【正文】 調(diào)整（1） 諧振腔的調(diào)整偏差諧振腔的調(diào)整要使腔的光軸與放電毛細(xì)管的管軸基本重合，其偏差直接影響激光功率的大小。反射率取決于譜線增益及對(duì)輸出功率的要求，％的鏡片，適用于波長(zhǎng)大于6118的譜線，對(duì)波長(zhǎng)最短的三條譜線，％，尤其是5433譜線增益最低，對(duì)調(diào)節(jié)精度的要求也是最高的。圖4 反射鏡調(diào)節(jié)架M1，M2組成輔助腔，M1為凹面全反射鏡，曲率半徑一般選擇2～3m，M2為平面鏡，反射率要求不嚴(yán)格，一般大于97％。54′22′二、 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，圖中Las是氦氖氣體放電管，增益區(qū)長(zhǎng)1m，氦氖比例為5:1，總氣壓為250Pa，放電管兩端封窗為熔石英材料。32′′′0′′55186。6′表3 熔石英棱鏡激光波長(zhǎng)與入射角關(guān)系（A＝68186。17′+13′59186。29′59186。兩塊棱鏡的數(shù)據(jù)分別由表2和表3給出。從圖中光線的幾何關(guān)系可知棱鏡頂角A應(yīng)滿足 （5）式中為棱鏡材料內(nèi)的布儒斯特角，n0為棱鏡所用波段中心波長(zhǎng)的折射率。棱鏡材料要求透明度高，色散大，熔石英的透明度很好，但色散不理想，可用在增益小而譜線間隔相對(duì)大的短波長(zhǎng)區(qū)。用半棱鏡優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)元件損耗小，缺點(diǎn)是棱鏡的角色散和角分辨減小了一半。若要改變振蕩譜線，需把棱鏡和諧振腔調(diào)準(zhǔn)到使該譜線滿足振蕩條件的位置。％的高質(zhì)量介質(zhì)膜，使低增益激光譜線實(shí)現(xiàn)振蕩成為可能。 激光振蕩條件建立激光振蕩必須滿足光在增益介質(zhì)中來(lái)回運(yùn)行一次得到的增益足以補(bǔ)償運(yùn)行中的損耗，用公式表示為 （2）式中r1和r2分別為諧振腔兩鏡片上的反射率，La為增益介質(zhì)長(zhǎng)度，G為建立穩(wěn)定激光時(shí)介質(zhì)單位長(zhǎng)度的增益，叫閾值增益系數(shù)。表1 HeNe 3S22Pi譜線的小信號(hào)增益系數(shù)躍遷能級(jí)激光波長(zhǎng)小信號(hào)增益系數(shù)G0/cm1相對(duì)增益系數(shù)3S22P11053S22P23S22P33S22P41043S22P53S22P61043S22P71053S22P81053S22P10105 諧振腔的穩(wěn)定條件激光器的諧振腔是由兩塊相距為L(zhǎng)，曲率半徑分別為球面的反射鏡組成。穩(wěn)定振蕩時(shí)的增益叫閾值增益，初始的增益叫小信號(hào)增益。對(duì)諧振腔而言腔長(zhǎng)要滿足頻率的駐波條件，諧振腔鏡的曲率半徑要滿足腔的穩(wěn)定條件。實(shí)驗(yàn)要求掌握HeNe多譜線激光線器的工作原理及腔型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；學(xué)習(xí)外腔式激光器及腔內(nèi)帶棱鏡激光器的調(diào)節(jié)方法；測(cè)量各條激光譜線的波長(zhǎng)；找出各條譜線的最佳放電電流及測(cè)量最大輸出功率。一、 實(shí)驗(yàn)原理一臺(tái)激光器除激勵(lì)電流外主要由兩部分組成，一是增益介質(zhì)；二是諧振腔?？傊坏膿p耗必須小于介質(zhì)的增益，才能建立激光振蕩。小信號(hào)增益與閾值增益之差越大，腔內(nèi)的激光強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)小信號(hào)增益很低的激光譜線是否能獲得激光振蕩，關(guān)鍵在于諧振腔的損耗能降低到什么程度。要使腔內(nèi)近軸傳播的光線多次來(lái)回反射不會(huì)逸出腔外，腔鏡的曲率半徑級(jí)腔長(zhǎng)必須滿足 （1）對(duì)平凹腔來(lái)說(shuō)，若R2＝∞，穩(wěn)定條件為0(1L/R1)1，則凹面鏡的曲率半徑必須大于腔長(zhǎng)。aa為增益介質(zhì)內(nèi)的損耗，包括衍射損耗。介質(zhì)膜反射率帶寬（即波長(zhǎng)范圍）通常為1000左右，實(shí)驗(yàn)中涉及的九條激光譜線覆蓋的波長(zhǎng)范圍約2000，需使用兩種或三種不同波長(zhǎng)范圍的反射膜片。棱鏡調(diào)諧波長(zhǎng)的方式基本上有兩種，一種是棱鏡的入射角不變，不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同出射角，調(diào)諧波長(zhǎng)時(shí)，棱鏡保持不動(dòng)，只改變諧振腔反射鏡的方位，使相應(yīng)波長(zhǎng)的光束沿原路返回實(shí)現(xiàn)振蕩。本實(shí)驗(yàn)采用第二種方式的全棱鏡結(jié)構(gòu)。重火石玻璃在可見(jiàn)光區(qū)吸收比熔石英大好幾倍，但色散也比熔石英大幾倍。實(shí)驗(yàn)中提供了兩塊棱鏡供選用，一塊為熔石英，棱鏡頂角為A＝68186。圖2 棱鏡光路表2 重火石玻璃棱鏡激光波長(zhǎng)與入射角的關(guān)系（A＝61186。0′4′′′59186。20′+16′59186。55′）波長(zhǎng)折射率nλ入射角θλ入射角改變量55186。37′5′55186。圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意P為色散棱鏡，SP為棱鏡轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)的最小分度為1′。首先在M1和M2之間調(diào)出6328激光，為調(diào)整棱鏡P和反射鏡M3提供準(zhǔn)直光線。W表示激光功率計(jì)，最小量程10μW，最大量程50mW。為了便于分析，把諧振腔的調(diào)整偏差分解為平行度偏差δ1和垂直度偏差δ2兩部分。如果腔鏡的調(diào)節(jié)感量（或精度）比允許的垂直度偏差小，當(dāng)激光器調(diào)出激光后，還可以經(jīng)過(guò)精心的調(diào)節(jié)使垂直度偏差減小，從而使激光功率增強(qiáng)。如果小孔處在毛細(xì)管軸線附近，在毛細(xì)管的截面內(nèi)還應(yīng)看見(jiàn)一個(gè)更亮的只有針尖大的亮點(diǎn)，這就是放電毛細(xì)管的軸心。這時(shí)反射鏡的法線與放電管軸線重合。仍無(wú)效時(shí)可如下操作，來(lái)回微調(diào)A鈕使十字線沿毛細(xì)管軸心上下掃描，當(dāng)兩鏡片接近時(shí)可觀察到軸心亮點(diǎn)變亮，把A鈕固定在使軸心最亮的位置上，用同樣的方法調(diào)B鈕。使δ2減小的方法如下：設(shè)M1，M2鏡架上的調(diào)節(jié)螺絲分別為A1，B1和A2，B2，假設(shè)先調(diào)使腔鏡繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰螺絲A，令A(yù)1為主動(dòng)，則A2為隨動(dòng)，若順時(shí)針?lè)较蛭⒄{(diào)A1，使激光功率下降少許（不超過(guò)十分之一），再調(diào)A2，若激光功率上升說(shuō)明順時(shí)針?lè)较蛭⒄{(diào)A1是正確的，以上步驟可以繼續(xù)操作，直到調(diào)A2時(shí)激光功率不再上升。（3） 帶色散棱鏡的激光腔調(diào)節(jié)方法如圖3所示，現(xiàn)在M1和M2之間調(diào)出激光并使輸出激光達(dá)到最強(qiáng)，再按以下要求操作：i) 棱鏡臺(tái)的調(diào)整圖8 棱鏡轉(zhuǎn)臺(tái)示意棱鏡臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，這是利用小型分光計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)改裝的，若自行設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用正交調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)軸的空間方位由基腳螺絲P，Q，V調(diào)節(jié)。若反射光不與入射光重合，說(shuō)明棱鏡臺(tái)的轉(zhuǎn)軸不垂直于激光束。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。使N1面對(duì)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。調(diào)整M3鏡臺(tái)的中部。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。（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。表4 棱鏡及反射鏡適用的波長(zhǎng)范圍棱鏡材料反射鏡編號(hào)可調(diào)出的激光波長(zhǎng)/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(zhǎng)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。3） 了解HeNe激光器模競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。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。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(duì)長(zhǎng)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。可選用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。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)。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。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。基于上述兩種考慮，我們選擇FP選模方法。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。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(zhǎng)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。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。