【正文】 個穩(wěn)定的干涉光斑。通常我們也不需要求出橫模頻率，關(guān)心的是具有幾個不同的橫模及不同的縱模間的頻率差，經(jīng)推導(dǎo)得 (9)其中，Δm，Δn分別表示x，y方向上橫模模序數(shù)差，為諧振腔的兩個反射鏡的曲率半徑。因僅從光的強弱來判斷橫模階數(shù)的高低，即認(rèn)為光最強的譜線一定是基橫模，這是不對的，而應(yīng)根據(jù)高階橫模具有高頻率來確定。實驗中使用它，將彼此頻率差異甚?。◣资翈装費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)成頻譜圖來進行觀測的。由于長度的變化量很小，僅為波長數(shù)量級，它不足以改變腔的共焦?fàn)顟B(tài)。但值得注意的是，若入射光波長范圍超過某一限定時，外加電壓雖可使腔長線性變化，但一個確定的腔長有可能使幾個不同波長的模同時產(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)是用來表征掃描干涉儀分辨本領(lǐng)的參數(shù)。（1）將HN250內(nèi)腔激光器固定于導(dǎo)軌一側(cè)（如圖八所示），調(diào)整激光管夾持器使激光束與桌面平行，在導(dǎo)軌一端放置一反射鏡來延長光路，并且使反射光束沿導(dǎo)軌中心傳播。（1） 在HN激光器輸出前方放置一片一維光柵，這樣在光柵后面可觀察到衍射圖樣，放置一白屏或硬紙板，量取光柵到屏的距離和屏上零級和一級的距離。打開鋸齒波發(fā)生器、示波器的開關(guān)，同時觀察示波器的兩個通道，分別展現(xiàn)出鋸齒波型和掃出的頻譜圖，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。根據(jù)公式（10），計算相鄰橫模的頻率間隔，在示波器上辨認(rèn)此時的橫模狀態(tài)。極強的超短脈沖光源大大促進了非線性光學(xué)，時間分辨激光光譜學(xué)、等離子體物理等學(xué)科的發(fā)展。在比縱模振蕩周期大得多的時間內(nèi)根據(jù)（3）式對光強求平均，并假設(shè)各縱模振幅相等即En=E0可得 (4)激光總強度正比于各縱模強度之和。（3） 光脈沖的寬度為 (10)是脈沖周期T的1/N，鎖住的縱模個數(shù)越多，鎖模脈寬就越窄，把（2）式代入（10）式，得 (11)鎖模脈寬與增益線寬成反比，增益線寬越寬，參與相干疊加的縱模個數(shù)越多，脈寬就越窄。激光鎖模的方法有多種。當(dāng)?shù)扔诳v模頻率間隔時，邊頻頻率正好與的縱模頻率一致。本實驗中聲光介質(zhì)用的是熔石英，所以這里只討論各向同性的情況。1, 177。由于J0是偶函數(shù)，所以其光強將受到2Ω頻率的調(diào)制?？杀硎緸? (27)在ξ不很大的范圍內(nèi)（ξ2rad），0級衍射光強的平均值可近似表示為 (28)則0級衍射光強的調(diào)制度可近似表示為 (29) (30)定義為0級衍射光強的平均衍射效率。 (33)Pe為加在換能器上的電功率。對于輸出波長為633nm的HeNe激光器，其增益系數(shù)不大，每米約為10％左右，若腔內(nèi)損耗大于增益時，激光將不能產(chǎn)生振蕩。圖10 調(diào)制器光路 圖11 激光管窗片光路聲光優(yōu)值M2＝1015s3/kg，超聲頻率Ω/2π＝，波長Λ＝，特征長度l039mm，本實驗用的聲光器件長度偏長，在正入射時仍有多級對稱衍射出現(xiàn)。（2） 用M3鏡輸出的激光束調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器的方位，使光束以布儒斯特角入射并通過聲光介質(zhì)的中部。這時在M2鏡上能看到光斑增強并伴有強度閃爍變化。圖12給出在本實驗裝置中實現(xiàn)鎖模后，用掃描干涉儀系統(tǒng)獲得的激光鎖模頻率譜，鎖住約30個縱模。測量脈沖周期及脈沖寬度，并與理論做比較，分析誤差原因。（4） 使調(diào)制器上的電功率降到0，按幾何腔長Lˊ放置M1和M2鏡，并使M2鏡盡量靠近聲光調(diào)制器。已知θa+θˊb=π/2。為了減小調(diào)制器在腔內(nèi)的插入損耗，聲光介質(zhì)的入射和出射界面加工成布儒斯特角的形狀，如圖10所示。光束通過聲駐波介質(zhì)的衍射，其0級衍射光強將獲得二倍于外加電源驅(qū)動頻率的調(diào)制。由圖可知聲功率不大時，調(diào)制度與聲功率近似線性關(guān)系。 駐波型聲光器件衍射光強的調(diào)制度 駐波型聲光器件的各級衍射光強是受到調(diào)制的，我們定義光強的調(diào)制度M為 (26)Imax為調(diào)制光中光強的極大值，Imin為光強的極小值，除0級以外各種衍射光強的調(diào)制度均為1。