实验人：林晔顺 023012037 合作人：林宗祥 组号：A8【实验目的】1.对气体激光器的性质进一步了解。2.掌握应用气体激光器的调节方法。3.了解共振模的耦合和匹配概念。4.仔细调节模耦合装置，观察横模和模的耦合现象。5.纵模的观测。【实验仪器】He-Ne激光管支、表座个、WSS夫焦球面扫描干涉仪、激光电源、JPM-1激光光谱扫描分析仪【实验基本原理】1横模的概念 横摸是描述激光光斑上的能量分布情况，是指激光束横截面上的光强分布。光场在横向不同的稳定分布，通常称为不同的横模：基模和高阶模。基模和高阶模的区别在于光斑形状，光斑没有出现分瓣的，分布均匀的，就是基
2、模。反之出现了分瓣现象的就是高阶模。基模用00TEM表示，它具有最小的衍射损失，其辐射照度分布在垂直于光轴的任何截面都具有高斯形状。高阶模用mnTEM表示，mn和表示横模序数，即在光轴垂直的任一平面内，光强分布在 x,y 方向的极小值数目。轴对称 00TEM 10TEM 12TEM 11TEM 旋转对称 00TEM 03TEM 10TEM 2 图 激光的各种横模图形 2共振模的耦合和匹配的理论概述 激光器谐振腔产生的基模注入到另一个谐振腔或光学传输线中去，它会产生基模以处的其他模式。若能选择适当的匹配参数，可以使基模得到很大的耦合系数。如图所示，当激光从左方射向右方时，到达参考平面上的横模光斑
3、半径分别为和，等相位面曲率半径分别为RR和。当,RR，或者说参考平面两边基模参数完全相同时，基模间达到完全匹配。左方入射基模的能量完全转换为右边基模的能量。在其它非完全匹配的情况下，左方基模的能量将转换为右面方多种不同模场的能量，而其中转换为右方基模的能量比率由小于的匹配因子来表征。图 2 3激光的纵模概念及纵模间隔 激光器谐振腔内获得振荡的不同波长成分具有不同的波形，沿腔的轴线方向（纵向）形成驻波，驻波的波节数由 q 决定。通常将由整数 q 所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模。不同的 q值相应于不同的纵模。纵模是与激光腔长度相关的，是描述激光频率的。激光器的振荡纵模数目由腔长、工作物质的增益
4、线宽和激励水平等因素决定的。腔长，光波反射加强的条件：图 3 谐振腔内的纵模 122.nLkkik为纵模个数。由于产生激光的某一单色光谱线的固有宽度和多普勒展宽，及激光的发出的 3 光波长的限制,能获得干涉加强的模数，还是有限几个。4 共焦球面扫描干涉仪 共焦球面扫描干涉仪是一个激光谐振腔，结构如图所示：图 4 扫描干涉仪结构示意图 1 为低膨胀系数材料制成的间隔圈，保证 R1 和 R2 两透镜的焦点重合，2为电源陶瓷，在压电陶瓷外壁上加上一定幅度的电压，压电陶瓷的长度就会发生变化，长度的变化量与电压成正比，其值在光波波长的量级，不会影响共焦腔的状态。如图所示：激光以小角度入射,在腔内走 X形
5、回路,光程为 4L 的整数倍，在、两处光可透出，因此形成两束光。如果相邻两束光光程差为波长的整数倍，则透射光束相干叠加时输出光强为极大值。即满足：4Lk当入射光束的波长变为，这 图 5 共焦球面干涉仪光路图 时只要改变扫描干涉仪的电压，使腔长变为L，满足：4Lk，透射光束也能出现干涉极大值。腔长与透射极大值的波长之间有线性关系，由于腔长与光波长比很大，所以有无限个不同波长的光波符合加强反射的条件，即：11224.Lkk对上式微分，得：()kk 两邻近模，1k，4 它们的波长差和自由光谱范围SRv分别为：22nL 和 2CvnL 在一定范转内调节扫描电压，观察干涉极大值的个数，即可得到纵模的个数
6、。【实验装置图及实验技术】1 模的耦合和横模观测 需要用到支 He-Ne激光管（支作激光光发射源，支仅用其谐振腔）、小孔光阑及显微目镜。装置连接如图：图 6 横模观测装置图 左边激光器发出各种模式的光束通过小孔光阑进入右边谐振腔，在显微目镜中观察可以看到激光光斑不断变化，有时还可能闪出旋转对称的高次模。这种变化是周而复始的，而变化的快慢则与激光源的温度和所受外界的扰动有关。2 纵模及纵模间隔观测 需用到支 He-Ne激光管、WSS共焦球面扫描干涉仪、JPM-1激光光谱扫描分析仪及激光电源。装置连接如图：5 图 7 纵模观测装置图 激光的模式可通过光电探头在示波器上直接观察到。根据需要可以改变锯
