【正文】 須使PQ的連線與激光束方向平行，并在VO方向移動，使棱鏡臺的轉(zhuǎn)軸與激光束相交。分別調(diào)平臺上的螺絲x或y及轉(zhuǎn)臺的基腳螺絲P或Q各使反射光與入射光的差距減少一半，反復(fù)使棱鏡臺轉(zhuǎn)動180176。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。再使N2面對準(zhǔn)激光束，只能選擇調(diào)第三個平臺螺絲z使光束沿原路返回。在棱鏡頂角A的前方放置一個白紙屏，調(diào)節(jié)M3鏡架上兩個俯仰，水平螺絲，使光束沿原路返回。再細(xì)致調(diào)節(jié)M3鏡，使激光功率達(dá)到最強。（3） 棱鏡和反射鏡的搭配。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。4） 掌握基本的HeNe激光器的裝調(diào)方法。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。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。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。這時M1，M2雖然構(gòu)成諧振腔，也不會產(chǎn)生激光振蕩。顯然只要L1+L2≤10cm，則在增益曲線的多普勒線型內(nèi)，將只有一個縱模產(chǎn)生振蕩（見圖4）。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。 HeNe激光器縱模激光器的三個基本組成部分是增益介質(zhì)、諧振腔和激勵能源。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，對氣體μ≈1，L是腔長，q是正整數(shù)，每一個q對應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場分布λq，叫一個縱模，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。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。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。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。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。（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)每走一個周期都會有部分光從鏡面透射出去。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。假如上例中l(wèi)d為剛剛重序的起點，則λdλa即為此干涉儀的自由光譜范圍值。另外，還可看出，. Δv條件后，如果外加電壓足夠大，可使腔長的變化量是λ/4的i倍時，那么將會掃描出i個干涉序，激光器的所以模將周期性地重復(fù)出現(xiàn)在干涉序k，k＋1，...，k＋i中，如圖六所示。因此精細(xì)常數(shù)的實際值應(yīng)由實驗來確定，根據(jù)精細(xì)常數(shù)的定義顯然，就是干涉儀所能分辨出的最小波長差，我們用儀器的半寬度代替，實驗中就是一個模的半值寬度。接通放大器、鋸齒波發(fā)生器、示波器的開關(guān)，觀察示波器上的展現(xiàn)的頻譜圖，進一步細(xì)調(diào)干涉儀的兩個方位螺絲，使譜線盡量強，噪聲最小。（2） 在標(biāo)準(zhǔn)具外側(cè)加入激光器輸出腔片（M3）支架。（5） 取下原先激光器輸出模片(M2)。（7） 調(diào)整FP標(biāo)準(zhǔn)具的俯仰位置，同時觀察輸出縱膜。思考題： 單縱膜激光器是使用FP標(biāo)準(zhǔn)具在強內(nèi)選擇輸出1條激光縱膜，為什么W單縱膜≠W總/N縱膜數(shù)？ 影響激光器穩(wěn)定的因素有哪些？用何種方法得到功率、頻率穩(wěn)定性更高的單頻激光器？實驗三 HeNe激光器諧振腔調(diào)整及外參數(shù)測量1. 引言雖然在1917年愛因斯坦就預(yù)言了收激輻射的存在，但在一般熱平衡情況下，物質(zhì)的受激輻射總是被收激吸收所掩蓋，未能在實驗中觀察到。相對于一般光源，激光還有單色性好的特點，也就是說，它可以具有非常窄的譜線寬度。