圖3 彈性行波產(chǎn)生衍射的頻移 圖4拉曼—奈斯衍射光強與聲致相移的關(guān)系 當(dāng)聲波在介質(zhì)中以駐波方式傳播時，折射率的變化有如下形式 (23)各級衍射光波由下式表示 (24)為第m級貝塞爾函數(shù)，是第m級衍射光波的振幅，它受到了的調(diào)制，所以各級衍射光不再是單色光，而是含有多種頻率成分的合成光，各級衍射光的頻率成分如圖5所示。圖2 聲光衍射（1） 拉曼—奈斯衍射為了簡便，讓入射光垂直于聲波傳播方向，且沿通光方向的聲光作用區(qū)l較短，并有l(wèi)l0/2，（l0＝稱為特征長度），就會產(chǎn)生對稱于零級的多級衍射，這就是拉曼—奈斯衍射。各向異性晶體折射率隨晶體內(nèi)的方向不同而異，因此聲光效應(yīng)將隨聲波和光波在晶體中傳播方向不同而異，折射率的變化和應(yīng)變需用張量表示。另一種是調(diào)制頻率的調(diào)頻鎖模，簡稱FM。以上描述的是鎖模激光的特性。（7）式有一下特點：（1） N個有相同頻率間隔的同步等幅振蕩，可使激光光強變成隨時間變化的脈沖序列，脈沖的周期T為 (8) T是光脈沖在腔內(nèi)來回傳播一次所需的時間。相鄰縱模的圓頻率差為 (1)其中c為光速，L為腔長，若激光介質(zhì)的增益線寬為ΔωG，則激光器腔內(nèi)就會有N個縱模存在： (2)在腔內(nèi)N個縱模的總光場可表示為 (3)式中ω0為增益線寬中心處的縱模頻率。實驗四 聲光調(diào)制鎖模激光器在激光器中利用鎖模技術(shù)可得到持續(xù)時間短到皮秒（ps=1012S）量級的強短脈沖激光。（7）觀測HN400可調(diào)外腔激光器的模式（主要做定性分析，并通過改變諧振腔來觀察模式的變化）。（3）將光電放大器的接收孔對準(zhǔn)掃描干涉儀的輸出端口，并使其輸出與示波器的2通道相連。 利用光柵方程驗證波長。由于遠(yuǎn)場發(fā)散教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，所以我們應(yīng)延長光路以保證其精確度，此時需要在前方放置反射鏡。因為光在共焦腔內(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。因此，透射極大的波長值和腔長值有一一對應(yīng)關(guān)系。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)。綜上所述，模式分析的內(nèi)容，就是要測量和分析出激光器所具有的縱模個數(shù)，縱模頻率間隔值，橫模個數(shù)，橫模頻率間隔值，每個橫模的m和n的階數(shù)及對應(yīng)的光斑圖形。橫模序數(shù)越高的，衍射損耗越大，形成振蕩越困難。前面已知，不同的縱模對應(yīng)不同的頻率。諧振腔對光多次反饋，在縱向形成不同的場分布，那么對橫向是否也會產(chǎn)生影響呢？答案是肯定的?？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的腔長成反比。不同類型的激光器，工作條件不同，以上諸影響有主次之分。對某波長，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次。6） 對實驗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)會正確使用。當(dāng)從與光輸出的方向平行（縱向）和垂直（橫向）兩個不同的角度去觀測和分析每個模時，發(fā)現(xiàn)又分別具有許多不同的特征，因此，為方便稱呼，每個模又可以相應(yīng)稱做縱模和橫模。（9） 計算選膜輸出效率。檢驗方法：發(fā)射光與原光束發(fā)生干涉，激光出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。（2）將放大器的接收部位對準(zhǔn)掃描干涉儀的輸出端。因為光在共焦腔內(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。因此，透射極大的波長值和腔長值有一一對應(yīng)關(guān)系。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)。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。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。