【正文】 讀出，讀數(shù)精度為1′。度盤下面還有使平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的微調(diào)螺絲，圖中未畫出。平臺(tái)的傾斜用x，y，z螺絲調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)軸的空間方位由基腳螺絲P，Q，V調(diào)節(jié)。棱鏡臺(tái)的放置須使PQ的連線與激光束方向平行，并在VO方向移動(dòng)，使棱鏡臺(tái)的轉(zhuǎn)軸與激光束相交。調(diào)棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)軸應(yīng)與放電管布儒斯特窗的入射面垂直，即分別使棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)軸與布儒斯特窗上的透射光線和反射光線垂直。用一塊平面鏡放置在棱鏡平臺(tái)上，鏡面與xy連線正交，使激光正入射在平面鏡上，調(diào)x或y螺絲使光束沿原路返回，將棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)180176。若反射光不與入射光重合，說明棱鏡臺(tái)的轉(zhuǎn)軸不垂直于激光束。分別調(diào)平臺(tái)上的螺絲x或y及轉(zhuǎn)臺(tái)的基腳螺絲P或Q各使反射光與入射光的差距減少一半，反復(fù)使棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)180176。，用上述方法調(diào)節(jié)，直至平面鏡的反射光追蹤從布儒斯特窗上的反射光落于遠(yuǎn)處某點(diǎn)的光斑（參考圖9，只把圖中的棱鏡改為平面鏡）。調(diào)棱鏡臺(tái)的基腳螺絲V使兩光斑重合。圖9 棱鏡調(diào)節(jié)示意ii) 色散棱鏡的調(diào)節(jié)棱鏡的調(diào)節(jié)如圖9所示，三棱鏡有兩個(gè)通光面，用N1，N2表示。兩通光面的夾角為棱鏡頂角A，另一界面為毛面，圖中用粗線表示。放置棱鏡要注意以下幾點(diǎn)：使入射界面N1與棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)軸o大致重合，以便在轉(zhuǎn)動(dòng)鏡臺(tái)時(shí)入射光點(diǎn)的位置基本不變；使入射光線靠近棱鏡頂角A，光線在棱鏡中的光程較短，可減少棱鏡材料吸收散射等損耗，但要防止光束從棱鏡頂角前漏過；使棱鏡界面與棱鏡平臺(tái)三個(gè)調(diào)節(jié)螺絲的連線基本垂直；由于反射鏡M3安裝在棱鏡平臺(tái)上，可移動(dòng)的范圍有限，放置棱鏡時(shí)要考慮出射光的方向與M3的方位相符。 調(diào)節(jié)棱鏡兩個(gè)通光面的法線，使之與棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)軸垂直。使N1面對準(zhǔn)激光束，調(diào)節(jié)與N1面有關(guān)的平臺(tái)螺絲x或y，使光束沿原路返回。再使N2面對準(zhǔn)激光束，只能選擇調(diào)第三個(gè)平臺(tái)螺絲z使光束沿原路返回。應(yīng)注意到調(diào)節(jié)螺絲x對N1，N2面都有影響，此螺絲一般不用。iii) 調(diào)M3鏡轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡臺(tái)，使M2輸出的光束以布儒斯特角入射到N1界面上，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可由棱鏡臺(tái)度盤讀出，也可從棱鏡界面反射光強(qiáng)最弱來判斷，角度確定后用棱鏡臺(tái)的固定螺絲鎖住。調(diào)整M3鏡臺(tái)的中部。在棱鏡頂角A的前方放置一個(gè)白紙屏，調(diào)節(jié)M3鏡架上兩個(gè)俯仰，水平螺絲，使光束沿原路返回。在調(diào)M3鏡的過程中，在白紙屏上可以看到從棱鏡的兩個(gè)側(cè)面上經(jīng)多次反射出的兩串光斑。當(dāng)兩串光斑各自重合于一點(diǎn)時(shí)，表明M3鏡準(zhǔn)確地使光束沿原路返回。