He-Ne激光器的模譜與模分裂實驗報告

He-Ne激光器的模譜與模分裂實驗報告摘要：本實驗對利用共焦掃描球面干涉儀在示波器上觀察了長短兩個He-Ne激光器模譜，在模譜上辨認了自由光譜區(qū)，并測量了縱、橫模的頻率間隔，而后觀察了橫模的圖樣。又利用頻率分裂和模競爭實驗激光器測量了增益曲線，觀察了模分裂現(xiàn)象。關(guān)鍵詞：He-Ne激光器、模譜、偏振、模分裂引言激光是20世紀60年代的偉大發(fā)明。它的誕生影響到自然科學(xué)的各個領(lǐng)域。激光是受激輻射光，所以它具備與普通光源不同的性質(zhì)，即極好的方向性、單色性和極高的亮度。激光器由增益介質(zhì)、光學(xué)諧振腔和激勵能源組成。激光諧振腔有本征頻率，每一個頻率對應(yīng)一種光場分布，叫做一種模式。諧振腔的結(jié)構(gòu)不同，它的模式也不同。福克斯和李對平面諧振腔進行了模式計算，博伊德和戈登將他們的計算結(jié)果推廣到共焦腔，此后許多人對非共焦球面腔及其他各類型的光學(xué)諧振腔也分別給出了模式結(jié)構(gòu)的計算公式。本實驗“共焦球面掃描干涉儀”可以用來研究開放式諧振腔的模式結(jié)構(gòu)。激光模分裂指的是由物理效應(yīng)，如雙折射和塞曼效應(yīng)等把激光器的一個頻率分裂成兩個的現(xiàn)象。激光束由受激輻射產(chǎn)生，光束中的光子都具有相同的偏振狀態(tài)，所以大多數(shù)類型的激光器輸出的每一個縱模（頻率）也都是線偏振的，而且相鄰的兩個縱模要么是正交偏振的，要么是平行偏振的。本實驗正式利用激光器輸出光束的偏振特性研究由雙折射效應(yīng)引起的激光頻率分裂。實驗原理激光以及He-Ne激光器如果一個腔體中同時存在著原子體系和光訊號，它們之間的相互作用可以歸結(jié)為三個基本過程，即自發(fā)輻射、受激吸收和受激發(fā)射。對于激光束，同時存在著受激吸收和受激發(fā)射。有激光輸出，要求受激發(fā)射超過受激吸收，必須是高能級的原子數(shù)密度N2大于低能級的原子數(shù)密度N1。我們把出現(xiàn)N2>N1的情況稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。用放電激勵的方法使N2>N1，那么，由于激光器兩端有兩塊互相平行的高反射鏡子，使光訊號在激光器的腔體中不斷來回振蕩，不斷放大，最終就形成強烈的激光束。受激發(fā)射的光子具有相同的能量（頻率）、相同的相位、偏振態(tài)，且從同一方向發(fā)出。He-Ne激光器中氦氣起產(chǎn)生激光的媒介和增加激光輸出功率的作用，氖氣起產(chǎn)生激光的作用。氦原子有兩個亞穩(wěn)態(tài)能級、，它們的壽命分別為和，在氣體放電管中，在電場中加速獲得一定動能的電子與氦原子碰撞，并將氦原子激發(fā)到、，此兩能級壽命長容易積累粒子。因而，在放電管中這兩個能級上的氦原子數(shù)是比較多的。這些氦原子的能量又分別與處于3s和2s態(tài)的氖原子的能量相近。處于、能級的氦原子與基態(tài)氖原子碰撞后，很容易將能量傳遞給氖原子，使它們從基態(tài)躍遷到3s和2s態(tài)，這一過程稱能量共振轉(zhuǎn)移。由于氖原子的2p、3p態(tài)能級壽命較短，這樣氖原子在能級3s－3p、3s－2p、2s－2p間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，從而發(fā)射出3.39um、632.8nm、1.5um三種波長的激光。He-Ne激光器的縱模、橫模及其對應(yīng)的頻率間隔縱模是描述諧振腔內(nèi)軸向光場的分布狀態(tài)，橫模是描述腔內(nèi)橫向光場的分布狀態(tài)。每種光場的分布形式叫做一種模式，記做TEMm,n,q模。m和n是橫模序數(shù)，q是縱模序數(shù)。實驗中所測量的縱、橫模間隔是指縱、橫模序數(shù)不同的本征模式之間的頻率間隔。在腔內(nèi)形成穩(wěn)定駐波場是穩(wěn)定的條件為，是增益介質(zhì)的折射率，q是整數(shù)，L是諧振腔長?？傻?，縱模間隔（1）橫模間隔與反射鏡曲率及腔長有關(guān)，本實驗用的是非共焦腔：(2)圖1為最簡單的幾種橫模的光強分布。通常幾個橫模同時振蕩，觀察到得往往是合成圖樣。圖SEQ圖表\*ARABIC13，腔內(nèi)雙折射效應(yīng)產(chǎn)生激光頻率分裂原前面已經(jīng)提到，波長和激光腔總光長滿足（）。當(dāng)一片雙折射元件放入激光諧振腔中，它對兩正交偏振方向的光有不同的折射率，使其光程不同，原本唯一的諧振腔長“分裂”為兩個腔長，兩個腔長又不同的本征頻率，一個激光頻率變成了兩個。，為光程差。大多數(shù)類型的激光器輸出的每一個縱模都是線偏振的，可以實現(xiàn)縱模分裂。本實驗利用石英晶體雙折射效應(yīng)產(chǎn)生縱模分裂。出光帶寬定義為在激光增益曲線內(nèi)總增益大于總損耗所限定的頻率范圍。