激光諧振腔

1、激光諧振腔摘要：本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)HeNe激光器的調(diào)節(jié)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)激光諧振腔以及相關(guān)知識(shí)的理解，熟悉和掌握激光器調(diào)節(jié)的原理和技巧。關(guān)鍵詞：光模式；諧振腔；HeNe激光器LaserresonatDuoWang(SchoolofScienceBUPT.Beijing100876)Abstract:InthisstudythroughtheregulationoftheHeNelasertoenhancestudentsunderstingofthe

2、laserresonatknowledgemastertheprinciplestechniquesoflaseradjustment.Keywds:LightmodeResonatHeNelaser自1960年激光器問(wèn)世以來(lái)，作為一種新光源，激光器具有光束發(fā)散角小、亮度高、單色性和相干性好的特點(diǎn)。HeNe激光器是一種應(yīng)用很廣的典型激光器件，它是由（1）起放大作用的工作物質(zhì)；（2）具有選頻（或者說(shuō)濾波）和正反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔；（3）激

3、勵(lì)能源等三部分組成。激光模式的研究對(duì)激光器研制和激光應(yīng)用技術(shù)都有很大意義。1實(shí)驗(yàn)原理1.1諧振腔和縱模頻率由兩塊互相平行的平面反射鏡組成的平行平面腔是一種典型的光學(xué)諧振腔。其原理如圖1所示。圖1平行平面腔示意圖平行于軸線傳播的平面波A在兩反射鏡間經(jīng)過(guò)偶數(shù)次發(fā)射后得到光波……，這些光波和疊加在一起，根B、CA據(jù)干涉現(xiàn)象的原理，等只有當(dāng)它們的相位相同是A、B、C才能互相加強(qiáng)，腔內(nèi)才能發(fā)生“諧振”，最后才能形成激光。設(shè)諧振腔長(zhǎng)度為，腔內(nèi)L工作

4、物質(zhì)的折射率為，光波的頻率為，相應(yīng)的真空中波長(zhǎng)為，式中是真0=空中的光速。工作物質(zhì)中的波長(zhǎng)為，=于是可得平行平面腔的諧振條件為（1）=2=02式中N是整數(shù)。上式也可寫作（2）=2在工作物質(zhì)的增益及腔鏡反射率都不隨頻率改變的理想情況下，只考慮諧振腔的正反饋（靠反射鏡實(shí)現(xiàn)）及諧振選頻作用，由（2）式可得到如圖2所示的一些列等間隔的頻譜線，每種諧振頻率的光振蕩成為一種模式。圖2腔的諧振頻率示意圖當(dāng)腔長(zhǎng)分別增加約、、及時(shí)03223可能出現(xiàn)的縱模

5、，即縱模每移過(guò)一個(gè)縱模間隔，相應(yīng)于腔長(zhǎng)改變半波長(zhǎng)。Δ1.3橫模實(shí)際的HeNe激光器諧振腔反射鏡不能采用平面鏡，反射鏡的面積的大小有限，更重要的是，光放大過(guò)程發(fā)生在一根細(xì)而長(zhǎng)的直毛細(xì)管內(nèi)。因此，當(dāng)光束在兩鏡面之間來(lái)回反射時(shí)，不可能是理想的平面波。有限直徑的毛細(xì)管和反射鏡可看作是光波傳播路徑上的一系列光闌，這些光闌的衍射作用進(jìn)一步限制了激光振蕩的空間電磁場(chǎng)分布方式。前面所述的縱模對(duì)應(yīng)于諧振腔中各種縱向的穩(wěn)定光場(chǎng)分布。光仔橫向（與傳播方向z軸

6、垂直的x軸、y軸方向）上的各種穩(wěn)定的分布稱為橫模。用一個(gè)垂直于輸出光束的曲屏觀察可看到不同橫模的光束橫截面上光強(qiáng)的分布圖形，如圖6所示。圖6不同橫模光束橫截面上光強(qiáng)分布示意圖圖中軸對(duì)稱橫模記號(hào)的下標(biāo)m和n均為從0開始的正整數(shù)，叫橫模序數(shù)，分布表示在x和y方向上的光強(qiáng)極小值的數(shù)目。圖中所示的成為基橫模，是00最常用的橫模。對(duì)諧振腔做詳細(xì)的理論分析可以證明，當(dāng)兩反射鏡曲率半徑分別為和時(shí)，對(duì)應(yīng)于橫模序數(shù)、縱模序數(shù)12mn的軸對(duì)稱振蕩模式的腔頻

7、表達(dá)式為q=422（1）（4[（1?1）（1?2）]）式（4）比式（2）更準(zhǔn)確的表達(dá)了腔頻。2.4FP掃描干涉儀FP掃描干涉儀是一種分辨率很高的光譜分析儀器，它是由一對(duì)反射率很高的反射鏡組成，一個(gè)壓電陶瓷在鋸齒波的驅(qū)動(dòng)下調(diào)節(jié)反射鏡之間的距離，以達(dá)到掃描的目的。進(jìn)入鏡腔的光經(jīng)過(guò)多次反射和相干疊加，被一光電二極管接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大，通過(guò)示波器顯示，我們便可以觀察到被測(cè)光的頻譜分布情況。2實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2.1通過(guò)一準(zhǔn)直光源調(diào)整激光管

8、和反射片，使之產(chǎn)生激光。2.2調(diào)整工作電流觀察輸出功率的變化當(dāng)諧振腔腔長(zhǎng)為300mm時(shí)，工作電流與輸出功率記錄如表1所示:工作電流（mA）輸出功率（mW）4.50.7025.00.7675.50.8406.00.9006.50.9247.01.765表1工作電流與輸出功率記錄表2.3改變腔長(zhǎng)，觀察光強(qiáng)分布的變化當(dāng)工作電流為6.5mA，各個(gè)腔長(zhǎng)和與之對(duì)應(yīng)的最大輸出功率如表2所示:腔長(zhǎng)（mm）最大功率（mW）3001.664000.9135