7、齿波的电压及周期，加大扫描电压周期能使激光模式周期性出现，此时即可观察到激光纵模个数。【实验步骤】1.模的耦合及横模观察（）按图确认各装置连接正确。（）调节各元件共轴，首先目测，使各元件大致在一条直线上，利用小孔光阑调整光轴，使右边谐振腔的毛细管与光轴重合，从其后通过目镜观察模式图形，并记录下来。（）根据观察绘制出各个模式的图形。（）对左边激光管扇风使其轻微振动，观察各种迅速变化的模式。2.纵模及纵模间隔观察（）按图确认各装置连接正确。（）调节激光器及共焦球面扫描干涉仪，能在示波器上观察到激光的输出模式的电信号。（）改变扫描电压的强度和周期，观察周期性的信号，数出纵模个数。【实验记录及结果分析
8、】实验时间：2005-3-28 14：3017：00 实验地点：十友堂二楼光电实验室 室内温度：23.9 6 模的耦合及横模观察 各种观察到的模式绘于图：图 目镜中观察到的种横模模式 观察时，模式从 1 到 6 连续缓慢变化，红色的条纹清晰，模式可辨，横模的分布呈周期性变化即：先是由00TEM变为01TEM，再由01TEM变为02TEM，然后由02TEM变为03TEM，接着由03TEM变为04TEM，再由04TEM变为05TEM最后再由05TEM变为00TEM开始下一轮的循环。纵模及纵模间隔观察 实验结果如下图所示：调节 JPM-1激光光谱扫描分析仪 根据示波器上观察到的波形绘制图9：图 9
9、示波器上观测到的图象 在观测激光纵模的时候，由于激光器的漂移现象，使到观测到的图象不是很稳定，出现的峰值的大小浮动变化较大，原来的观测的时只能看到两个较明显的波峰，一段时间之后，有一个“毛刺”的锋值越来越大，更波峰的值差不多，在一个较长的时间后维持不变，故判断其为第三个波峰。且出现了两个周期的波形，模式重复出现，说明没有纵模图样被丢失，从而准确确定出纵模个数为 3。理论解释与计算：7 因为电压是以锯齿波的形式输出的，在一个周期内，电压逐渐上升。在电压上升的过程中，压电陶瓷的长度也会逐渐变化，这样激光在谐振腔内的光程也会相应改变，当相邻两束光的光程差是波长的整数倍，透射光束相干叠加，输出光强为极
10、大值。此时，示波器上将显示一个纵模。逐渐加大电压，当相同的纵模在示波器上重复出现时，说明已过了一个周期，此时示波器上不同的纵模的个数即为激光器纵模的个数，理论计算如下：由：2Cn L 得出：0.6 2 GHz 由多普勒宽度计数公式：1200222(ln2)kTmc 其中，06328。，T=296.9K 得出：01.7 3 G Hz 纵模个数：01.7 32.7 90.6 2 取 整 数 得 纵 模 的 个 数 为3 个 【实验思考与分析】1.简述 He-Ne 激光器的基本发光原理。答：He-Ne激光器属于气体激光器。工作物质为 He 和 Ne，在氦氖混合气体中，产生受激辐射的是氖原子，氦原子只
11、起传递能量的作用。激光器应用直流电压源进行气体放电，两端放电管的电压增压时可加速电子，使电子带有一定能量，在工作物质中运动的电子与粒子碰撞时将自身的能量转移给 He原子，使其由基态 1s 跃迁到 2s 激发态。处于 2s 态上的 He 原子与处于激发态 2s 和 3s 的 Ne 原子碰撞，能量从 He 原子转移到 Ne 原子。由于具有较长寿命的暂稳态 2s 和 3s 的存在，在 Ne 原子跃迁回基态过程中，实现了粒子数反转，辐射跃迁发生在 Ne 原子的各能级之间，产生激光。8 2.满足什么条件才能实现基模间的完全匹配。答：基模耦合系数的模为 1，即*00001C C，或者说参考平面两边基模参数
12、完全相同，使得条件*()()1mmUx Ux dx满足，这种情况即为基模间的完全匹配。在右图中，当激光从左方射向右方时，到达参考平面上的横模光斑半径分别为和，等相位面曲率半径分别为RR和。当,RR，或者说参考平面两边基模参数完全相同时，基模间达到完全匹配。左方入射基模的能量完全转换为右边基模的能量。当然完全匹配只是一个理想状态，实验中总有能量损失，右边基模能量比左边入射基模的能量小。3.为什么管 A 发出的00TEM激光束经过管 B 后变成了其它模式？为什么观察到的模式又会不断变化？答：由于放电管发热，使管壳测试不断上升，腔长也会随之变长，这样就会导致激光输出频率的变化。同时，由于跳模现象的存在，激光输出激光的频率事实上是在一定范围内循环变化的。在某一温度下，当输出激光的频率与激光管的任何频谱都不匹配时，光束不能通过激光管，当激光的频率与激光管的某一频率相匹配时，就会在激光管内激起相应的 TEM 波，因此在目镜中就会看到相应的光斑。