实验三_共焦球面干涉仪与He-Ne激光器的模式分析

页1实验三He-Ne激光器纵模间隔的测量一、实验目的用共焦球面扫描干涉仪观察He-Ne激光器纵模结构并测量其间隔。二、基本原理1.激光纵模的形成激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果用某种激励方式,将介质的某一对能级间形成粒子数反转分布,由于自发辐射和受激辐射的作用,将有一定频率的光波产生,在腔内传播,并被增益介质逐渐增强、放大。被传播的光波决不是单一频率的（通常所谓某一波长的光，不过是光中心波长而已）。因能级有一定宽度，所以粒子在谐振腔内运动受多种因素的影响，实际激光器输出的光谱宽度是自然增宽、碰撞增宽和多普勒增宽迭加而成。不同类型的激光器，工作条件不同，以上诸影响有主次之分。例如低气压、小功率的He-Ne激光器632.8nm谱线，则以多普勒增宽为主，增宽线型基本呈高斯函数分布，宽度约为1500MHz，只有频率落在展宽范围内的光在介质中传播时，光强将获得不同程度的放大。但只有单程放大，还不足以产生激光，还需要有谐振腔对它进行光学反馈，使光在多次往返传播中形成稳定持续的振荡，才有激光输出的可能。而形成持续振荡的条件是，光在谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍，即qqnL2(1)这正是光波相干极大条件，满足此条件的光将获得极大增强，其它则相互抵消。式中，n是折射率，对气体n≈1，L是腔长，q是正整数，每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布λq，叫一个纵模，q称作纵模序数。q是一个很大的数，通常我们不需要知道它的数值。而关心的是有几个不同的q值，即激光器有几个不同的纵模。从式(1)中，我们还可以看出，这也是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，q值反映的恰是驻波波腹的数目。纵模的频率为nLcqvq2(2)同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔LcnLcvq221(3)从式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比。即腔越长，Δν纵越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反腔越短，Δν纵越大，在同样的增宽曲线范围内，纵模个数就越少，因而用缩短腔长的办法是获得单纵模运行激光器的方法之一。以上我们得出纵模具有的特征是：相邻纵模频率间隔相等；对应同一横模的一组纵模，它们强度的顶点构成了多普勒线型的轮廓线。页2νq-2νq-1νqνq+1νq+2图1任何事物都具有两重性，光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强，另一方面也存在着不可避免的多种损耗，使光能减弱。如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面透射损耗和放电毛细管的衍射损耗等。所以不仅要满足谐振条件，还需要增益大于各种损耗的总和，才能形成持续振荡，有激光输出。如图1所示，图中，增益线宽内虽有五个纵模满足谐振条件，但只有三个纵模的增益大于损耗，能有激光输出。对于纵模的观测，由于q值很大，相邻纵模频率差异很小，眼睛不能分辨，必须借用一定的检测仪器才能观测到。2.共焦球面扫描干涉仪图2共焦球面扫描干涉仪是一种分辨率很高的分光仪器，已成为激光技术中一种重要的测量设备。实验中使用它，将彼此频率差异甚小（几十至几百MHz），用眼睛和一般光谱仪器不能分辨的纵模展现成频谱图来进行观测。它在本实验中起着不可替代的重要作用。共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔。由两块球形凹面反射镜构成共焦腔，即两块镜的曲率半径和腔长相等，R1＝R2＝l。反射镜镀有高反射膜。两块镜中的一块是固定不变的，另一块固定在可随外加电压而变化的压电陶瓷上。如图2所示，图中，①为由低膨胀系数制成的间隔圈，用以保持两球形凹面反射镜R1和R2总是处在共焦状态。②为压电陶瓷环，其特性是若在环的内外壁上加一定数值的电压，环的长度将随之发生变化，而且长度的变化量与外加电压页3的幅度成线性关系，这正是扫描干涉仪被用来扫描的基本条件。由于长度的变化量很小，仅为波长数量级，它不足以改变腔的共焦状态。但是当线性关系不好时，会给测量带来一定的误差。扫描干涉仪有两个重要的性能参数，即自由光谱范围和精细常数常要用到，以下分别对它们进行讨论。（1）自由光谱范围图3当一束激光以近光轴方向射入干涉仪后，在共焦腔中经四次反射呈x形路径，光程近似为4l，见图3所示，光在腔内每走一个周期都会有部分光从镜面透射出去。