【正文】 （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(gè)數(shù)，強(qiáng)度及穩(wěn)定性），有關(guān)掃描干涉儀的性能和使用方法請(qǐng)參看實(shí)驗(yàn)“HeNe激光器的模式分析”的有關(guān)章節(jié)。用M3鏡輸出的激光調(diào)節(jié)M2鏡，使光束沿原路返回。由幾何關(guān)系可得和，因此不難得到激光腔的實(shí)際幾何長(zhǎng)度 (35) 實(shí)驗(yàn)步驟（1） 先在腔鏡M1和M2之間調(diào)出633nm，并使輸出光強(qiáng)達(dá)到最大，調(diào)節(jié)方法參看“氦氖多譜線激光器”實(shí)驗(yàn)的有關(guān)章節(jié)。θb為布儒斯特角，圖中還給出光程和幾何程的關(guān)系。當(dāng)此調(diào)制頻率正好等于激光縱模頻率時(shí)，聲光調(diào)制器就能實(shí)現(xiàn)損耗調(diào)制。在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)量0級(jí)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(dòng)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。拉曼—奈斯0級(jí)衍射光強(qiáng)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(shí)，測(cè)量的結(jié)果通常反映的是光強(qiáng)的平均值。圖5 彈性駐波產(chǎn)生的衍射的頻移對(duì)0級(jí)衍射光束其強(qiáng)度正比于。各級(jí)衍射光的方向角θ由下式?jīng)Q定： (20) 式中的m為衍射級(jí)，m＝0,177。對(duì)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。本實(shí)驗(yàn)采用主動(dòng)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(qiáng)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(gè)縱模振動(dòng)可表示為 (15)從（15）式可知，除了頻率為的振動(dòng)外還產(chǎn)生了兩個(gè)邊頻振動(dòng)，頻率為。問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)使腔內(nèi)同時(shí)存在的N個(gè)縱模有相同的相位，這就要靠鎖模技術(shù)。（2） 在（7）式的分母趨于零時(shí)，可得光脈沖的峰值光強(qiáng) (9) 與（4）式比較，比自由振蕩時(shí)的平均光強(qiáng)大了N倍。一般在自由振蕩的激光器中，N個(gè)縱模初相位之間沒(méi)有固定的關(guān)系，彼此是隨機(jī)變化的。80年代后期利用碰撞鎖模技術(shù)可獲得持續(xù)時(shí)間短到飛秒（fs=1015S）量級(jí)的超短脈沖。（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。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(shí)連接著示波器的1通道。, 通過(guò)光柵方程可以驗(yàn)證激光器的波長(zhǎng)值?？梢宰C明當(dāng)距離大于時(shí)所測(cè)的全發(fā)散角與理論上的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角相比誤差僅在1%以內(nèi)。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(zhǎng)的變化量是/4的倍時(shí)，那么將會(huì)掃描出個(gè)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。只要有一定幅度的電壓來(lái)改變腔長(zhǎng)，就可以使激光器全部不同波長(zhǎng)（或頻率）的模依次產(chǎn)生相干極大透過(guò)，形成掃描。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(zhǎng)度將隨之發(fā)生變化，而且長(zhǎng)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(lái)掃描的基本條件。 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(cè)量設(shè)備。但激光器輸出光中橫模的強(qiáng)弱決不能僅從衍射損耗一個(gè)因素考慮，而是由多種因素共同決定的，這是在模式分析實(shí)驗(yàn)中，辨認(rèn)哪一個(gè)是高階橫模時(shí)易出錯(cuò)的地方。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(duì)應(yīng)不同的頻率，橫模序數(shù)越大，頻率越高。這是因?yàn)楣饷拷?jīng)過(guò)放電毛細(xì)管反饋一次，就相當(dāng)于一次衍射。即腔越長(zhǎng)，Δ縱越小，滿足振蕩條件的縱模個(gè)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(gè)數(shù)就越少，因而用縮短腔長(zhǎng)的辦法是獲得單縱模運(yùn)行激光器的方法之一。