激光原理实验指导书 (YNU 信，怀昆学悦 Xinyang Normal University 物理电子工程学院 2009年1月
激光原理实验指导书 物理电子工程学院 2009 年 1 月
目录 实验一He-Ne激光器增益与损耗的测量…(1) 实验二H-Ne激光器的模式分析…(7) 实验三声光调Q技术…(15) 实验四半导体激光器实验…（20) 实验五选频C0激光器实验…(26)
目 录 实验一 He-Ne 激光器增益与损耗的测量………………………………（1） 实验二 He-Ne 激光器的模式分析………………………………………（7） 实验三 声光调 Q 技术…………………………………………………（15） 实验四 半导体激光器实验……………………………………………（20） 实验五 选频CO2激光器实验…………………………………………（26） 2
实验一He-Ne激光器增益与损耗的测量 一台激光器的小信号增益系数G。、腔内损耗《是重要的激光参数，直接影响着 激光器的输出功率。本实验在外腔激光器中用全反射腔镜，在腔内插入可旋转平行 板，利用平行板的反射率与入射角的关系，使激光器的输出功率随平行板的旋转角 而改变。旋转平行板等效于可变透射率的输出镜。通过测量激光输出功率与等效透 射率的关系，获得Go与a。 一、实验目的 1.加深理解激光器增益与损耗的概念。 2.掌握测量氦氖激光器小信号增益系数与损耗的原理和方法。 二、实验原理 1.激光输出功率与激光参数的关系 当一台激光器形成稳定振荡时，激光在腔内往返运行一周获得的总增益等于总 损耗，用公式表示为 2LG(1=ao (1-1) 式中L。为增益介质长度，G()表示光强为I时的增益系数，a。为总损耗。a。包括 衍射损耗，增益介质的吸收、散射损耗、腔镜的透射、吸收、散射损耗，以及布儒 斯特窗片的反射、吸收、散射损耗等。为了简化把总损耗分作两部分 。=T十a (1-2) π表示腔镜的透射损耗，α表示除腔镜透射损耗以外的所有损耗，既除腔镜透射损 耗外，激光在腔内往返运行一周光强衰减的比率。对于输出波长为632.8m的长腔 激光器来说，增益饱和规律由下式描述 G G0-1+, (1-3) 式中，G。为小信号增益系数，I,为饱和光强。把(1-1)式、(1-2)式代入(1-3) 式得 1=8- (1-4) 在实验中直接测量的是激光输出功率P，输出功率与腔内功率P的关系为 P=PT。腔内激光光强与腔内激光功率的关系为1=P/A,A为光束截面积。因 此(1-4)式可写成 P=Pr(2L.Go-1) (1-5) T+a 式中P=I、A,为腔内饱和功率。 由(1-5)式可知，激光的输出功率与饱和光强及小信号增益系数成正比，只有
实验一 He-Ne 激光器增益与损耗的测量 一台激光器的小信号增益系数 、腔内损耗 G0 α 是重要的激光参数，直接影响着 激光器的输出功率。本实验在外腔激光器中用全反射腔镜，在腔内插入可旋转平行 板，利用平行板的反射率与入射角的关系，使激光器的输出功率随平行板的旋转角 而改变。旋转平行板等效于可变透射率的输出镜。通过测量激光输出功率与等效透 射率的关系，获得 与 G0 α 。 一、实验目的 1．加深理解激光器增益与损耗的概念。 2．掌握测量氦氖激光器小信号增益系数与损耗的原理和方法。 二、实验原理 1．激光输出功率与激光参数的关系 当一台激光器形成稳定振荡时，激光在腔内往返运行一周获得的总增益等于总 损耗，用公式表示为 0 a IGL )(2 = α （1-1） 式中 La 为增益介质长度， IG )( 表示光强为 I 时的增益系数，α 0 为总损耗。α 0 包括 衍射损耗，增益介质的吸收、散射损耗、腔镜的透射、吸收、散射损耗，以及布儒 斯特窗片的反射、吸收、散射损耗等。为了简化把总损耗分作两部分 α 0 =τ +α （1-2） τ 表示腔镜的透射损耗，α 表示除腔镜透射损耗以外的所有损耗，既除腔镜透射损 耗外，激光在腔内往返运行一周光强衰减的比率。对于输出波长为 632.8nm 的长腔 激光器来说，增益饱和规律由下式描述 IG )( = s II G 1+ 0 （1-3） 式中， 为小信号增益系数， 为饱和光强。把（1-1）式、（1-2）式代入（1-3） 式得 G0 s I )1 2 ( 0 − + = ατ GL II a s （1-4） 在实验中直接测量的是激光输出功率 ，输出功率与腔内功率 的关系为 = Pout P0 Pout P0 τ 。腔内激光光强与腔内激光功率的关系为 API = 0 ， 为光束截面积。因 此（1-4）式可写成 A )1 2 ( 0 − + = ατ τ GL PP a sout （1-5） 式中 ，为腔内饱和功率。 = ss AIP 由（1-5）式可知，激光的输出功率与饱和光强及小信号增益系数成正比，只有 3
两者均很大时，才能获得大的激光输出功率。输出功率与腔内损耗成反比，腔内损 耗增大，输出功率减小。输出功率与透射率有二次曲线关系，当透射率较小时，输 出功率随透射率的增加而增大：当透射率较大时，输出功率随透射率增加而减少。 在适当透射率处，输出功率有极大值，如图1-1所示。对应极大输出功率处的透射 率叫最佳透射率：，对(1-5)式求极大值可得 Tom =(2L Goa)v2-a (1-6 t也是激光器的重要参数，随小信号增益系数的增加而增大，当腔内损耗不太大 时，最佳透射率也随腔内损耗增加而增大。 P=300mW 2L,G。=0.2 x=0.01 20 x=0.02 0 t, 0.1T2 0.2 图1-1激光输出功率与透射率的关系 2.数据处理 (1)用作图法求激光参数 从图11可见，每个输出功率值对应两个透射率值？、t2。取(P,t,)和(P, t2)分别代入(1-5)式，并消去P得 (亿，+，)+2-(2L,G。-a)=0 (1-7 在曲线上取若干个P值及对应的x、t2值，作(：，+x)-xx2直线，从直线斜率k可 得腔内损耗 a=1/k (1-8) 取x,t2=0,从直线与(x,+t2)轴相交的截距可得 4
两者均很大时，才能获得大的激光输出功率。输出功率与腔内损耗成反比，腔内损 耗增大，输出功率减小。输出功率与透射率有二次曲线关系，当透射率较小时，输 出功率随透射率的增加而增大；当透射率较大时，输出功率随透射率增加而减少。 在适当透射率处，输出功率有极大值，如图 1-1 所示。对应极大输出功率处的透射 率叫最佳透射率 opt τ ，对（1-5）式求极大值可得 τ = −αα 21 0 GL )2( opt a (1-6) opt τ 也是激光器的重要参数，随小信号增益系数的增加而增大，当腔内损耗不太大 时，最佳透射率也随腔内损耗增加而增大。 图 1-1 激光输出功率与透射率的关系 2．数据处理 （1）用作图法求激光参数 从图 1-1 可见，每个输出功率值对应两个透射率值 1 τ 、 2 τ 。取（ P ， 1 τ ）和（ P ， 2 τ ）分别代入（1-5）式，并消去 P 得 0)2( 1 )( 21 ττ 21 0 α =−−++ α ττ aGL (1-7) 在曲线上取若干个 值及对应的 Pout 1 τ 、 2 τ 值，作 )( 21 τ +τ - 1 τ 2 τ 直线，从直线斜率 可 得腔内损耗 1 k 1 α = 1 k (1-8) 取 1 τ 2 τ =0，从直线与（ 1 τ + 2 τ ）轴相交的截距可得 4
a=2红+m+d Ir (1-9) (2)用极值法求激光参数 从P-π图上，取输出功率趋于零时的极大透射率t,这时腔内的激光功率 也趋于零，根据(15)式则有 2L.G。=tx+a (1-10) 从P-π图上取输出功率为极大值处的等效透射率为最佳透射率x，用(1-10) 式和(1-6)式联立得 Q= (1-11) Tmax -2Topo G。=2m+0） (1-12 三、实验仪器 1.实验装置 氦氖激光器参数测量系统如图1-2所示。 sp M M> M Las D2 图1-2实验装置示意图 Las为氦氖气体放电管。 SN为永磁铁氧体，对放电管产生非均匀磁场，抑制3.39μm谱线的超辐射。 M1、M2是全反射腔镜，相距1.17m,用平凹腔或非对称非共焦腔均可，本实验 中两反射镜的曲率半径均为3m。 M是透明的平行平面镜，一般用熔石英材料，其插入损耗小，也可用玻璃材料， 玻璃材料的优点是对3.391m谱线有吸收，对3.39！m的激光或超辐射有抑制作用， 缺点是插入损耗比熔石英大，影响最佳透射率的准确测量。M镜要有一定的厚度， 5
[ αττ ] 0 ττ =021 ++= 21 )( 2 1 La G （1-9） （2）用极值法求激光参数 从 −τ Pout 图上，取输出功率趋于零时的极大透射率 max τ ,这时腔内的激光功率 也趋于零，根据（1-5）式则有 2 aGL 0 = τ max +α （1-10） 从 −τ Pout 图上取输出功率为极大值处的等效透射率为最佳透射率 opt τ ，用（1-10） 式和（1-6）式联立得 opt opt ττ τ α max 2 2 − = （1-11） )( 2 1 0 = max +ατ La G （1-12） 三、实验仪器 1．实验装置 氦氖激光器参数测量系统如图 1-2 所示。 图 1-2 实验装置示意图 Las 为氦氖气体放电管。 SN 为永磁铁氧体，对放电管产生非均匀磁场，抑制 3.39 μ m 谱线的超辐射。 M1、M2是全反射腔镜，相距 1.17m，用平凹腔或非对称非共焦腔均可，本实验 中两反射镜的曲率半径均为 3m。 M 是透明的平行平面镜，一般用熔石英材料，其插入损耗小，也可用玻璃材料， 玻璃材料的优点是对 3.39 μ m 谱线有吸收，对 3.39 μ m 的激光或超辐射有抑制作用， 缺点是插入损耗比熔石英大，影响最佳透射率的准确测量。M 镜要有一定的厚度， 5
以免M镜两表面的反射光束重叠产生干涉，影响测量结果，M镜的厚度应大于2mm。 SP为带刻度的转台，转角精度不低于'，转台中心安有可调节的平台，平台面 的高低及倾斜用三支螺丝调节，M镜放置在平台上，转台已固定在激光器的底座上， 转轴已与放电管的管轴垂直，并与激光束相交。 D、D2为激光功率计，用来测量从M镜两表面反射的激光功率。 2.M镜的等效透射率 M镜的光路如图1-3所示，光束1的反射率为p,光束2和光束3的反射率为 图13M镜光路 p(1-p)2,光束4的反射率为p1-p),M镜的其它反射光束与p的高次方成正比 因ρ很小可忽略。腔内激光通过M镜的反射实现输出，所以M镜两表面的反射率 可等效于输出镜的透射率。M镜的等效透射率为 r=p+2p1-p)2+p1-p)=p1+1-p)2 (1-13) 其中p值由菲涅耳公式求得 p-aresin(sin/n) (1-14) tg2 +arcsin(sino/n) 式中中为激光束在M镜上的入射角，n为M镜在632.8m波长处的折射率。本实验 使用的M镜由熔石英制成，其折射率为1.45728，布儒斯特角。=55°32′30”。 熔石英材料的反射率p、等效透射率π与入射角中的关系由表11给出。 四、实验内容及步骤 1.开启激光功率计，进行预热。 6
以免M镜两表面的反射光束重叠产生干涉，影响测量结果，M镜的厚度应大于2mm。 SP 为带刻度的转台，转角精度不低于 1′,转台中心安有可调节的平台，平台面 的高低及倾斜用三支螺丝调节，M 镜放置在平台上，转台已固定在激光器的底座上， 转轴已与放电管的管轴垂直，并与激光束相交。 D1、D2为激光功率计，用来测量从M镜两表面反射的激光功率。 2．M 镜的等效透射率 M 镜的光路如图 1-3 所示，光束 1 的反射率为 ρ ，光束 2 和光束 3 的反射率为 图 1-3 M 镜光路 2 − ρρ )1( ，光束 4 的反射率为 − ρρ )1( 4，M 镜的其它反射光束与 ρ 的高次方成正比， 因 ρ 很小可忽略。腔内激光通过 M 镜的反射实现输出，所以 M 镜两表面的反射率 可等效于输出镜的透射率。M 镜的等效透射率为 [ ] 2 2 4 2 −+=−+−+= ρρρρρρρτ )1(1)1()1(2 （1-13） 其中 ρ 值由菲涅耳公式求得 [ ] [ arcsin(sin )] arcsin(sin ) 2 2 tg n tg n φ φ φ φ ρ + − = （1-14） 式中φ 为激光束在 M 镜上的入射角，n 为 M 镜在 632.8nm 波长处的折射率。本实验 使用的 M 镜由熔石英制成，其折射率为 1.45728，布儒斯特角φb =55°32′30″。 熔石英材料的反射率 ρ 、等效透射率τ 与入射角φ 的关系由表 1-1 给出。 四、实验内容及步骤 1．开启激光功率计，进行预热。 6
表1-1熔石英材料的入射角和等效透射率 入射角中°)反射率P 等效透射率π入射角中°）反射率P 等效透射率T 56.5 9.428×10 3.77×10 64.5 0.01247 0.04865 57.0 0.00029 0.00090 65.0 0.01429 0.05554 57.5 0.0004】 0.00165 65.5 0.01628 0.06297 58.0 0.0006 0.0026 6.1 0.01904 0.0711 0.000 0.0039 66 0.02081 0.07996 o.c 0.02932 60.6 0.00309 00122 68.5 0.03264 01223￥ 61.0 0.00384 0.0152 69.0 003622 0.13489 61.5 0.00470 0.01862 69.5 0.04014 0.14817 62.0 0.00567 0.0224 70.0 0.04434 0.16232 62.5 0.00676 0.02661 70.5 0.04888 0.17733 0.0314 0.19319 0.010 0647 2.开启激光电源，调节输出电流，使输出电流为16mA(最佳工作电流)。 3.把M镜放置在平台上，要使M镜的入射表面与转台转轴相交，以保证M 镜在转动过程中入射点基本不变。 4.在布儒斯特窗反射光束的远处放一光屏，转动转台，使M镜的反射光斑在 光屏上靠近布儒斯特窗的反射光斑。若两光斑有上下位置差，则调节平台下方的螺 丝使两光斑重合，此时M镜的法线与转台转轴相互垂直（注：本装置中己将布儒斯 特窗的法线调节到与转台的转轴相垂直的状态) 5.使激光束在M镜上入射角为0°时，转台的读数也为0° 6.选择激光功率计的测量波长为633m,量程为20mW,然后调节激光功率 计的零点。 7.M镜从布儒斯特角附近开始（例如，从56.5°开始），入射角每增加0.5° 测量一次激光输出功率，直到输出功率为零。 测量过程中要注意以下两点： (1)M镜每改变一次角度，M2镜都需进行仔细的调整，使输出功率达到最大： (2)尽量使激光束垂直地照射在光电探测头光敏面的中心位置附近。 8.根据入射角与等效透射率的关系，以等效透射率为横轴，输出功率为纵轴， 在坐标纸上作输出功率与等效透射率的关系曲线。 由于每个实验数据都有一定的误差，所以，所作的曲线不一定要通过每个实验 点，要根据实验点的总体趋势，把实验点连成光滑的曲线。 9.用作图法或极值法求出小信号增益系数G。和腔内损耗α。 注：氨氖气体放电管的长度L。=1.000m。 五、思考题
表 1-1 熔石英材料的入射角和等效透射率 入射角φ/(°) 反射率 ρ 等效透射率τ 入射角φ/(°) 反射率 ρ 等效透射率τ 56.5 9.428×10-5 3.77×10-4 64.5 0.01247 0.04865 57.0 0.00022 0.00090 65.0 0.01429 0.05554 57.5 0.00041 0.00165 65.5 0.01628 0.06297 58.0 0.00067 0.00267 66.0 0.01904 0.07115 58.5 0.00099 0.00396 66.5 0.02084 0.07996 59.0 0.00139 0.00555 67.0 0.02343 0.08942 59.5 0.00187 0.00745 67.5 0.02626 0.09965 60.0 0.00243 0.00968 68.0 0.02932 0.11061 60.5 0.00309 0.01228 68.5 0.03264 0.12233 61.0 0.00384 0.01524 69.0 0.03624 0.13483 61.5 0.00470 0.01862 69.5 0.04014 0.14817 62.0 0.00567 0.02243 70.0 0.04434 0.16232 62.5 0.00676 0.02661 70.5 0.04888 0.17733 63.0 0.00797 0.03147 71.0 0.05378 0.19319 63.5 0.00932 0.03660 71.5 0.05906 0.20992 64.0 0.01082 0.04236 72.0 0.06474 0.22752 2．开启激光电源，调节输出电流，使输出电流为 16mA（最佳工作电流）。 3．把 M 镜放置在平台上，要使 M 镜的入射表面与转台转轴相交，以保证 M 镜在转动过程中入射点基本不变。 4．在布儒斯特窗反射光束的远处放一光屏，转动转台，使 M 镜的反射光斑在 光屏上靠近布儒斯特窗的反射光斑。若两光斑有上下位置差，则调节平台下方的螺 丝使两光斑重合，此时 M 镜的法线与转台转轴相互垂直（注：本装置中已将布儒斯 特窗的法线调节到与转台的转轴相垂直的状态）。 5．使激光束在 M 镜上入射角为 0°时，转台的读数也为 0°。 6．选择激光功率计的测量波长为 633nm，量程为 20 mW，然后调节激光功率 计的零点。 7．M 镜从布儒斯特角附近开始（例如，从 56.5°开始），入射角每增加 0.5° 测量一次激光输出功率，直到输出功率为零 。 测量过程中要注意以下两点： （1） M镜每改变一次角度，M2镜都需进行仔细的调整，使输出功率达到最大； （2） 尽量使激光束垂直地照射在光电探测头光敏面的中心位置附近。 8．根据入射角与等效透射率的关系，以等效透射率为横轴，输出功率为纵轴， 在坐标纸上作输出功率与等效透射率的关系曲线。 由于每个实验数据都有一定的误差，所以，所作的曲线不一定要通过每个实验 点，要根据实验点的总体趋势，把实验点连成光滑的曲线。 9．用作图法或极值法求出小信号增益系数 和腔内损耗 G0 α 。 注：氦氖气体放电管的长度 La =1.000m 。 五、思考题 7
1.为什么每改变一次M镜的角度，M镜都需进行仔细的调整？ 六、注意事项 1,要注意眼睛的防护，绝对禁止用眼睛直视激光束。实验过程中，禁止用手 触摸电极：实验完成后，如马上搬动电源，须先将电源输出端短路，使电源内的电 容放电，以防止高压击人事件的发生。 2.由于本参数测量系统谐振腔的反射镜已事先调节完毕，学生进入实验室后 切勿随意调节反射镜调节架上的调节钮。否则，有可能需要重新调节反射镜，使实 验无法在规定的时间内完成。 3.实验过程中，如需改变激光功率计的量程，要在遮光后进行操作，并重新 调节功率计的零点
1．为什么每改变一次M镜的角度，M2镜都需进行仔细的调整？ 六、注意事项 1．要注意眼睛的防护，绝对禁止用眼睛直视激光束。实验过程中，禁止用手 触摸电极；实验完成后，如马上搬动电源，须先将电源输出端短路，使电源内的电 容放电，以防止高压击人事件的发生。 2．由于本参数测量系统谐振腔的反射镜已事先调节完毕，学生进入实验室后 切勿随意调节反射镜调节架上的调节钮。否则，有可能需要重新调节反射镜，使实 验无法在规定的时间内完成。 3．实验过程中，如需改变激光功率计的量程，要在遮光后进行操作，并重新 调节功率计的零点。 8
实验二He-Ne激光器的模式分析 相对一般光源，激光具有单色性好的特点，也就是说，它具有非常窄的谱线宽 度。这样窄的谱线，不是受激辐射后自然形成的，而是受激辐射经过谐振腔等多种 机制的作用和相互干涉后形成的。所形成的一个或多个离散的、稳定的又很精细的 谱线就是激光器的模。每个模对应一种稳定的电磁场分布，即具有一定的光频率。 相邻两个模的光频率相差很小，我们用分辨率比较高的分光仪器可以观测到每个 模。当从与光输出的方向平行（纵向）和垂直（横向）两个不同的角度去观测和分 析每个模时，发现又分别具有许多不同的特征，因此，为方便每个模又相应称作纵 模和横模。 在激光器的生产与应用中，我们常常需要先知道激光器的模式状况，如精密测 量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距等不仅要求 基横模，而且要求单纵模运行的激光器。因此，模式分析是激光器的一项基本而又 重要的性能测试。 “、 实验目的 1.了解激光器的模式结构，加深对模式概念的理解 2.通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。 3.对本实验使用的分光仪器一一共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能， 学会正确使用 二、实验原理 1.激光器模的形成 我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果 用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受 激辐射的作用，将有一定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、 放大，如图2-1所示。实际上，由于能 级总有一定的宽度以及其它因素的影 响，增益介质的增益有一个频率分布， 如图2-2所示，图中G(y)为光的增益系 hy 数。只有频率落在这个范围内的光在介 质中传播时，光强才能获得不同程度的 N E,放大。但只有单程放大，还不足以产生 (N,>N) 激光，要产生激光还需要有谐振腔对其 进行光学反馈，使光在多次往返传播中 图2-1粒子数反转分布 形成稳定、持续的振荡。形成持续振荡 的条件是，光在谐振腔内往返一周的光 程差应是波长的整数倍，即
实验二 He-Ne 激光器的模式分析 相对一般光源，激光具有单色性好的特点，也就是说，它具有非常窄的谱线宽 度。这样窄的谱线，不是受激辐射后自然形成的，而是受激辐射经过谐振腔等多种 机制的作用和相互干涉后形成的。所形成的一个或多个离散的、稳定的又很精细的 谱线就是激光器的模。每个模对应一种稳定的电磁场分布，即具有一定的光频率。 相邻两个模的光频率相差很小，我们用分辨率比较高的分光仪器可以观测到每个 模。当从与光输出的方向平行（纵向）和垂直（横向）两个不同的角度去观测和分 析每个模时，发现又分别具有许多不同的特征，因此，为方便每个模又相应称作纵 模和横模。 在激光器的生产与应用中，我们常常需要先知道激光器的模式状况，如精密测 量、全息技术等工作需要基横模输出的激光器，而激光稳频和激光测距等不仅要求 基横模，而且要求单纵模运行的激光器。因此，模式分析是激光器的一项基本而又 重要的性能测试。 一、实验目的 1．了解激光器的模式结构，加深对模式概念的理解。 2．通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。 3．对本实验使用的分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理、性能， 学会正确使用。 二、实验原理 1．激光器模的形成 我们知道，激光器的三个基本组成部分是增益介质、谐振腔和激励能源。如果 用某种激励方式，在介质的某一对能级间形成粒子数反转分布，由于自发辐射和受 激辐射的作用，将有一定频率的光波产生，在腔内传播，并被增益介质逐渐增强、 放大，如图 2-1 所示。实际上，由于能 级总有一定的宽度以及其它因素的影 响，增益介质的增益有一个频率分布， 如图 2-2 所示，图中G ν )( 为光的增益系 数。只有频率落在这个范围内的光在介 质中传播时，光强才能获得不同程度的 放大。但只有单程放大，还不足以产生 激光，要产生激光还需要有谐振腔对其 进行光学反馈，使光在多次往返传播中 图 2-1 粒子数反转分布 形成稳定、持续的振荡。形成持续振荡 的条件是，光在谐振腔内往返一周的光 程差应是波长的整数倍，即 9
2L=g2 (2-1) 式中，4为折射率，对气体4≈1：L为腔 G(v) 长：q为正整数。这正是光波相干的极大 条件，满足此条件的光将获得极大增强。 每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分 布，叫作一个纵模，q称作纵模序数。q是 一个很大的数，通常我们不需要知道它的 数值，而关心的是有几个不同的g值，即 激光器有几个不同的纵模。从(2-1)式中， 我们还看出，这也是驻波形成的条件，腔 内的纵模是以驻波形式存在的，q值反映 的恰是驻波波腹的数目，纵模的频率为 图2-2光的增益曲线 V,=42l (2-2) 同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔 △v=2M*2Z (2-3) 从(2-3)式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，相邻 纵模频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多：相反，腔越短，相邻纵模频率 间隔越大，在同样的增益曲线范围内，纵模个数就越少。因而用缩短腔长的办法是 获得单纵模运行激光器的方法之一 光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强：另一方面也存在着多 种损耗，使光强减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面的透射损耗、放电毛细 管的衍射损耗等。所以，不仅要满足谐 振条件，还需要增益大于各种损耗的总 和，才能形成持续振荡，有激光输出。 如图2-3所示，有五个纵模满足谐振条 件，其中有两个纵模的增益小于损耗， 纵模间隔 所以，有三个纵模形成持续振荡。对于 纵模的观测，由于q值很大，相邻纵模 损耗 频率差异很小，一般的分光仪器无法分 辨，必须使用精度较高的检测仪器才能 观测到。 v4-1 V+l Vq+2 谐振腔对光多次反馈，在纵向形成 不同的场分布，那么对横向是否也会产 图2-3纵模和纵模间隔 生影响呢？回答是肯定的，这是因为光每 经过放电毛细管反馈一次，就相当于
2μ = qL λq （2-1） 式中，μ 为折射率，对气体μ ≈1；L 为腔 长； 为正整数。这正是光波相干的极大 条件，满足此条件的光将获得极大增强。 每一个 对应纵向一种稳定的电磁场分 布，叫作一个纵模， 称作纵模序数。q 是 一个很大的数，通常我们不需要知道它的 数值，而关心的是有几个不同的 值，即 激光器有几个不同的纵模。从（2-1）式中， 我们还看出，这也是驻波形成的条件，腔 内的纵模是以驻波形式存在的， 值反映 的恰是驻波波腹的数目，纵模的频率为 q q q q q 图 2-2 光的增益曲线 L c q q μ ν 2 = （2-2） 同样，一般我们不去求它，而关心的是相邻两个纵模的频率间隔 L c L c q 22 =Δ 1 ≈=Δ μ ν （2-3） 从（2-3）式中看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比，即腔越长，相邻 纵模频率间隔越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反，腔越短，相邻纵模频率 间隔越大，在同样的增益曲线范围内，纵模个数就越少。因而用缩短腔长的办法是 获得单纵模运行激光器的方法之一。 光波在腔内往返振荡时，一方面有增益，使光不断增强；另一方面也存在着多 种损耗，使光强减弱，如介质的吸收损耗、散射损耗、镜面的透射损耗、放电毛细 管的衍射损耗等。所以，不仅要满足谐 振条件，还需要增益大于各种损耗的总 和，才能形成持续振荡，有激光输出。 如图 2-3 所示，有五个纵模满足谐振条 件，其中有两个纵模的增益小于损耗， 所以，有三个纵模形成持续振荡。对于 纵模的观测，由于 q 值很大，相邻纵模 频率差异很小，一般的分光仪器无法分 辨，必须使用精度较高的检测仪器才能 观测到。 谐振腔对光多次反馈，在纵向形成 不同的场分布，那么对横向是否也会产 图 2-3 纵模和纵模间隔 生影响呢？回答是肯定的，这是因为光每 经过放电毛细管反馈一次，就相当于一 10