按工作物質(zhì)的類型不同，激光器可以分成四大類：固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。3） 了解全外腔HeNe激光器的偏振態(tài)。7） 熟悉諧振腔的構(gòu)成，學(xué)會調(diào)整的方法，體會諧振腔調(diào)整之后一些激光參數(shù)的變化。在z＝0→z＝這段范圍內(nèi)，全發(fā)散角變化較慢，我們稱為準(zhǔn)直距離， (2)在zzr,全發(fā)散角變化加快,當(dāng)z→∞, 2θ變?yōu)槌?shù),我們將此處的全發(fā)散角稱為遠(yuǎn)場發(fā)散角,有 (3)不難看出,遠(yuǎn)場發(fā)散角實際是以光斑尺寸為軌跡的兩條雙曲線的漸近線間的夾角。光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等。 圖一 上式表示衍射光柵所產(chǎn)生譜線的位置，這個重要的公式稱為光柵方程。如果用某種激勵方式,將介質(zhì)的某一對能級間形成粒子數(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、放大。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，光強將獲得不同程度的放大。q是一個很大的數(shù)，通常我們不需要知道它的數(shù)值。即腔越長，Δ縱越小，滿足振蕩條件的縱模個數(shù)越多；相反腔越短，Δ縱越大，在同樣的增寬曲線范圍內(nèi)，縱模個數(shù)就越少，因而用縮短腔長的辦法是獲得單縱模運行激光器的方法之一。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。這是因為光每經(jīng)過放電毛細(xì)管反饋一次，就相當(dāng)于一次衍射。圖三總之，任何一個模，既是縱模，又是橫模。那么同一縱模序數(shù)內(nèi)的不同橫模又如何呢？同樣，不同橫模也對應(yīng)不同的頻率，橫模序數(shù)越大，頻率越高。當(dāng)腔長等于曲率半徑時（L＝＝，即共焦腔），分?jǐn)?shù)值達(dá)到極大，即相鄰兩個橫模的橫模間隔是縱模間隔的1/2，橫模序數(shù)相差為2的譜線頻率正好與縱模序數(shù)相差為1的譜線頻率簡并。但激光器輸出光中橫模的強弱決不能僅從衍射損耗一個因素考慮，而是由多種因素共同決定的，這是在模式分析實驗中，辨認(rèn)哪一個是高階橫模時易出錯的地方。當(dāng)我們對光斑進行觀察時，看到的應(yīng)是它全部橫模的迭加圖（即上圖中一個或幾個單一態(tài)圖形的組合）。 共焦球面掃描干涉儀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。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，＝＝l。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。（1）自由光譜范圍圖六當(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4，見圖五所示，光在腔內(nèi)每走一個周期都會有部分光從鏡面透射出去。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。假如上例中為剛剛重序的起點，則即為此干涉儀的自由光譜范圍值。另外，還可看出，當(dāng)滿足Δ Δ條件后，如果外加電壓足夠大，可使腔長的變化量是/4的倍時，那么將會掃描出個干涉序，激光器的所有模將周期性地重復(fù)出現(xiàn)在干涉序，＋1，...，中，如圖六所示。因此精細(xì)常數(shù)的實際值應(yīng)由實驗來確定，根據(jù)精細(xì)常數(shù)的定義顯然，就是干涉儀所能分辨出的最小波長差，我們用儀器的半寬度代替，實驗中就是一個模的半值寬度。可以證明當(dāng)距離大于時所測的全發(fā)散角與理論上的遠(yuǎn)場發(fā)散角相比誤差僅在1%以內(nèi)。（4）在處用小孔和光功率計同樣測繪光強/位移曲線，并算出光斑直徑。, 通過光柵方程可以驗證激光器的波長值。 HeNe激光器模式分析 （1）分析HN250標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)腔激光器的模式（標(biāo)準(zhǔn)模，定量計算）。將鋸齒波發(fā)生器的電壓輸出端與共焦掃描干涉儀的兩極相連，同時連接著示波器的1通道。（6）在同一干涉序內(nèi)觀測，根據(jù)縱模定義對照頻譜特征，確定縱模的個數(shù)，并測出縱模頻率間隔Δ。