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。 圖一 上式表示衍射光柵所產(chǎn)生譜線的位置，這個(gè)重要的公式稱為光柵方程。7） 熟悉諧振腔的構(gòu)成，學(xué)會(huì)調(diào)整的方法，體會(huì)諧振腔調(diào)整之后一些激光參數(shù)的變化。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。思考題： 單縱膜激光器是使用FP標(biāo)準(zhǔn)具在強(qiáng)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(shí)驗(yàn)三 HeNe激光器諧振腔調(diào)整及外參數(shù)測(cè)量1. 引言雖然在1917年愛(ài)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(shí)驗(yàn)中觀察到。（5） 取下原先激光器輸出模片(M2)。接通放大器、鋸齒波發(fā)生器、示波器的開(kāi)關(guān)，觀察示波器上的展現(xiàn)的頻譜圖，進(jìn)一步細(xì)調(diào)干涉儀的兩個(gè)方位螺絲，使譜線盡量強(qiáng)，噪聲最小。另外，還可看出，. Δv條件后，如果外加電壓足夠大，可使腔長(zhǎng)的變化量是λ/4的i倍時(shí)，那么將會(huì)掃描出i個(gè)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。只要有一定幅度的電壓來(lái)改變腔長(zhǎng)，就可以使激光器全部不同波長(zhǎng)（或頻率）的模依次產(chǎn)生相干極大透過(guò)，形成掃描。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(zhǎng)度將隨之發(fā)生變化，而且長(zhǎng)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(lái)掃描的基本條件。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(cè)量設(shè)備。縱模的頻率為 (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(zhǎng)成反比。不同類型的激光器，工作條件不同，以上諸影響有主次之分。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(zhǎng)，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。這時(shí)M1，M2雖然構(gòu)成諧振腔，也不會(huì)產(chǎn)生激光振蕩。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(zhǎng)，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(duì)法珀標(biāo)準(zhǔn)具有極高的透過(guò)率。4） 掌握基本的HeNe激光器的裝調(diào)方法。（3） 棱鏡和反射鏡的搭配。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。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。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。若一開(kāi)始調(diào)A2激光功率不上升，應(yīng)改為逆時(shí)針微調(diào)A1，重復(fù)上述方法。用同樣的方法調(diào)節(jié)另一端反射鏡。 （2） 直腔激光器的調(diào)節(jié)方法直腔指腔內(nèi)沒(méi)有插入色散棱鏡的激光腔（如圖7(a)所示），調(diào)節(jié)時(shí)用到一種叫光靶的調(diào)整工具。WDG表示W(wǎng)DG30型光柵單色儀，用來(lái)鑒別激光波長(zhǎng)。M1，M2，M3為諧振腔反射鏡，分別裝在兩個(gè)調(diào)節(jié)自由度的鏡架上。16′16′55186。4′059186。55′，另一塊為重火石玻璃，棱鏡頂角為A＝61186。圖1 色散棱鏡的作用（1） 關(guān)于棱鏡材料與加工可見(jiàn)光波段HeNe激光譜線的增益是很小，每厘米約為103～105量級(jí)。 腔內(nèi)棱鏡在諧振腔中插入色散棱鏡P，如圖1所示。對(duì)于對(duì)稱腔，R1＝R2＝R，穩(wěn)定條件為(1L/R)21，則反射鏡的曲率半徑必須大于腔長(zhǎng)的一半。由于介質(zhì)的增益具有飽和特性，增益隨激光強(qiáng)度增加而減小。 光學(xué)與激光實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)講義華南師范大學(xué)信息光電子科技學(xué)院光學(xué)與激光實(shí)驗(yàn)?zāi)? 錄實(shí)驗(yàn)一 氦氖多譜線激光器 E3實(shí)驗(yàn)二 腔內(nèi)選頻單縱模HeNe激光器 E14實(shí)驗(yàn)三 HeNe激光器諧振腔調(diào)整及外參數(shù)測(cè)量 E23實(shí)驗(yàn)四 聲光調(diào)制鎖模激光器 E37實(shí)驗(yàn)一 氦氖多譜線激光器在增益管長(zhǎng)為1m的外腔式HeNe激光器中，用腔內(nèi)插入色散棱鏡選擇譜線的方法，在可見(jiàn)光區(qū)分別使氖原子的九條譜線產(chǎn)生激光振蕩。