4,共焦球面掃描干涉儀圖SEQ圖表\*ARABIC2此干涉儀是由兩個曲率半徑相等，鍍以低損耗、高反射膜的球面反射鏡組成。兩鏡間距離L=R。壓電陶瓷環(huán)帶動其中一面鏡子使腔長L在一定范圍內(nèi)做周期性變化。一束光入射后，有兩組透射光，若相鄰兩束光程差滿足,則產(chǎn)生干涉極大。進而可得,說明的變化與腔長的變化量成正比。當(dāng)時，即，無法分辨和，定義，為干涉儀的自由光譜區(qū)。圖SEQ圖表\*ARABIC2實驗儀器壓電陶瓷電源、氦氖激光通用電源0700786-2、JDW-3型激光電源、放大器信號傳輸電源、掃描干涉儀驅(qū)動電源0501285-5、JX-1激光頻率分裂和模競爭實驗激光器、數(shù)字示波器、光具座、偏振片圖SEQ圖表\*ARABIC3實驗內(nèi)容1，實驗方法讓激光器產(chǎn)生的光入射到干涉儀，使入射光與干涉儀反射光重合，讓輸出光點對準二極管接受面。光經(jīng)放大，接到示波器Y軸，改變腔長的鋸齒電壓同時加在示波器的X軸上。在示波器上可觀察到L的變化，換算為頻率的變化，根據(jù)前面的公式分析激光器的橫、縱模。換為激光頻率分裂和模競爭實驗激光器后，通過調(diào)節(jié)石英晶體的晶軸與光軸的夾角可在示波器上觀察到模分裂現(xiàn)象。2，實驗條件實驗在室溫，強光條件下進行，偶爾有其它實驗室傳來的震動會影響儀器的穩(wěn)定性。實驗步驟⑴判斷示波器上模譜的自由光譜區(qū)。⑵測量短、長兩種激光管的橫縱模間隔。⑶換成激光頻率分裂和模競爭實驗激光器測量出光帶寬。⑷改變石英片晶軸與激光束的夾角，觀察模分裂現(xiàn)象，并用偏振片判斷相鄰兩個頻率的偏振關(guān)系。數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析表一長、短兩種激光管的橫縱模間隔短激光管長激光管管長L（m）0.2420.338R1（m）11R2（m）自由光譜區(qū)給定值（MHZ）18001800測量值（ms）1次2次平均值1次2次3次平均值2.4802.4602.4702.4202.4802.5402.480縱模間隔=1測量值（ms）0.9201次2次平均值0.6200.5800.600測量值（MHZ）理論值（MHZ）誤差（%）5.521.87橫模間隔（公式（2））測量值（ms）無1次2次平均值0.1200.1200.120測量值（MHZ）無理論值（MHZ）無=87.77誤差（%）無0.76觀察兩種激光管的縱模和橫模圖SEQ圖表\*ARABIC圖SEQ圖表\*ARABIC4本實驗中，僅在長激光管的模譜中觀察到了橫模，圖4便是實驗中觀察到的長激光管的模譜，由圖中我們可以明顯的看到分布的周期性，橫模緊密的排列在縱模旁邊，它們的強度較縱模小很多，應(yīng)該是因為衍射損耗了跟多能量，且每兩個相鄰的橫模頻率間隔相等（本實驗中觀察到三條橫模）。圖SEQ圖表\*ARABIC圖SEQ圖表\*ARABIC5結(jié)合實驗室中給出的各種橫模圖樣（如圖5），判斷其為m0n0、m0n1以及m0n2合成的。圖SEQ圖表\*ARABIC6（2）用激光頻率分裂和模競爭實驗激光器做模分裂實驗①測量出光帶寬眼鏡盯住一個頻率，改變加在激光器上的電壓，此頻率將在示波屏上移動，向左和向右移動都會出現(xiàn)此頻率消失。兩個消失點之間的寬度即是出光帶寬。表二出光帶寬的測量表格自由光譜區(qū)=6.600ms（測量值）1800MHZ（給定值）出光帶寬=1.230ms（測量值）②測增益曲線的大致趨勢光通過介質(zhì)后回增益。增益系數(shù)為光通過單位長度增益介質(zhì)后的增長率。增益系數(shù)隨頻率變化的曲線為增益曲線。在示波屏上大致讀出五個點（相對值），得增益曲線如下X軸值00.440.60.781.23Y軸值00.81.161.020圖SEQ圖表\*ARABIC7圖SEQ圖表\*ARABIC圖SEQ圖表\*ARABIC8旋轉(zhuǎn)實驗激光面板“角度讀數(shù)盤”上的旋鈕，改變石英片晶軸與激光束的夾角，在示波器是就可見觀察到模分裂現(xiàn)象了。圖8為實驗中觀察到的圖像。在縱模分裂后，把一可旋轉(zhuǎn)的偏振片置于實驗激光器輸出鏡和掃描干涉儀之間，旋轉(zhuǎn)偏振片，在示波器上觀察到了這樣幾個狀態(tài)，有左邊頻率消失右邊頻率幅度最大、左右兩個頻率幅度相等以及右邊頻率消失左邊頻率幅度最大。如圖9圖SEQ圖表\*ARABIC9從這個現(xiàn)象可以得出相鄰的兩個頻率是正交偏振的。誤差分析儀器本身存在誤差，使一些測量值存在誤差。信號不穩(wěn)定，造成示波器上的圖像不穩(wěn)定，讀數(shù)主觀性強，產(chǎn)生誤差。其他實驗室偶爾有很強烈的震動，會影響儀器的穩(wěn)定性。實驗結(jié)論本實驗測得短激光管的縱模間隔為670.44MHZ，誤差為5.52%；長激光管的縱模間隔為435.48，誤差為1.87%；橫模間隔為87.10，誤差為0.76%。觀察了長激光管的橫模圖樣，