取下輔助腔鏡M2，如果前面的調(diào)整步驟均達(dá)到要求，這時(shí)激光就可以在M1和M3之間振蕩。再細(xì)致調(diào)節(jié)M3鏡，使激光功率達(dá)到最強(qiáng)。轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡臺(tái)的微調(diào)螺絲，其它波長的激光就會(huì)相繼出現(xiàn)。 測量要求（1） 用單色儀測量多譜線激光器輸出的各條激光譜線的波長。（2） 找出各條激光譜線輸出功率與放電電流的關(guān)系，記下最大激光功率值及相應(yīng)的最佳電流值。（3） 棱鏡和反射鏡的搭配。表4提供了二種棱鏡及三組反射鏡適用的波長范圍。用玻璃棱鏡至少調(diào)出四條激光譜線是實(shí)驗(yàn)的基本要求。表4 棱鏡及反射鏡適用的波長范圍棱鏡材料反射鏡編號(hào)可調(diào)出的激光波長/ZF2玻璃1，26401，6352，6328，6294，6118熔石英3，46328，6118，6046，5943，5433熔石英5，67305，6328實(shí)驗(yàn)二 腔內(nèi)選頻單縱模HeNe激光器1. 引言氦氖激光器在光全息等研究領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，但由于普通的HeNe激光器在功率較高時(shí)（即增益管較長時(shí)）會(huì)出現(xiàn)多個(gè)縱模，不適用于一些要求激光單色性很強(qiáng)的干涉、計(jì)量的研究領(lǐng)域。通過腔內(nèi)選頻技術(shù)得到的單縱模HeNe激光器有著廣泛的應(yīng)用前景。2. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?） 了解HeNe激光器的基本結(jié)構(gòu)。2） 了解腔內(nèi)選頻單縱模激光器的原理。3） 了解HeNe激光器模競爭現(xiàn)象。4） 掌握基本的HeNe激光器的裝調(diào)方法。5） 了解共焦球面掃描干涉儀，了解其原理、性能，學(xué)會(huì)正確使用。6） 掌握腔內(nèi)選頻單縱模激光器的調(diào)整方法。3. 基本原理 HeNe單縱模激光器的實(shí)現(xiàn)方法制作輸出為單縱模的氦氖激光器有許多方法，一種是增高充氣氣壓，使碰撞增寬大于多普勒增寬，以使增益線型將是均勻增寬線型。對于在均勻增寬條件下工作的激光器，由于模的競爭，一般最終將只剩下單一縱模的振蕩。這是以犧牲最佳配氣條件為代價(jià)的，其輸出功率將比最佳配氣條件下的小得多；另一種方法是縮短激光管的腔長，如縮到10cm時(shí)，由于縱模間隔將達(dá)到1500MHz，在Ne原子的增益線寬（多普勒線寬）范圍內(nèi)，將只有一個(gè)縱模形成振蕩，從而可獲得單縱模的激光輸出。但這種激光器腔長較短，輸出功率較低，因而限制了它的應(yīng)用范圍。為了制造有相當(dāng)功率輸出的單縱模激光器，一種行之有效的方法是對長腔多縱模激光器進(jìn)行選模，改多縱模激光器為單縱模激光器。常用的選模方法有二：（1）法珀標(biāo)準(zhǔn)具插入腔內(nèi)選模，如圖1所示；設(shè)法珀標(biāo)準(zhǔn)具厚度為L，折射為n，其法線與光路夾角為θ，則只有頻率vm滿足： (1)的光，對法珀標(biāo)準(zhǔn)具有極高的透過率。（1）式中的m是正整數(shù)。法珀標(biāo)準(zhǔn)具透過率的線寬則決定于其細(xì)度?？蛇x用L足夠小的法珀標(biāo)準(zhǔn)具，使其自由光譜區(qū)稍大于多普勒線寬，一則便于調(diào)整法珀腔使vm落到多普勒線型中心頻率附近，并與腔頻vq符合；二則使當(dāng)vm處在多普勒線型內(nèi)時(shí)vm+vm1都處在多普勒線型圖1 法珀標(biāo)準(zhǔn)具法選模示意圖之外。對于法珀腔的細(xì)度則要求不高，只要其透過率線寬小于長腔的縱模間距即可。由于激光腔內(nèi)有這樣一個(gè)法珀標(biāo)準(zhǔn)具，將只允許增益的多普勒線型與諧振腔腔模線型及法珀腔透過率線型相乘的重疊積分不為零的一個(gè)縱模形成形成激光振蕩（2）腔內(nèi)加入短的FoxSmith腔選模，如圖3所示；圖2 FoxSmith（由M2，M4，M3構(gòu)成）選模裝置示意圖其中M1，M2，M3為全反鏡，M4為半透半反鏡。