初始建立激光振蕩時(shí)增益大于損耗，隨著激光的增強(qiáng)而增益逐漸減小直到增益等于損耗時(shí)才有持續(xù)穩(wěn)定的振蕩。由于相對(duì)小的曲率半徑對(duì)應(yīng)相對(duì)大的發(fā)射角，通常反射鏡的曲率半徑選擇2～5倍腔長(zhǎng)。由于棱鏡分光作用，對(duì)不同波長(zhǎng)其偏向角不同，諧振腔只能對(duì)其中一條譜線滿足振蕩條件，而其它波長(zhǎng)由于偏離諧振腔光軸，損耗大于增益不能起振。在諧振腔內(nèi)插入色散棱鏡必然會(huì)增加腔內(nèi)損耗，因此在選擇棱鏡材料和加工時(shí)要盡可能減少損耗。52′，,633為出射角，各種波長(zhǎng)相應(yīng)的入射角θλ可用下式求得： （6）式中nλ表示相應(yīng)波長(zhǎng)的折射率，其數(shù)值是根據(jù)文獻(xiàn)【2】給出的特征波長(zhǎng)折射率，用內(nèi)插法求得。6′+2′59186。31′′55186。如圖4所示，圖中M表示裝在鏡架上的反射鏡，a，b為把鏡架支撐在基座上的彈簧螺絲，A，B，C為鏡架微調(diào)螺絲，一般不調(diào)C，調(diào)節(jié)A鈕時(shí)鏡片M以CB連線為水平軸作微小轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)B鈕時(shí)M以CA為垂直軸作微小轉(zhuǎn)動(dòng)。波長(zhǎng)精度為1，入縫處用毛玻璃減光，出縫處可用目鏡直接觀測(cè)。光靶的結(jié)構(gòu)是一個(gè)帶手柄的平面光屏，在屏的中部刻有十字線并有小燈照明。如果上述步驟操作準(zhǔn)確，激光就會(huì)出現(xiàn)。然后換調(diào)使腔鏡繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的螺絲B。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。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(guò)；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。在調(diào)M3鏡的過(guò)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。表4提供了二種棱鏡及三組反射鏡適用的波長(zhǎng)范圍。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。（1）式中的m是正整數(shù)。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。并把腔鎖定在功率最大處。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。腔越長(zhǎng)，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(zhǎng)的辦法是獲得單縱模運(yùn)行激光器的方法之一。實(shí)驗(yàn)中使用它，將彼此頻率差異甚小（幾十至幾百M(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(lái)進(jìn)行觀測(cè)的。由于長(zhǎng)度的變化量很小，僅為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，它不足以改變腔的共焦?fàn)顟B(tài)。但值得注意的是，若入射光波長(zhǎng)范圍超過(guò)某一限定時(shí)，外加電壓雖可使腔長(zhǎng)線性變化，但一個(gè)確定的腔長(zhǎng)有可能使幾個(gè)不同波長(zhǎng)的模同時(shí)產(chǎn)生相干極大，造成重序。圖七（2）精細(xì)常數(shù)精細(xì)常數(shù)F是用來(lái)表征掃描干涉儀分辨本領(lǐng)的參數(shù)。（3）改變鋸齒波輸出電壓的峰值，看示波器上干涉序的數(shù)目有何變化，確定示波器上應(yīng)展示的干涉序個(gè)數(shù)。新構(gòu)造的選頻激光器應(yīng)出光。直到1960年，第一臺(tái)紅寶石激光器才面世，他標(biāo)志了激光技術(shù)的誕生.相對(duì)于一般光源，激光束具有方向性好的特點(diǎn)，也就是說(shuō)，光能量在空間的分布高度集中在光的傳播方向上。HeNe激光器屬于氣體激光器，是繼紅寶石激光器后出現(xiàn)的第二種激光器，目前使用最為廣泛，因此有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)HeNe激光器作全面的了解。3. 基本原理 高斯光束的發(fā)散角激光器的光強(qiáng)分布為高斯函數(shù)型分布，故稱為高斯光束。稱為光柵常數(shù)，是衍射角，j是衍射級(jí)數(shù)，是光波長(zhǎng)。但只有單程放大，還不足以產(chǎn)生激光，還需要有諧振腔對(duì)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。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(duì)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。多次反復(fù)衍射，就在橫向的同一波腹處形成一個(gè)或多