（8）將可調(diào)外腔激光器替換HN250標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)腔激光器放入光路中，重復(fù)（2）（6）步。 HeNe外腔激光器諧振腔調(diào)整分別調(diào)整腔內(nèi)的光闌開口大?。ü軓剑瓷淠て嚯x（腔長），膜片俯仰傾斜程度，體會出光功率、光斑圖案（橫模式花樣）等激光參數(shù)的變化。80年代后期利用碰撞鎖模技術(shù)可獲得持續(xù)時間短到飛秒（fs=1015S）量級的超短脈沖。（3） 觀察腔長變化及調(diào)制深度對輸出光脈沖的影響。一般在自由振蕩的激光器中，N個縱模初相位之間沒有固定的關(guān)系，彼此是隨機變化的。為了簡便，令（3）式的，并有En=E0，可得 (5)其光強為 (6)把（6）式與（4）式比較可知，但各縱模的相位同步以后，原來是連續(xù)輸出的光強變成了隨時間和空間變化的光強。（2） 在（7）式的分母趨于零時，可得光脈沖的峰值光強 (9) 與（4）式比較，比自由振蕩時的平均光強大了N倍。（2） 輸出光脈沖的峰值強度為 (13) 式中的g為激光腔鏡的透射率。問題是如何實現(xiàn)使腔內(nèi)同時存在的N個縱模有相同的相位，這就要靠鎖模技術(shù)。有的在激光腔內(nèi)放置調(diào)制元件，對光波進行調(diào)幅或調(diào)相。本實驗采用主動鎖模的調(diào)幅技術(shù)，在激光腔內(nèi)插入損耗調(diào)制器，使激光縱模強度在腔內(nèi)受到周期性的損耗調(diào)制，假設(shè)損耗調(diào)制的函數(shù)形式為 (14)為調(diào)制頻率，受到損耗調(diào)制的第q個縱模振動可表示為 (15)從（15）式可知，除了頻率為的振動外還產(chǎn)生了兩個邊頻振動，頻率為。還可以從時域的角度看，因損耗調(diào)制的周期與光在腔內(nèi)往返一次的時間相同，當(dāng)調(diào)制器損耗為零時通過調(diào)制器的光波，在腔內(nèi)往返一周回到調(diào)制器時仍是損耗為零，光波從介質(zhì)中得到的增益大于腔內(nèi)的損耗時，這部分光波就會得到不斷增強直到飽和穩(wěn)定。對各向同性介質(zhì)應(yīng)變引起的折射率變化也是各向同性的，聲光效應(yīng)不隨聲波和光波的傳播方向不同而改變。折射率的變化可寫成 (18)其中， (19)μ為折射率變化的振幅。各級衍射光的方向角θ由下式?jīng)Q定： (20) 式中的m為衍射級，m＝0,177。ω為入射光的圓頻率，各級衍射光為單色光，其圓頻率變?yōu)棣豰Ω。圖5 彈性駐波產(chǎn)生的衍射的頻移對0級衍射光束其強度正比于。θB為布拉格角，布拉格衍射只有0級和177。拉曼—奈斯0級衍射光強的一般光電接收器的光電轉(zhuǎn)換效率是受到頻率限制的，當(dāng)接收器的響應(yīng)頻率大大低于調(diào)制頻率時，測量的結(jié)果通常反映的是光強的平均值。將（19）和（31）兩式依次代入（22）式可得 (32)式中稱為聲光優(yōu)值。在實驗中通過測量0級平均衍射效率可以求得調(diào)制度的大小，再由圖7可以得到相應(yīng)的聲功率，從調(diào)制器的驅(qū)動電源上可讀出電功率的大小，從而可以得到電聲功率的轉(zhuǎn)換效率ηs。②是鍵合層，作用是把壓電層的機械振動耦合到聲光介質(zhì)中去形成超聲波。當(dāng)此調(diào)制頻率正好等于激光縱模頻率時，聲光調(diào)制器就能實現(xiàn)損耗調(diào)制。三、 實驗裝置及內(nèi)容 實驗裝置實驗裝置如圖9所示。θb為布儒斯特角，圖中還給出光程和幾何程的關(guān)系。圖11給出激光管窗片的光程和幾何程的關(guān)系。由幾何關(guān)系可得和，因此不難得到激光腔的實際幾何長度 (35) 實驗步驟（1） 先在腔鏡M1和M2之間調(diào)出633nm，并使輸出光強達(dá)到最大，調(diào)節(jié)方法參看“氦氖多譜線激光器”實驗的有關(guān)章節(jié)。1級、177。用M3鏡輸出的激光調(diào)節(jié)M2鏡，使光束沿原路返回。（5） 在調(diào)制器上加上適當(dāng)?shù)碾姽β?，通常激光功率會下降，再?xì)調(diào)M1，M2鏡架上的螺絲，盡可能使激光功率增強，如果腔長合適，這時激光腔內(nèi)可能已形成了鎖模振蕩。（2） 用掃描干涉儀觀察激光器輸出縱模頻譜，并比較鎖模前后頻譜的變化（縱模個數(shù)，強度及穩(wěn)定性），有關(guān)掃描干涉儀的性能和使用方法請參看實驗“HeNe激光器的模式分析”的