M2，M4，M3構(gòu)成了短的FoxSmith腔。當(dāng)M3未調(diào)諧時(shí)，由于半透半反鏡M4的存在，原系統(tǒng)的損耗，加M4造成的介質(zhì)吸收，散射損耗及反射損耗將大于增益管的小訊號(hào)增益系數(shù)。這時(shí)M1，M2雖然構(gòu)成諧振腔，也不會(huì)產(chǎn)生激光振蕩。當(dāng)調(diào)整M3，使得M3，M4，M2亦構(gòu)成諧振腔時(shí)，由于具有選頻特性的M3的正反饋光回路的存在，使與M2，M4，M3短的FoxSmith腔模相適的某一縱模的反射損耗變小。因此與此頻率相應(yīng)的增益系數(shù)將較大于損耗，從而產(chǎn)生激光振蕩。產(chǎn)生正反饋的頻率vp應(yīng)滿足： (2)其中P為正整數(shù)，LL2分別為M2到M4及M3到M4的距離。顯然只要L1+L2≤10cm，則在增益曲線的多普勒線型內(nèi)，將只有一個(gè)縱模產(chǎn)生振蕩（見圖4）。由上可知，用法珀標(biāo)準(zhǔn)具法選模，是系統(tǒng)內(nèi)具有濾波器特性的選模法。而FoxSmith腔選模法，則是先抑止各個(gè)縱模，使其處于稍低于臨界振蕩的狀態(tài)，然后加上具有選頻特性的正反饋回路，使某一個(gè)單縱模振蕩起來。兩種方法，異曲同工，都能達(dá)到變多縱模激光器為單縱模激光器的目的。但為了獲得最大功率輸出，兩種方法都應(yīng)配上伺服電路以便控制腔長，使腔模、選頻模有最好的符合，且處于多普勒增益線型的中心頻率處。并把腔鎖定在功率最大處。 通過比較分析，使用FP標(biāo)準(zhǔn)具選模，其腔內(nèi)損耗要小于FoxSmith腔選模；此外FP選模激光器腔片可以配用最佳透過率的鏡片作為輸出鏡，F(xiàn)osSmith腔則不能?；谏鲜鰞煞N考慮，我們選擇FP選模方法。 HeNe激光器縱模激光器的三個(gè)基本組成部分是增益介質(zhì)、諧振腔和激勵(lì)能源。如果用某種激勵(lì)方式,將介質(zhì)的某一對能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,由于自發(fā)輻射和受激輻射的作用,將有一定頻率的光波產(chǎn)生,在腔內(nèi)傳播,并被增益介質(zhì)逐漸增強(qiáng)、放大。被傳播的光波決不是單一頻率的（通常所謂某一波長的光，不過是光中心波長而已）。因能級(jí)有一定寬度，所以粒子在諧振腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)受多種因素的影響，實(shí)際激光器輸出的光譜寬度是自然增寬、碰撞增寬和多普勒增寬迭加而成。不同類型的激光器，工作條件不同，以上諸影響有主次之分。例如低氣壓、小功率的HeNe激光器6328譜線，則以多普勒增寬為主，增寬線型基本呈高斯函數(shù)分布，寬度約為1500MHz，只有頻率落在展寬范圍內(nèi)的光在介質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)將獲得不同程度的放大。但只有單程放大，還不足以產(chǎn)生激光，還需要有諧振腔對它進(jìn)行光學(xué)反饋，使光在多次往返傳播中形成穩(wěn)定持續(xù)的振蕩，才有激光輸出的可能。而形成持續(xù)振蕩的條件是，光在諧振腔中往返一周的光程差應(yīng)是波長的整數(shù)倍，即2μL＝qλq （6）這正是光波相干極大條件，滿足此條件的光將獲得極大增強(qiáng)，其它則相互抵消。式中，μ是折射率，對氣體μ≈1，L是腔長，q是正整數(shù)，每一個(gè)q對應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場分布λq，叫一個(gè)縱模，q稱作縱模序數(shù)。q是一個(gè)很大的數(shù)，通常我們不需要知道它的數(shù)值。而關(guān)心的是有幾個(gè)不同的q值，即激光器有幾個(gè)不同的縱模。從式（6）中，我們還可以看出，這也是駐波形成的條件，腔內(nèi)的縱模是以駐波形式存在的，q值反映的恰是駐波波腹的數(shù)目?？v模的頻率為 (7)同樣，一般我們不去求它，而關(guān)心的是相鄰兩個(gè)縱模的頻率間隔 (8)從式中看出，相鄰縱模頻率間隔和激光器腔長成反比。腔越長，Δν縱越小，滿足振蕩條件的縱模個(gè)數(shù)越多；相反腔越短，Δν縱越大，在同樣的增寬曲線范圍內(nèi)，縱模個(gè)數(shù)就越少，因而用縮短腔長的辦法是獲得單縱模運(yùn)行激光器的方法之一。以上我們得出縱模具有的特征是：相鄰縱模頻率間隔相等；對應(yīng)同一橫模的一組縱模，它們強(qiáng)度的頂點(diǎn)構(gòu)成了多普勒線型的輪廓線。圖二任何事物都具有兩重性，光波在腔內(nèi)往返振蕩時(shí)，一方面有增益，使光不斷增強(qiáng)，另一方面也存在著不可避免的多種損耗，使光能減弱。如介質(zhì)的吸收損耗、散射損耗、鏡面透射損耗和放電毛細(xì)管的衍射損耗等。所以不僅要滿足諧振條件，還需要增益大于各種損耗的總和，才能形成持續(xù)振蕩，有激光輸出。如圖一所示，圖中，增益線寬內(nèi)雖有五個(gè)縱模滿足諧振條件，但只有三個(gè)縱模的增益大于損耗，能有激光輸出。對于縱模的觀測，由于q值很大，相鄰縱模頻率差異很小，眼睛不能分辨，必須借用一定的檢測儀器才能觀測到。2．共焦球面掃描干涉儀結(jié)構(gòu)與原理圖五共焦球面掃描干涉儀是一種分辨率很高的分光儀器，已成為激光技術(shù)中一種重要的測量設(shè)備。實(shí)驗(yàn)中使用它，將彼此頻率差異甚?。◣资翈装費(fèi)Hz），用眼睛和一般光譜儀器不能分辨的，所有縱模、橫模展現(xiàn)成頻譜圖來進(jìn)行觀測的。它在本實(shí)驗(yàn)中起著不可替代的重要作用。共焦球面掃描干涉儀是一個(gè)無源諧振腔。由兩塊球形凹面反射鏡構(gòu)成共焦腔，即兩塊鏡的曲率半徑和腔長相等，R1＝R2＝l。反射鏡鍍有高反射膜。兩塊鏡中的一塊是固定不變的，另一塊固定在可隨外加電壓而變化的壓電陶瓷上。如圖四所示，圖中，①為由低膨脹系數(shù)制成的間隔圈，用以保持兩球形凹面反射鏡R1和R2總是處在共焦?fàn)顟B(tài)。②為壓電陶瓷環(huán)，其特性是若在環(huán)的內(nèi)外壁上加一定數(shù)值的電壓，環(huán)的長度將隨之發(fā)生變化，而且長度的變化量與外加電壓的幅度成線性關(guān)系，這正是掃描干涉儀被用來掃描的基本條件。由于長度的變化量很小，僅為波長數(shù)量級(jí)，它不足以改變腔的共焦?fàn)顟B(tài)。但是當(dāng)線性關(guān)系不好時(shí)，會(huì)給測量帶來一定的誤差。掃描干涉儀有兩個(gè)重要的性能參數(shù)，即自由光譜范圍和精細(xì)常數(shù)常要用到，以下分別對它們進(jìn)行討論。（1）自由光譜范圍圖六 掃頻干涉儀內(nèi)部光路圖當(dāng)一束激光以近光軸方向射入干涉儀后，在共焦腔中徑四次反射呈x形路徑，光程近似為4l，見圖五所示，光在腔內(nèi)每走一個(gè)周期都會(huì)有部分光從鏡面透射出去。如在A,B兩點(diǎn)，形成一束束透射光1，2，3...和1′,2′,3′...，這時(shí)我們在壓電陶瓷上加一線性電壓，當(dāng)外加電壓使腔長變化到某一長度la，正好使相鄰兩次透射光束的光程差是入射光中模的波長為λa的這條譜線的整數(shù)倍時(shí)，即4la＝kλa （11）此時(shí)模λa將產(chǎn)生相干極大透射，而其它波長的模則相互抵消（k為掃描干涉儀的干涉序數(shù)，是一個(gè)整數(shù)）。同理，外加電壓又可使腔長變化到lb，使模λb符合諧振條件，極大透射，而λa等其它模又相互抵消…。因此，透射極大的波長值和腔長值有一一對應(yīng)關(guān)系。只要有一定幅度的電壓來改變腔長，就可以使激光器全部不同波長（或頻率）的模依次產(chǎn)生相干極大透過，形成掃描。但值得注意的是，若入射光波長范圍超過某一限定時(shí)，外加電壓雖可使腔長線性變化，但一個(gè)確定的腔長有可能使幾個(gè)不同波長的模同時(shí)產(chǎn)生相干極大，造成重序。例如，當(dāng)腔長變化到可使λb極大時(shí)，λa會(huì)再次出現(xiàn)極大，有4ld＝kλd＝（k＋1）λa （12）即k序中的λd和k＋1序中的λa同時(shí)滿足極大條件，兩種不同的模被同時(shí)掃出，迭加在一起，因此掃描干涉儀本身存在一個(gè)不重序的波長范圍限制。所