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《模的耦合及橫??v模觀測實(shí)驗(yàn)》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫。
1、模的耦合及橫模、縱模觀測實(shí)驗(yàn)人:林曄順023012037合作人:林宗祥組號:A8【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.對氣體激光器的性質(zhì)進(jìn)一步了解。2.掌握應(yīng)用氣體激光器的調(diào)節(jié)方法。3.了解共振模的耦合和匹配概念。4.仔細(xì)調(diào)節(jié)模耦合裝置,觀察橫模和模的耦合現(xiàn)象。5.縱模的觀測?!緦?shí)驗(yàn)儀器】He-Ne激光管2支、表座2個(gè)、WSS夫焦球面掃描干涉儀、激光電源、JPM-1激光光譜掃描分析儀【實(shí)驗(yàn)基本原理】1.橫模的概念橫摸是描述激光光斑上的能量分布情況,是指激光束橫截面上的光強(qiáng)分布。光場在橫向不同的穩(wěn)定分布,通常稱為不同的橫模:基模和高階模。基模和高階模的區(qū)別在于光斑形狀,光
2、斑沒有出現(xiàn)分瓣的,分布均勻的,就是基模。反之出現(xiàn)了分瓣現(xiàn)象的就是高階模。基模用表示,它具有最小的衍射損失,其輻射照度分布在垂直于光軸的任何截面都具有高斯形狀。高階模用表示,表示橫模序數(shù),即在光軸垂直的任一平面內(nèi),光強(qiáng)分布在x,y方向的極小值數(shù)目。軸對稱 旋轉(zhuǎn)對稱 圖1 激光的各種橫模圖形82.共振模的耦合和匹配的理論概述激光器諧振腔產(chǎn)生的基模注入到另一個(gè)諧振腔或光學(xué)傳輸線中去,它會(huì)產(chǎn)生基模以處的其他模式。若能選擇適當(dāng)?shù)钠ヅ鋮?shù),可以使基模得到很大的耦合系數(shù)。如圖2所示,當(dāng)激光從左方射向右方時(shí),到達(dá)參考平面A上的橫模光斑半徑
3、分別為,等相位面曲率半徑分別為。當(dāng),或者說參考平面兩邊基模參數(shù)完全相同時(shí),基模間達(dá)到完全匹配。左方入射基模的能量完全轉(zhuǎn)換為右邊基模的能量。在其它非完全匹配的情況下,左方基模的能量將轉(zhuǎn)換為右面方多種不同模場的能量,而其中轉(zhuǎn)換為右方基模的能量比率由小于1的匹配因子K來表征。圖23.激光的縱模概念及縱模間隔激光器諧振腔內(nèi)獲得振蕩的不同波長成分具有不同的波形,沿腔的軸線方向(縱向)形成駐波,駐波的波節(jié)數(shù)由q決定。通常將由整數(shù)q所表征的腔內(nèi)縱向場分布稱為腔的縱模。不同的q值相應(yīng)于不同的縱模??v模是與激光腔長度相關(guān)的,是描述激光頻率的。激光器的振蕩縱模數(shù)目由腔
4、長、工作物質(zhì)的增益線寬和激勵(lì)水平等因素決定的。腔長L,光波反射加強(qiáng)的條件:圖3諧振腔內(nèi)的縱模為縱模個(gè)數(shù)。由于產(chǎn)生激光的某一單色光譜線的固有寬度和多普勒展寬,及激光的發(fā)出的光波長的限制,能獲得干涉加強(qiáng)的模數(shù),還是有限幾個(gè)。84.共焦球面掃描干涉儀共焦球面掃描干涉儀是一個(gè)激光諧振腔,結(jié)構(gòu)如圖4所示:圖4掃描干涉儀結(jié)構(gòu)示意圖1為低膨脹系數(shù)材料制成的間隔圈,保證R1和R2兩透鏡的焦點(diǎn)重合,2為電源陶瓷,在壓電陶瓷外壁上加上一定幅度的電壓,壓電陶瓷的長度就會(huì)發(fā)生變化,長度的變化量與電壓成正比,其值在光波波長的量級,不會(huì)影響共焦腔的狀態(tài)。如圖5所示:激光以小角
5、度入射,在腔內(nèi)走X形回路,光程為4L的整數(shù)倍,在A、B兩處光可透出,因此形成兩束光。如果相鄰兩束光光程差為波長的整數(shù)倍,則透射光束相干疊加時(shí)輸出光強(qiáng)為極大值。即滿足:當(dāng)入射光束的波長變?yōu)?,這圖5共焦球面干涉儀光路圖時(shí)只要改變掃描干涉儀的電壓,使腔長變?yōu)椋瑵M足:4,透射光束也能出現(xiàn)干涉極大值。腔長與透射極大值的波長之間有線性關(guān)系,由于腔長與光波長比很大,所以有無限個(gè)不同波長的光波符合加強(qiáng)反射的條件,即:對上式微分,得:兩鄰近模,,它們的波長差和自由光譜范圍分別為:和在一定范轉(zhuǎn)內(nèi)調(diào)節(jié)掃描電壓,觀察干涉極大值的個(gè)數(shù),即可得到縱模的個(gè)數(shù)。8【實(shí)驗(yàn)裝置圖及實(shí)
6、驗(yàn)技術(shù)】1.模的耦合和橫模觀測需要用到2支He-Ne激光管(1支作激光光發(fā)射源,1支僅用其諧振腔)、小孔光闌及顯微目鏡。裝置連接如圖6:圖6橫模觀測裝置圖左邊激光器發(fā)出各種模式的光束通過小孔光闌進(jìn)入右邊諧振腔,在顯微目鏡中觀察可以看到激光光斑不斷變化,有時(shí)還可能閃出旋轉(zhuǎn)對稱的高次模。這種變化是周而復(fù)始的,而變化的快慢則與激光源的溫度和所受外界的擾動(dòng)有關(guān)。2.縱模及縱模間隔觀測需用到1支He-Ne激光管、WSS共焦球面掃描干涉儀、JPM-1激光光譜掃描分析儀及激光電源。裝置連接如圖7:圖7縱模觀測裝置圖激光的模式可通過光電探頭在示波器上直接觀察到。根
7、據(jù)需要可以改變鋸齒波的電壓及周期,加大掃描電壓周期能使激光模式周期性出現(xiàn),此時(shí)即可觀察到激光縱模個(gè)數(shù)。8【實(shí)驗(yàn)步驟】1.模的耦合及橫模觀察(1)按圖6確認(rèn)各裝置連接正確。(2)調(diào)節(jié)各元件共軸,首先目測,使各元件大致在一條直線上,利用小孔光闌調(diào)整光軸,使右邊諧振腔的毛細(xì)管與光軸重合,從其后通過目鏡觀察模式圖形,并記錄下來。(3)根據(jù)觀察繪制出各個(gè)模式的圖形。(4)對左邊激光管扇風(fēng)使其輕微振動(dòng),觀察各種迅速變化的模式。2.縱模及縱模間隔觀察(1)按圖7確認(rèn)各裝置連接正確。(2)調(diào)節(jié)激光器及共焦球面掃描干涉儀,能在示波器上觀察到激光的輸出模式的電信號。(
8、3)改變掃描電壓的強(qiáng)度和周期,觀察周期性的信號,數(shù)出縱模個(gè)數(shù)?!緦?shí)驗(yàn)記錄及結(jié)果分析】實(shí)驗(yàn)時(shí)間:2005-3-2814:30