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激光器開展了對縱模頻率特性的測量，通過改變諧振腔腔長觀察縱模的變化，結合測得的光斑可以清晰地認識縱模的物理概念及縱模的特性。

關鍵詞：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，已被普遍應用到軍事工業、醫學、通信等諸多領域。文章通過共焦球面掃描干涉儀測量研究了半外腔He-Ne 激光器的頻譜分布，根據不同縱模之間的不同的頻率間隔，對縱模等抽象概念有了清晰的認識，為更好地理解縱模的概念提供了依據 [1]。

2 實驗原理

激光器中能夠出現的縱模數是由下面這幾個因素決定：（1）激光器諧振腔長度，腔長越短，縱模間隔越大，同樣的譜線寬度內可以容納的縱模數越少；（2）譜線的熒光光譜線寬，熒光譜線越窄，縱模數可能出現的就越少；（3）只有滿足諧振條件，于此同時增益大于損耗的頻率，才能產生持續穩定振蕩，最終輸出激光[2]。

3 實驗裝置

本實驗采用一臺半外腔式He-Ne激光器、一臺共焦球面掃描干涉儀、光電探測器、激光電源、示波器、小孔光瀾，如圖1所示。

在實驗裝置中，諧振腔的長度可以精確地調節，從而可以控制所需的縱模個數。根據諧振腔理論，不同模式具有不同的頻譜。因此可以利用頻率可調的共焦球面掃描干涉儀測量出各頻率的分布范圍，以此來判別激光模式。因為共焦球面掃描干涉儀分辨率比較高，調整起來也方便，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鍍有高反膜、曲率半徑相同的凹面鏡，以此形成一個無源腔，無源腔的一個腔鏡上聯接一個壓電陶瓷環，當鋸齒波電壓時通過壓電陶瓷時，腔長就會呈線性周期性變化，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 實驗結果

縱模：He-Ne 激光器的熒光光譜線寬大約是1.5GHz，按照式

（2）計算，對于稀薄氣體，η約等于1，因此當腔長L=10cm時，剛好會有一個縱模振蕩，而且腔長每增加10cm，縱模數就會增加一個。本實驗中腔長從開始的 L=32cm增加到L=42cm，測量觀測到了兩個縱模，通過實驗測量其相應的縱模間隔和理論值進行比較，具體數據如下：

當腔長L=32cm時縱模頻譜圖如圖2所示。

實驗數據的處理過程，將示波器顯示的頻譜圖進行數據處理。由于頻譜圖的橫坐標是相對值，實際計算時可以用圖片中的像素坐標進行比較。首先確定自由光譜區的長度，即從頻譜中找出2個縱模序列q序和q+1序中所對應的2個峰值的橫坐標差值Δx，然后分別比較2個序列中相鄰峰值橫坐標的差值，取其平均值為Δxi，則縱模間隔可計算如下：

由上述實驗結果和理論值計算值進行比較，可以看出，實驗值與理論值基本相符，激光器的腔長和相鄰縱模頻率間隔成反比。即腔長越短， 越大，能夠滿足振蕩條件的縱模個數越少；相反腔長越長， 越小，在相同的增寬曲線范圍內，縱模個數就越多。

5 結束語

文章運用半外腔 He-Ne 激光器對激光模式的頻率特性的測量研究。通過實驗測量對縱模間隔給出了實驗與理論相符的實驗數據，從而可以清晰地認識激光器中不同縱模的變化情況。

參考文獻

[1]陳鋼，魏高堯.He-Ne激光器縱橫模頻率特性的實驗測量[J].實驗室研究與探索，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驗研究[J].2011，11.

[3]王與燁.全固態內腔光學參量振蕩及內腔倍頻技術的研究[J].2008，12.