摘 要

扫描干涉仪利用压电陶瓷的电致伸缩效应驱动其中一面镜片扫描,利用相干光干涉相长与相消条件,实现将同时存在的不同频率的光,从时间上分开,用示波器接收分开后的模式信号并做定标分析,即实现光谱特征的精细分析。

利用共焦腔扫描干涉仪分析He-Ne激光的精细光谱特征.获得输出激光中包含的模式个数,模式的频率间隔,模式数的变化等信息.

实验结果表明He-Ne激光器,输出激光中包含4个纵模，纵模频率间隔为0.324GHz，理论纵模频率间隔为0.376GHz，误差为10%。

本文特色在于:利用扫描干涉仪实现了单色He-Ne激光的光谱精细分析,深入分析与测量了激光的频谱特征。

关键词:扫描干涉仪；光栅分析；光谱结构；激光模式

Abstract

Scanning interferometer uses the electrostrictive effect of piezoelectric ceramic to drive one side of the lens, the coherent light phase and destructive interference conditions for the realization of different frequencies of light will also exist separately from the time, after receiving separate fine mode signal analysis by using the oscilloscope and make scaling analysis, namely, the achieve the spectral characteristics.

Using confocal scanning interferometer analysis the spectral characteristics of the He-Ne laser. Getting the number of modes included in the laser output interval, the number of patterns of change in frequency patterns and other information.

The results of experiment show He-Ne laser, it contains four longitudinal mode, longitudinal mode frequency interval of 0.324GHz, the theoretical longitudinal mode frequency interval of 0.376GHz, error is 10%.

This article features are: Using scanning interferometer to achieve a fine spectral analysis monochrome He-Ne laser, analysis and measurement of the spectral characteristics of the laser in-depth.

Key Words：Scanning interferometer；analysis the grating；Spectral structure；the mode of laser

目 录

摘 要 1

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 扫描干涉仪研究与应用 1

1.2 研究目的与意义 1

1.3 研究内容 2

第2章 扫描干涉仪 3

2.1 共焦球面扫描干涉仪的结构 3

2.1.1 压电陶瓷伸缩特性 4

2.2 共焦球面扫描干涉仪的工作原理 5

2.2.1 扫描干涉仪的分光原理 5

2.2.2 透射光强 6

2.3 扫描干涉仪的性能参数 6

2.3.1 自由光谱范围 6

2.3.2 分辨本领 7

2.3.3 精细常数 7

第3章 扫描干涉仪分析光谱结构 8

3.1 激光的输出光谱特征 8

3.1.1 纵模 8

3.1.2 横模 8

3.1.3 模式竞争对光谱的影响 9

3.2 利用扫描干涉仪分析激光光谱 9

3.2.1 实验仪器 9

3.2.2 实验步骤 10

3.2.3 实验结果 10

3.2.4 结果分析 11

3.2.5 误差因素分析 12

3.3 与光栅光谱分析的区别 13

第4章 结果与结论 14

4.1 研究结果 14

4.2 研究总结 14

4.3 展望 14

参考文献 16

致谢 17

第1章 绪论

1.1 扫描干涉仪研究与应用

近代光学的发展不断地取得突破性的进展，光学发展越来越快，在光学研究中，了解光谱结构成为至关重要的一部分。在1958年，柯勒斯根据多光束的干涉原理提出了一种共焦球面干涉仪。到了60年代，这种共焦系统被广泛用作激光器的谐振腔，这种干涉仪利用压电陶瓷作为扫描元件或通过改变气压进行扫描，从而获得相应波长的最大透过率，实现光谱扫描。目前扫描干涉仪在光学研究中发挥着越来越重要的作用。例如光谱精细结构研究，激光振荡器模分析，激光同位素分离等。利用扫描干涉仪可以测量激光间隔模的研究，用于保偏光纤偏振耦合检测，测量超音速的流体速度，测量电弧射流中发光粒子的速度，对傅里叶光谱变换进行测量等等。

光谱分析一般分为发射光谱、吸收光谱与散射光谱分析。目前光谱结构分析的方法与技术越来越成熟。我们可以根据物质发出的光谱了解鉴别物质和它们的化学组成，这种方法灵敏快捷，光谱分析在科学研究中有着广泛的应用。有很多科学研究已经利用扫描干涉仪进行光谱精细，通过测量不同激光的光谱特征，研究激光器的不同纵模、不同横模所具有的场分布特征，从而得出纵模和横模个数、纵模和横模的频率间隔等结果。

1.2 研究目的与意义

扫描干涉仪采用的是共焦腔，共焦腔结构有着很多的优点，首先因为共焦腔的高度的模简并特性，所以不需要严格的模匹配，这对扫描干涉仪是十分有利的。利用扫描干涉仪能够完成超精细光谱结构的研究，通过分析光谱的精细结构，了解激光或者物质的特性，更深入的揭示激光器的各种物理现象，让我们更好的控制和改善激光器的特性。在光学的研究中，同样光栅也能用于光谱结构的分析，利用光栅衍射的原理完成光谱的分析。但是与扫描干涉仪相比，由于扫描干涉仪精度高，分辨率高，若采用分辨率相同的光栅，其尺寸往往将为数百米，方便性以及灵敏性都将受到影响。由于扫描干涉仪使用了被动腔光场本征模的耦合及压电陶瓷空间扫描技术，所以不用发散被测激光，观察灵敏度极大的提高。扫描干涉仪的光谱结构分析中，拓宽了精细光谱结构的分析，对激光光谱的研究更加细致，更加全面，并且提高了在光谱结构分析上的效率和准确性。所以扫描干涉仪在对光谱精细结构的研究中发挥着重要的作用^[3]。

1.3 研究内容

理想的激光器的激光束为单一的基横模，但是现实中很难有单一模式的激光器。在实验中很多要求为单一模式的激光，过去往往都是根据光斑的形状来判定激光束的横模结构，而现在有科学的实验仪器，我们就可以准备的判断激光的光谱结构，分析激光模式。因为扫描干涉仪结构简单，所涉及的光学仪器元件较少，从而减小了实验测量的误差，所以共焦球面扫描干涉仪是测量激光光谱的最方便，最有效，最准确的实验仪器。

本文主要研究扫描干涉仪在光学精细结构研究中的应用，分析激光光谱结构，更好的了解控制激光特性。通过了解扫描干涉仪的结构，以及扫描干涉仪的相关元器件的特性，对扫描干涉仪进行分析，了解扫描干涉仪的工作原理，理解光谱扫描实现的方法，熟悉扫描干涉仪的性能参数以及掌握激光模式和激光器中的模式竞争效应。通过实验对激光进行光谱分析，测量光谱的超精细结构，了解激光器的线宽以及激光模式，实现一定范围内的光谱特征分析。完成实验后分析整个实验中所存在的影响因素，尽量减小实验误差，得到较为准确的实验结果，验证实验目标，完成扫描干涉仪在光谱精细结构中的应用的研究。