【正文】 熔石英棱鏡激光波長與入射角關(guān)系（A＝68186。29′59186。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的折射率。用半棱鏡優(yōu)點是調(diào)節(jié)元件損耗小，缺點是棱鏡的角色散和角分辨減小了一半。％的高質(zhì)量介質(zhì)膜，使低增益激光譜線實現(xiàn)振蕩成為可能。表1 HeNe 3S22Pi譜線的小信號增益系數(shù)躍遷能級激光波長小信號增益系數(shù)G0/cm1相對增益系數(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，曲率半徑分別為球面的反射鏡組成。對諧振腔而言腔長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。一、 實驗原理一臺激光器除激勵電流外主要由兩部分組成，一是增益介質(zhì)；二是諧振腔。小信號增益與閾值增益之差越大，腔內(nèi)的激光強度越強，對小信號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。aa為增益介質(zhì)內(nèi)的損耗，包括衍射損耗。棱鏡調(diào)諧波長的方式基本上有兩種，一種是棱鏡的入射角不變，不同波長對應(yīng)不同出射角，調(diào)諧波長時，棱鏡保持不動，只改變諧振腔反射鏡的方位，使相應(yīng)波長的光束沿原路返回實現(xiàn)振蕩。重火石玻璃在可見光區(qū)吸收比熔石英大好幾倍，但色散也比熔石英大幾倍。圖2 棱鏡光路表2 重火石玻璃棱鏡激光波長與入射角的關(guān)系（A＝61186。20′+16′59186。37′5′55186。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。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)看見一個更亮的只有針尖大的亮點，這就是放電毛細(xì)管的軸心。仍無效時可如下操作，來回微調(diào)A鈕使十字線沿毛細(xì)管軸心上下掃描，當(dāng)兩鏡片接近時可觀察到軸心亮點變亮，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。（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到最強，再按以下要求操作：i) 棱鏡臺的調(diào)整圖8 棱鏡轉(zhuