要使学生看懂示波屏上的模谱,需要介绍激光器的结构以及激光产生的过程;需要联系以往学 过的基础物理知识阐明一些概念 众所周知,光的本质是高频电磁波,光波是横波,有偏振和驻波现象激光是光的一种,它是在 激光器中由介质受激发射光振荡放大形成激光器有增益价质、激励源、光学谐振腔三部分组成其 中光学谐振腔对激光器模式有直接影响。光学谐振腔由一块全反镜和一块半反镜构成谐振腔有无 数个分立的本征频率,而在充满增益介质的所谓有源腔中,对应于某一个振荡光频的光场分布状态 才称为一个模式。该光场沿腔轴方向的分布状态,即某个驻波结构称为它的纵模。在垂直于腔轴的 平面上的光场分布状态称为横模。显然,横模即为光斑上强度分布呈现的各种花样。正是这种有 定纵向、横向光场分布的激光束通过扫描干涉仪,经光电接收放大,才在示波屏上显出如图1(b)所 示的激光器模谱模谱图上一个干涉级的频率间隔,就是该激光器的激光频率(波长)范围这个范 围的大小由各增益介质谱线展宽机制决定对He-Ne激光器6328nm输出线,主要是由于热运 动,不同轴向速度的原子,因多普勒效应引起的频率展宽,约为1500MHz。一个干涉级内相等间隔 的透射峰形成纵模结构,一些比纵模间隔小的频差就是横模结构。这样,激光器横模谱的来历和结 构就搞清楚了。 以上是对激光器模式直观定性的描述,学生对它有了初步的认识为深入彻底搞懂激光器模式 概念,必须进一步加以定量描述对常用的稳定球面镜腔,由激光谐振腔理论可导出腔内电磁场 TEM-模式频率(轴对称)为[2]: m=2nLq+n(m+n+1)cs[(1-R1)(1-R2)y2 式中n为增益介质折射率,L为谐振腔长,c为真空光速,R,R2分别为二谐振腔镜曲率半径m、n 为横模阶次,即在垂直于腔轴z的xy平面上光场分布出现的节线数。沿X轴方向节线数为m,沿y 轴方向的节线数为n。q为纵模阶次,即驻波场沿腔轴z的波腹个数在不考虑横模时,由(1)式知 纵模频率为 (2) 相邻二纵横频率间隔为 △v (3) 即它由腔长L和折射率η决定 当q一定时,不同横模(m、n不同),对应着不同的本征频率而任意二横模的频率差为 =2T(△m+△n)c[(-R,)(1-:)] (4) 式中△m=|m-m|,△n=|n'-nl△m=△n=0,有△va,mt=0称为基模,这时输出的是高斯光 束因此,可以利用(4)式来分析激光器的横模结构,即光斑花样。在通常L<R1<R2的情况下,由 (3)、(4)式可知,横模频差总是小于织模间隔,这样,就不难在模谱图上,将高次横模区别出来。 有了上面的理论分析及计算公式,再让学生回到实践中去,对不同腔长,不同模式的He-N 激光器分别进行模谱的调试与观测,把测量结果与理论计算值进行比较,分析光斑强度分布花样并 进行观察对照。同时把一些激光特性方面的有关问题,引导学生分析讨论清楚。 例如: 1.对某腔长L=30cm的He-Ne激光器,经调试在示波屏上显现如图3(a)所示的模谱由图 可知△m=△n=0此乃基模激光器,输出的是高斯光束光斑为中心强度高、由中心向边缘强度递减 的较小光斑(如图3b所示)既然基模激光束光强集中在光斑中心,所以它的方向性好。又由(3)