关于激光模谱分析实验模式图的讨论

李丽华，杨 冰，孙桂芳

（聊城大学，山东 聊城 252059）

在教材的阐述或在教学的讲解过程中，借助“示意图”来说明或讲解物理问题是一个非常有效的辅助方式。运用“示意图”不仅有助于讲解者更清楚地阐明问题，而且更有助于学习者更好地理解和掌握所讲解的内容。尤其是对一些较为复杂或抽象的物理概念，有时仅通过文字描述或语言表达是难以阐述清楚的，但若采用相应的“示意图”来辅助说明，则可帮助学习者建立一个清晰直观的物理图像。这对于理解、分析和解决问题是十分重要的，“图文并茂”往往能达到较好的教学效果[1]。

激光模谱分析实验是近代物理实验中的一个基础实验[2－7]，通过该实验应使学生了解激光器的模式结构这项重要的性能指标。在激光模谱分析实验的教学中，发现有些教材中模式图的表示形式存在值得商榷的地方，在此提出一些看法，与大家讨论。

1 问题与讨论

1.1 激光模式分布图的表示形式

在激光模谱分析实验中，运用模式图来描述激光的模式分布，有助于对激光模式概念的理解和激光模谱的分析，而且模式图以简洁的形式直观清晰地反映出激光模谱的特征。不同的实验教材中模式图的表示形式有所不同，有些近代物理实验教材[5－6]的模式图的表示形式如图1。

由图1可见，横坐标表示频率v，而各模式谱线用TEMmnq的形式来表示。此二者组合在一起是不相符合的，因为TEMmnq往往用以表示激光器的模式状态（例如常用来表示激光束横向光场的分布状态），所以，用TEMmnq与单向递增的频率v对应是不严格、不规范的。

图1 激光器的模式分布

模谱分析实验是利用共焦球面扫描干涉仪，将激光器所产生的频率差异甚小的纵模、横模的频谱展现出来并进行观测的。由于示波器的横向扫描对应于模式谱线的频率，我们认为，用横坐标表示频率，用其谐振频率vmnq的形式来表示各模式谱线更为符合。如图2所示为某激光器在增益线宽内的所有模式谱线，其横坐标表示频率v，纵坐标表示模式谱线的强度。把这种激光模式谱线按频率变化的分布图，称作“频谱图”；而用TEMmnq形式表示的激光模式谱线的结构图，称作“模谱图”，如图3所示。因此，模式图可以有“频谱图”和“模谱图”两种表示形式。

图2 增益线宽内模式频谱分布（频谱图）

图3 激光器的模式分布（模谱图）

实际上，“频谱图”和“模谱图”这两种表示形式所表达的内容有相同之处，根据具体情况，模式图可采用其中之一的形式来表示。然而，这两种表示形式所起的作用却略有不同，“频谱图”往往适用于实验分析和测量的过程中，用vmnq形式来表示各个模式谱线，则相邻纵模频率间隔ΔvΔq＝1和相邻横模频率间隔ΔvΔm＋Δn＝1的物理含义十分明确，物理图像直观清晰；而“模谱图”则往往适用于对激光器的模谱分析结束以后，以图示的形式对该激光器模式结构作一个结论性的表述。如图3所示的某激光器的模式结构（注意：横坐标没有箭头），还可以直接用 TEM00 TEM01的形式来表示该激光器的模式结构状况。

1.2 多个干涉序模式分布的表示

在激光模谱分析实验中，由于扫描干涉仪极大透射波长λ必须满足关系式：

其中，d为干涉仪的共焦腔长，k为干涉序数。所以，当d改变（增大或减小）时，激光器所有不同模式将按波长（频率）依次透过扫描干涉仪并显示在示波器上。并且，由于干涉仪的周期性扫描，激光器的所有模式也将是周期性重复出现。这样，示波器上可展现出多个干涉序。如图4所示。

图4 示波器多干涉序的模式谱线分布

有的实验教材[7]是这样表示多干涉序的模式谱线分布的：用带箭头的向右方向表示横坐标的方向，各模式谱线用TEMmnq的形式来表示。这样表示多干涉序的模式谱线分布也是不规范的。这不仅是因为TEMmnq与单向递增的横坐标的对应不相符，而且还可能使学生误解为所有干涉序模式谱线的频率是依次递增（或递减）的。

多干涉序的模式谱线分布的特点是：在同一个干涉序内横坐标位置沿某个方向依次变化，它对应于模式谱线频率的单调递增（或递减）；对于不同的干涉序而言，示波器上横坐标的位置仅表示激光模式谱线的周期分布，如图4所示的k序和k＋1序。因此，多个干涉序模式谱线分布的特点为周期性递增（或递减），并以一个干涉序为一个单调递增（或递减）周期。

2 结 论

激光模式分布图有“频谱图”和“模谱图”两种表示形式，不论采取哪一种形式，都要注意模式图的合理性和规范性。通过对模式图表示形式及其含义的分析与讨论，以使近代物理实验教材的示意图更加合理、规范和准确，更有利于学生对物理概念和相关内容的理解和掌握。

[1]包景东.重视示意图和结果图分析[J].大学物理，2011，30（11）：1－4.

[2]邹英华，孙騊亨.激光物理学[M].北京：北京大学出版社，1991：56－64.

[3]陈家璧，彭润玲.激光原理及应用[M].2版.北京：电子工业出版社，2008：49－56.

[4]高铁军，朱俊孔.近代物理实验[M].济南：山东大学出版社，2000：80－86.

[5]高学颜.近代物理实验[M].济南：山东大学出版社，1989：126－130.

[6]吴思诚，王祖铨.近代物理实验[M].北京：高等教育出版社，2005：125－130.

[7]吴咏华，沙振舜，孙大明，等.近代物理实验[M].合肥：安徽教育出版社，1987：105－109.