近代物理实验讲义 和电子学振荡器相类似，作为光的放大振荡系 统的激光器，单靠诺振腔的反馈和选频作用尚不足 以形成光的振荡输出，还必须靠工作物质的放大作 用。在He一Ne激光器中，工作物质是由电源通过辉 光放电方式激励的e原子气体，它能在一定的频率 宽度△V,内起光的放大作用。图11.2b)画出了某 时 一条件下激光器输出的相对光强和频率的关系曲 线。曲线表明只有对于大约在△Y。范围内的频率， 光波在工作物质中传播时所获得的增益才有可能大 于损耗，才可能产生激光输出。考虑到腔的选频作 用后，实际获得的光振荡输出只有几个特定的频率， 图1.2谐振腔的诺振频率特性 (a)腔的谐振频率示意图，()光腔（取决于不饱和 如图11.2(c)所示。图中两个特定频率的相应序数 增益)与類率关系曲线，()可能获得的藏光纵模输出 分别等于g和q+1. 这里每一个频率的振荡为一个纵模，相邻两纵模之间的频率差（纵模频率间隔）△Y。用式 (1.3)计算。显然，在增益宽度△y,内可能包含的纵模个数约为△。/△ 对于一般L=0.25m的内腔式He-Ne激光器，△y。=1.3×10°，1，=6328nm,由式(11.3) 可算得纵模缬率间隔△v=6×103化。因而相应的纵模个数为2~3个.图11.2(c)中只画出了 两条竖线，表示两个振荡的纵模。 2。腔长改变和纵模频率变化 腔长改变会导致纵模频率的改变和相应 的光强变化，一般难以得到稳定不变的纵模 C) 输出。例如腔长常常随温度升高而缓慢变 化.图1l.3从(a)到(e)分别画出了当腔长l。分 别增加约入/3、1/2、2入/3及入时可能出 现的纵模，即纵模每移过一个纵模间隔△V 。 相应于腔长改变半波长。 图1.3腔长由6分别增加J3、2、2/3、时的纵摸频谱 3.横模 实际的HNe激光器谐振腔反射镜不能全采用平面镜，反射镜的面积的大小有限，更重要的 是，光放大过程发生在一根细而长的直毛细管内。因此，当光束在两镜面之间来回反射时，不可 能是理想的平面波。有限直径的毛细管和反射镜可看作是光波传播路径上的一系列光阑，这些光 闲的衍射作用进一步限制了激光振荡的空间电磁场分布方式。前面所述的纵模对应于谐振腔中各 种纵向的稳定光场分布。光场在横向（与传播方向z轴垂直的z轴、y轴方向）上的各种稳定分布称 为横模。用一个垂直于输出光束的曲屏观察可看到不同横模的光束横截面上光强分布图形，近代物理实验讲义 82 和电子学振荡器相类似，作为光的放大振荡系 统的激光器，单靠谐振腔的反馈和选频作用尚不足 以形成光的振荡输出，还必须靠工作物质的放大作 用。在 He—Ne 激光器中，工作物质是由电源通过辉 光放电方式激励的 Ne 原子气体，它能在一定的频率 宽度 Δν D内起光的放大作用。图 11.2(b)画出了某 一条件下激光器输出的相对光强和频率的关系曲 线。曲线表明只有对于大约在 Δν D范围内的频率， 光波在工作物质中传播时所获得的增益才有可能大 于损耗，才可能产生激光输出。考虑到腔的选频作 用后，实际获得的光振荡输出只有几个特定的频率， 如图 11.2(c)所示。图中两个特定频率的相应序数 分别等于 q 和 q+1。 这里每一个频率的振荡为一个纵模，相邻两纵模之间的频率差(纵模频率间隔) Δν D 用式 (11.3)计算。显然，在增益宽度 Δν D内可能包含的纵模个数约为 Δν D /Δν 。 对于一般 L ≈ 0.25m的内腔式 He-Ne激光器， Hz D 9 Δν ≈1.3×10 , λ0 = 6328nm，由式(11.3) 可算得纵模频率间隔 Hz 8 Δν ≈ 6×10 。因而相应的纵模个数为 2～3 个。图 11.2(c)中只画出了 两条竖线，表示两个振荡的纵模。 2. 腔长改变和纵模频率变化 腔长改变会导致纵模频率的改变和相应 的光强变化，一般难以得到稳定不变的纵模 输出。例如腔长常常随温度升高而缓慢变 化。图 11.3 从(a)到(e)分别画出了当腔长 0l 分 别增加约 λ /3、λ / 2 、2λ /3及 λ 时可能出 现的纵模，即纵模每移过一个纵模间隔 Δν ， 相应于腔长改变半波长。 3. 横模 实际的 He-Ne 激光器谐振腔反射镜不能全采用平面镜，反射镜的面积的大小有限，更重要的 是，光放大过程发生在一根细而长的直毛细管内。因此，当光束在两镜面之间来回反射时，不可 能是理想的平面波。有限直径的毛细管和反射镜可看作是光波传播路径上的一系列光阑，这些光 阑的衍射作用进一步限制了激光振荡的空间电磁场分布方式。前面所述的纵模对应于谐振腔中各 种纵向的稳定光场分布。光场在横向(与传播方向 z 轴垂直的 z 轴、y 轴方向)上的各种稳定分布称 为横模。用一个垂直于输出光束的曲屏观察可看到不同横模的光束横截面上光强分布图形， 图 11.2 谐振腔的谐振频率特性 (a)腔的谐振频率示意图，(b)光腔(取决于不饱和 增益)与频率关系曲线，(c)可能获得的激光纵模输出 图 11.3 腔长由 l0分别增加λ/3、λ/2、2λ/3、λ时的纵摸频谱