模的耦合及横模纵模观测实验.docx
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模的耦合及横模纵模观测实验
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2支、表座2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,就是基模。
反之出现了分瓣现象的就是高阶模。
基模用
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
表示,
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
旋转对称
图1 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2所示,当激光从左方射向右方时,到达参考平面A上的横模光斑半径分别为
,等相位面曲率半径分别为
。
当
,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1的匹配因子K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、工作物质的增益线宽和激励水平等因素决定的。
腔长L,光波反射加强的条件:
图3谐振腔内的纵模
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4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5所示:
激光以小角度入射,在腔内走X形回路,光程为4L的整数倍,在A、B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:
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
,满足:
4
,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:
对上式微分,得:
两邻近模,
,它们的波长差
和自由光谱范围
分别为:
和
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。
【实验装置图及实验技术】
1.模的耦合和横模观测
需要用到2支He-Ne激光管(1支作激光光发射源,1支仅用其谐振腔)、小孔光阑及显微目镜。
装置连接如图6:
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1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7:
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
(1)按图6确认各装置连接正确。
(2)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。
(3)根据观察绘制出各个模式的图形。
(4)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
(1)按图7确认各装置连接正确。
(2)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。
(3)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】
实验时间:
2005-3-2814:
30—17:
00
实验地点:
十友堂二楼光电实验室
室内温度:
23.9℃
1.模的耦合及横模观察
各种观察到的模式绘于图8:
图8 目镜中观察到的6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
变为
,再由
变为
,然后由
变为
,接着由
变为
,再由
变为
最后再由
变为
开始下一轮的循环。
2.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:
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:
得出:
由多普勒宽度计数公式:
其中,
,T=296.9K
得出:
纵模个数:
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。
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
,或者说参考平面两边基模参数完全相同,使得条件
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A上的横模光斑半径分别为
,等相位面曲率半径分别为
。
当
,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
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。
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- 关 键 词:
- 耦合 横模纵模 观测 实验