氦氖激光器縱模頻率特性研究

寧靜　楊竹苗　黨晨　劉楊　李武軍

摘 要：文章利用半外腔He-Ne激光器開展了對(duì)縱模頻率特性的測(cè)量，通過改變諧振腔腔長(zhǎng)觀察縱模的變化，結(jié)合測(cè)得的光斑可以清晰地認(rèn)識(shí)縱模的物理概念及縱模的特性。

關(guān)鍵詞：激光原理；激光模式；縱模間隔；掃描干涉儀

1 概述

激光有單色性、高亮度等特點(diǎn)，已被普遍應(yīng)用到軍事工業(yè)、醫(yī)學(xué)、通信等諸多領(lǐng)域。文章通過共焦球面掃描干涉儀測(cè)量研究了半外腔He-Ne 激光器的頻譜分布，根據(jù)不同縱模之間的不同的頻率間隔，對(duì)縱模等抽象概念有了清晰的認(rèn)識(shí)，為更好地理解縱模的概念提供了依據(jù) [1]。

2 實(shí)驗(yàn)原理

激光器中能夠出現(xiàn)的縱模數(shù)是由下面這幾個(gè)因素決定：（1）激光器諧振腔長(zhǎng)度，腔長(zhǎng)越短，縱模間隔越大，同樣的譜線寬度內(nèi)可以容納的縱模數(shù)越少；（2）譜線的熒光光譜線寬，熒光譜線越窄，縱模數(shù)可能出現(xiàn)的就越少；（3）只有滿足諧振條件，于此同時(shí)增益大于損耗的頻率，才能產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定振蕩，最終輸出激光[2]。

3 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用一臺(tái)半外腔式He-Ne激光器、一臺(tái)共焦球面掃描干涉儀、光電探測(cè)器、激光電源、示波器、小孔光瀾，如圖1所示。

在實(shí)驗(yàn)裝置中，諧振腔的長(zhǎng)度可以精確地調(diào)節(jié)，從而可以控制所需的縱模個(gè)數(shù)。根據(jù)諧振腔理論，不同模式具有不同的頻譜。因此可以利用頻率可調(diào)的共焦球面掃描干涉儀測(cè)量出各頻率的分布范圍，以此來判別激光模式。因?yàn)楣步骨蛎鎾呙韪缮鎯x分辨率比較高，調(diào)整起來也方便，且易于耦合，我們用它來分析激光縱模模式。共焦球面掃面干涉儀主要利用兩個(gè)鍍有高反膜、曲率半徑相同的凹面鏡，以此形成一個(gè)無源腔，無源腔的一個(gè)腔鏡上聯(lián)接一個(gè)壓電陶瓷環(huán)，當(dāng)鋸齒波電壓時(shí)通過壓電陶瓷時(shí)，腔長(zhǎng)就會(huì)呈線性周期性變化，隨之干涉儀的本征頻率也跟著作周期的線性變化，也就是對(duì)通過的激光作周期性的頻率掃描，落在掃描周期頻率范圍內(nèi)的模式才能通過掃描干涉儀輸出，通過光電接收器接收后，在示波器上顯示出來[1]-[3]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

縱模：He-Ne 激光器的熒光光譜線寬大約是1.5GHz，按照式

（2）計(jì)算，對(duì)于稀薄氣體，η約等于1，因此當(dāng)腔長(zhǎng)L=10cm時(shí)，剛好會(huì)有一個(gè)縱模振蕩，而且腔長(zhǎng)每增加10cm，縱模數(shù)就會(huì)增加一個(gè)。本實(shí)驗(yàn)中腔長(zhǎng)從開始的 L=32cm增加到L=42cm，測(cè)量觀測(cè)到了兩個(gè)縱模，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量其相應(yīng)的縱模間隔和理論值進(jìn)行比較，具體數(shù)據(jù)如下：

當(dāng)腔長(zhǎng)L=32cm時(shí)縱模頻譜圖如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理過程，將示波器顯示的頻譜圖進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于頻譜圖的橫坐標(biāo)是相對(duì)值，實(shí)際計(jì)算時(shí)可以用圖片中的像素坐標(biāo)進(jìn)行比較。首先確定自由光譜區(qū)的長(zhǎng)度，即從頻譜中找出2個(gè)縱模序列q序和q+1序中所對(duì)應(yīng)的2個(gè)峰值的橫坐標(biāo)差值Δx，然后分別比較2個(gè)序列中相鄰峰值橫坐標(biāo)的差值，取其平均值為Δxi，則縱模間隔可計(jì)算如下：

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論值計(jì)算值進(jìn)行比較，可以看出，實(shí)驗(yàn)值與理論值基本相符，激光器的腔長(zhǎng)和相鄰縱模頻率間隔成反比。即腔長(zhǎng)越短， 越大，能夠滿足振蕩條件的縱模個(gè)數(shù)越少；相反腔長(zhǎng)越長(zhǎng)， 越小，在相同的增寬曲線范圍內(nèi)，縱模個(gè)數(shù)就越多。

5 結(jié)束語

文章運(yùn)用半外腔 He-Ne 激光器對(duì)激光模式的頻率特性的測(cè)量研究。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)縱模間隔給出了實(shí)驗(yàn)與理論相符的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而可以清晰地認(rèn)識(shí)激光器中不同縱模的變化情況。

參考文獻(xiàn)

[1]陳鋼，魏高堯.He-Ne激光器縱橫模頻率特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，6.

[2]何鑫.基于小孔光闌的微晶玻璃氦氖激光器基橫模選擇的實(shí)驗(yàn)研究[J].2011，11.

[3]王與燁.全固態(tài)內(nèi)腔光學(xué)參量振蕩及內(nèi)腔倍頻技術(shù)的研究[J].2008，12.