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。對(duì)于縱模的觀測(cè)，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(cè)儀器才能觀測(cè)到。共焦球面掃描干涉儀是一個(gè)無(wú)源諧振腔。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)。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(duì)它們進(jìn)行討論。因此，透射極大的波長(zhǎng)值和腔長(zhǎng)值有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。所謂自由光譜范圍（.）就是指掃描干涉儀所能掃出的不重序的最大波長(zhǎng)差或頻率差。因?yàn)楣庠诠步骨粌?nèi)呈x型，四倍路程的光程差正好等于λ，干涉序數(shù)改變1。精細(xì)常數(shù)的理論公式為 (16)R為凹面鏡的反射率，從（16）式看，F(xiàn)只與鏡片的反射率有關(guān)，實(shí)際上還與共焦腔的調(diào)整精度、鏡片加工精度、干涉儀的入射和出射光孔的大小及使用時(shí)的準(zhǔn)直精度等因素有關(guān)。（2）將放大器的接收部位對(duì)準(zhǔn)掃描干涉儀的輸出端。 使用FP標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)行腔內(nèi)選頻（1） 在之前調(diào)整好的激光器外加入FP標(biāo)準(zhǔn)具支架。檢驗(yàn)方法：發(fā)射光與原光束發(fā)生干涉，激光出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。（6） 調(diào)整新構(gòu)造的選頻激光器輸出腔鏡(M3)，使其輸出功率最大。（9） 計(jì)算選膜輸出效率。如由球面鏡構(gòu)成諧振腔產(chǎn)生的激光束，既不是均勻的平面波，也不是均勻的球面波，在它的橫截面上，光強(qiáng)是以高斯函數(shù)分布的，故稱作高斯光束。當(dāng)從與光輸出的方向平行（縱向）和垂直（橫向）兩個(gè)不同的角度去觀測(cè)和分析每個(gè)模時(shí)，發(fā)現(xiàn)又分別具有許多不同的特征，因此，為方便稱呼，每個(gè)模又可以相應(yīng)稱做縱模和橫模。2） 了解激光器模的形成及特點(diǎn)，加深對(duì)其物理概念的理解。6） 對(duì)實(shí)驗(yàn)中使用的重要分光儀器——共焦球面掃描干涉儀，了解其原理、性能，學(xué)會(huì)正確使用。顯然，在z＝0處，2θ＝0，當(dāng)z增大，2θ增加。 光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。對(duì)某波長(zhǎng)，在大多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，這些方向確定了衍射級(jí)次。 HeNe激光器的模式分析激光器的三個(gè)基本組成部分是增益介質(zhì)、諧振腔和激勵(lì)能源。不同類型的激光器，工作條件不同，以上諸影響有主次之分。式中，μ是折射率，對(duì)氣體μ≈1，L是腔長(zhǎng)，q是正整數(shù)，每一個(gè)q對(duì)應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布λq，叫一個(gè)縱模，q稱作縱模序數(shù)?？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的腔長(zhǎng)成反比。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。諧振腔對(duì)光多次反饋，在縱向形成不同的場(chǎng)分布，那么對(duì)橫向是否也會(huì)產(chǎn)生影響呢？答案是肯定的。我們所看到的復(fù)雜的光斑則是這些基本光斑的迭加，下圖是幾種常見(jiàn)的基本橫模光斑圖樣。前面已知，不同的縱模對(duì)應(yīng)不同的頻率。腔長(zhǎng)與曲率半徑的比值越大，分?jǐn)?shù)值越大。橫模序數(shù)越高的，衍射損耗越大，形成振蕩越困難。但階數(shù)m和n的數(shù)值僅從頻譜圖上是不能確定的，因?yàn)轭l譜圖上只能看到有幾個(gè)不同的（m＋n）值，及可以測(cè)出它們間的差值Δ（m＋n），然而不同的m或n可對(duì)應(yīng)相同的（m＋n）值，相同的（m＋n）在頻譜圖上又處在相同的位置，因此要確定m和n各是多少，還需要結(jié)合激光輸出的光斑圖形加以分析才行。綜上所述，模式分析的內(nèi)容，就是要測(cè)量和分析出激光器所具有的縱模個(gè)數(shù)，縱模頻率間隔值，橫模個(gè)數(shù)，橫模頻率間隔值，每個(gè)橫模的m和n的階數(shù)及對(duì)應(yīng)的光斑圖形。共焦球面掃描干涉儀是一個(gè)無(wú)源諧振腔。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和總是處在共焦?fàn)顟B(tài)。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(duì)它們進(jìn)行討論。因此，透射極大的波長(zhǎng)值和腔長(zhǎng)值有一一