因能級有一定寬度，所以粒子在諧振腔內(nèi)運動受多種因素的影響，實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。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。當(dāng)M3未調(diào)諧時，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增益系數(shù)。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行選模，改多縱模激光器為單縱模激光器。3） 了解HeNe激光器模競爭現(xiàn)象。（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。調(diào)整M3鏡臺的中部。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，三棱鏡有兩個通光面，用N1，N2表示。轉(zhuǎn)軸的空間方位由基腳螺絲P，Q，V調(diào)節(jié)。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)動的俯仰螺絲A，令A(yù)1為主動，則A2為隨動，若順時針方向微調(diào)A1，使激光功率下降少許（不超過十分之一），再調(diào)A2，若激光功率上升說明順時針方向微調(diào)A1是正確的，以上步驟可以繼續(xù)操作，直到調(diào)A2時激光功率不再上升。這時反射鏡的法線與放電管軸線重合。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)過精心的調(diào)節(jié)使垂直度偏差減小，從而使激光功率增強。W表示激光功率計，最小量程10μW，最大量程50mW。圖3 實驗裝置示意P為色散棱鏡，SP為棱鏡轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺的最小分度為1′。55′）波長折射率nλ入射角θλ入射角改變量55186。0′4′′′59186。實驗中提供了兩塊棱鏡供選用，一塊為熔石英，棱鏡頂角為A＝68186。本實驗采用第二種方式的全棱鏡結(jié)構(gòu)。介質(zhì)膜反射率帶寬（即波長范圍）通常為1000左右，實驗中涉及的九條激光譜線覆蓋的波長范圍約2000，需使用兩種或三種不同波長范圍的反射膜片。要使腔內(nèi)近軸傳播的光線多次來回反射不會逸出腔外，腔鏡的曲率半徑級腔長必須滿足 （1）對平凹腔來說，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?？傊坏膿p耗必須小于介質(zhì)的增益，才能建立激光振蕩。實驗要求掌握HeNe多譜線激光線器的工作原理及腔型結(jié)構(gòu)的特點；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；測量各條激光譜線的波長；找出各條譜線的最佳放電電流及測量最大輸出功率。穩(wěn)定振蕩時的增益叫閾值增益，初始的增益叫小信號增益。 激光振蕩條件建立激光振蕩必須滿足光在增益介質(zhì)中來回運行一次得到的增益足以補償運行中的損耗，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)長度，G為建立穩(wěn)定激光時介質(zhì)單位長度的增益，叫閾值增益系數(shù)。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。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大的短波長區(qū)。兩塊棱鏡的數(shù)據(jù)分別由表2和表3給出。17′+13′59186。32′′′0′′55186。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％。三、 實驗內(nèi)容及要求 諧振腔的調(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。調(diào)整時讓刻有十字線的一面對著激光器的一端，讓眼睛從光靶的背面通過小孔觀察處于放電狀態(tài)的毛細(xì)管，能夠看見在反射鏡膜片透光的背景上有一個直徑約為2－3mm的放電毛細(xì)管截面，顏色比周圍背景亮。若不出激光可多次重復(fù)上述步驟。令B1主動，B2為隨動，方法如前述，當(dāng)激光功率達(dá)到最大時，激光腔的光軸與管軸在調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)達(dá)到