激光调腔与纵横模分析实验报告 一、实验目的 1. 了解和掌握激光器的原理、光学谐振腔的结构以及模式稳定原则。 2. 学会用模式稳定原则设计一个稳定的激光谐振腔，并掌握实际调腔的操作方法。 3. 通过对激光器模的形成及特点的观察，加深对其物理概念的理解。 4. 掌握模式分析的基本方法，并能运用测试设备对纵横模进行分析。 5. 熟悉并掌握共焦球面打描干涉仪的原理、性能及其正确使用方法。 二、实验原理 激光器主要由增益介质、光学谐振腔和激励能源三部分组成。激光的产生基于受激辐射光放大原理，即当介质的某一对能级间形成粒子数反转分布时，由于自发辐射和受激辐射的作用，将产生一定频率的光波，并在腔内传播，被增益介质逐渐增强、放大。 光学谐振腔的作用是模式选择和提供轴向光波模的反馈。本实验采用开放式的共轴球面稳定腔，由两块具有公共轴线的球面镜构成。模式稳定原则是基于几何光学理论，通过调整谐振腔的参数，使得光在谐振腔中往返一周的光程差为波长的整数倍，从而形成稳定的电磁场分布。 激光器的模式分为纵模和横模。纵模对应不同的波长，而横模对应光束在垂直于传播方向上的空间分布。通过对纵横模的分析，可以了解激光器的性能和输出特性。 三、实验步骤与操作 1. 搭建实验装置，包括光学导轨、底座、反射镜调节架、激光灯调节架、十字屏、激光电源及导线、外腔激光管、照明光源、光学镜片、凸透镜、共焦球面扫描干涉仪、干涉仪控制器、探测器、示波器等。 2. 根据模式稳定原则，调整反射镜的角度和位置，使光学谐振腔满足稳定条件。观察并记录通过十字架遮光板观察到的光斑情况。 3. 开启激光电源，使激光器产生激光。通过共焦球面打描干涉仪观察并记录激光的干涉图样。 4. 利用示波器等测试设备，观察并记录激光器的模谱，包括纵模和横模的分布情况。 5. 根据测试结果，分析激光器的性能，包括模式稳定性、输出功率、光束质量等。 四、实验结果与分析 1. 通过调整反射镜的角度和位置，成功设计并搭建了一个稳定的激光谐振腔。观察到通过十字架遮光板的光斑中心有一个更亮的点，说明谐振腔满足稳定条件。 2. 通过共焦球面打描干涉仪观察到了清晰的激光干涉图样，验证了激光的相干性。 3. 在示波器上观察到了激光器的模谱，可以清晰地辨认出纵模和横模的分布情况。根据测量结果，分析了纵模的频率间隔以及横模的图样特点。 4. 通过分析实验结果，可以得出激光器在当前条件下的性能参数，如模式稳定性、输出功率等。同时，也发现了实验过程中可能存在的问题和改进方向。 五、实验总结 本实验通过搭建激光调腔与纵横模分析实验装置，成功地对激光器的原理、光学谐振腔的结构以及模式稳定原则进行了深入了解和掌握。通过实验操作和测试分析，加深了对激光器模的形成及特点的理解，并掌握了模式分析的基本方法。同时，也学会了正确使用共焦球面打描干涉仪等重要分光仪器。实验结果表明，所搭建的激光谐振腔具有良好的稳定性，激光器的性能参数满足实验要求。 通过本次实验，我们不仅提升了实践操作能力，也增强了对激光技术和光学原理的理论认知。未来，我们可以进一步优化实验条件，提高激光器的性能，以满足更高层次的应用需求。