如在A,B两点，形成一束束透射光1，2，3...和1′,2′,3′...，这时我们在压电陶瓷上加一线性电压，当外加电压使腔长变化到某一长度la，正好使相邻两次透射光束的光程差是入射光中模的波长为λa的这条谱线的整数倍时，即aakl4(4)此时模λa将产生相干极大透射，而其它波长的模则相互抵消（k为扫描干涉仪的干涉序数，是一个整数）。同理，外加电压又可使腔长变化到lb，使模λb符合谐振条件，极大透射，而λa等其它模又相互抵消……。因此，透射极大的波长值和腔长值有一一对应关系。只要有一定幅度的电压来改变腔长，就可以使激光器全部不同波长（或频率）的模依次产生相干极大透过，形成扫描。但值得注意的是，若入射光波长范围超过某一限定时，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，造成重序。例如，当腔长变化到可使λb极大时，λa会再次出现极大，有addkkl)1(4(5)即k序中的λd和k＋1序中的λa同时满足极大条件，两种不同的模被同时扫出，迭加在一起，因此扫描干涉仪本身存在一个不重序的波长范围限制。所谓自由光谱范围（S.R.）就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ΔλS.R.或者ΔνS.R.表示。假如上例中ld为刚刚重序的起点，则λd-λa即为此干涉仪的自由光谱范围值。经推导，可得laad42(6)由于λd与λa间相差很小，可共用λ近似表示laRS42..(7)页4用频率表示，即为lcRS4..(8)在模式分析实验中，由于我们不希望出现重序现象，故选用扫描干涉仪时，必须首先知道它的ΔνS.R.和待分析的激光器频率范围Δν，并使ΔνS.R.Δν,才能保证在频谱面上不重序，即腔长和模的波长或频率间是一一对应关系。自由光谱范围还可用腔长的变化量来描述，即腔长变化量为λ/4时所对应的扫描范围。因为光在共焦腔内呈x型，四倍路程的光程差正好等于λ，干涉序数改变1。另外，还可看出，当满足ΔνS.R.Δν条件后，如果外加电压足够大，可使腔长的变化量是λ/4的i倍时，那么将会扫描出i个干涉序，激光器的模将周期性地重复出现在干涉序k，k＋1，...，k＋i中，如图4所示。q-1qq+1q-1qq+1νΔνS.R.图4（2）精细常数精细常数F是用来表征扫描干涉仪分辨本领的参数。它的定义是：自由光谱范围与最小分辨率极限宽度之比，即在自由光谱范围内能分辨的最多的谱线数目。精细常数的理论公式为RRF1(9)R为凹面镜的反射率，从（9）式看，F只与镜片的反射率有关，实际上还与共焦腔的调整精度、镜片加工精度、干涉仪的入射和出射光孔的大小及使用时的准直精度等因素有关。因此精细常数的实际值应由实验来确定，根据精细常数的定义..RSF显然，就是干涉仪所能分辨出的最小波长差，我们用仪器的半宽度代替，实验中就是一个模的半值宽度。从展开的频谱图中我们可以测定出F值的大小。三、主要仪器与耗材1：半外腔带布儒斯特窗He-Ne激光器(632.8nm，1.5mW)2：准直调节用光源：二维可调He-Ne激光器(632.8nm，1mW)3：共焦扫描干涉仪(腔长20.56mm，凹面反射镜反射率0.99，精细常数100，自由光谱范围4GHz)ΔνS.R.页54：高速光电接收器5：锯齿波发生器6：示波器7：He-Ne激光器可调电源8：输出镜9：光学实验导轨10：准直调整用的小孔和各器件支撑架及调整架四、实验内容与步骤1）点燃激光器。2）调整光路，首先使激光束从光阑小孔通过，调整扫描干涉仪上下、左右位置，使光束正入射孔中心，再细调干涉仪板架上的两个方位螺丝，使从干涉仪腔镜反射的最亮的光点回到光阑小孔的中心附近，这时表明入射光束和扫描干涉仪的光轴基本重合。3）将光电放大器的接收部位对准扫描干涉仪的输出端。接通放大器、锯齿波发生器、示波器的开关，观察示波器上的展现的频谱图，进一步细调干涉仪的两个方位螺丝，使谱线尽量强，噪声最小。4）改变锯齿波输出电压的峰值，看示波器上干涉序的数目有何变化，确定示波器上应展示的干涉序个数。根据干涉序个数和频谱的周期性，确定哪些模属于同一k序。5）根据自由光谱范围的定义，确定它所对应的频率间隔（即哪两条谱线间距为ΔνS.R.）为减少测量误差，需要对x轴增幅，数出与ΔνS.R.相对应的格数y，计算出两者比值，即每厘米代表的频率间隔值。6）在同一干涉序k内观测，根据纵模定义对照频谱特征，确定纵模的个数，并数出纵模频率间隔格数x，然后利用下式算出Δν纵。与理论值比较，检查辨认和测量的值是否正确。..)/(RSyx纵五、思考题（略）注意事项：1．扫描干涉仪是压电陶瓷易碎，在实验过程中应轻拿轻放。2．扫描干涉仪的通光孔，在平时不用时应用胶带封好，防止灰尘进入。3．锯齿波发生器不允许空载，必须连接扫描干涉仪后，才能打开电源。