氦氖激光器纵模频率特性研究

文章利用半外腔He-Ne激光器开展了对纵模频率特性的测量，通过改变谐振腔腔长观察纵模的变化，结合测得的光斑可以清晰地认识纵模的物理概念及纵模的特性。

关键词：激光原理；激光模式；纵模间隔；扫描干涉仪

1 概述

激光有单色性、高亮度等特点，已被普遍应用到军事工业、医学、通信等诸多领域。文章通过共焦球面扫描干涉仪测量研究了半外腔He-Ne 激光器的频谱分布，根据不同纵模之间的不同的频率间隔，对纵模等抽象概念有了清晰的认识，为更好地理解纵模的概念提供了依据 [1]。

2 实验原理

激光器中能够出现的纵模数是由下面这几个因素决定：（1）激光器谐振腔长度，腔长越短，纵模间隔越大，同样的谱线宽度内可以容纳的纵模数越少；（2）谱线的荧光光谱线宽，荧光谱线越窄，纵模数可能出现的就越少；（3）只有满足谐振条件，于此同时增益大于损耗的频率，才能产生持续稳定振荡，最终输出激光[2]。

3 实验装置

本实验采用一台半外腔式He-Ne激光器、一台共焦球面扫描干涉仪、光电探测器、激光电源、示波器、小孔光澜，如图1所示。

在实验装置中，谐振腔的长度可以精确地调节，从而可以控制所需的纵模个数。根据谐振腔理论，不同模式具有不同的频谱。因此可以利用频率可调的共焦球面扫描干涉仪测量出各频率的分布范围，以此来判别激光模式。因为共焦球面扫描干涉仪分辨率比较高，调整起来也方便，且易于耦合，我们用它来分析激光纵模模式。共焦球面扫面干涉仪主要利用两个镀有高反膜、曲率半径相同的凹面镜，以此形成一个无源腔，无源腔的一个腔镜上联接一个压电陶瓷环，当锯齿波电压时通过压电陶瓷时，腔长就会呈线性周期性变化，随之干涉仪的本征频率也跟着作周期的线性变化，也就是对通过的激光作周期性的频率扫描，落在扫描周期频率范围内的模式才能通过扫描干涉仪输出，通过光电接收器接收后，在示波器上显示出来[1]-[3]。

4 实验结果

纵模：He-Ne 激光器的荧光光谱线宽大约是1.5GHz，按照式

（2）计算，对于稀薄气体，η约等于1，因此当腔长L=10cm时，刚好会有一个纵模振荡，而且腔长每增加10cm，纵模数就会增加一个。本实验中腔长从开始的 L=32cm增加到L=42cm，测量观测到了两个纵模，通过实验测量其相应的纵模间隔和理论值进行比较，具体数据如下：

当腔长L=32cm时纵模频谱图如图2所示。

实验数据的处理过程，将示波器显示的频谱图进行数据处理。由于频谱图的横坐标是相对值，实际计算时可以用图片中的像素坐标进行比较。首先确定自由光谱区的长度，即从频谱中找出2个纵模序列q序和q+1序中所对应的2个峰值的横坐标差值Δx，然后分别比较2个序列中相邻峰值横坐标的差值，取其平均值为Δxi，则纵模间隔可计算如下：

由上述实验结果和理论值计算值进行比较，可以看出，实验值与理论值基本相符，激光器的腔长和相邻纵模频率间隔成反比。即腔长越短， 越大，能够满足振荡条件的纵模个数越少；相反腔长越长， 越小，在相同的增宽曲线范围内，纵模个数就越多。

5 结束语

文章运用半外腔 He-Ne 激光器对激光模式的频率特性的测量研究。通过实验测量对纵模间隔给出了实验与理论相符的实验数据，从而可以清晰地认识激光器中不同纵模的变化情况。

参考文献

[1]陈钢，魏高尧.He-Ne激光器纵横模频率特性的实验测量[J].实验室研究与探索，2010，6.

[2]何鑫.基于小孔光阑的微晶玻璃氦氖激光器基横模选择的实验研究[J].2011，11.

[3]王与烨.全固态内腔光学参量振荡及内腔倍频技术的研究[J].2008，12.

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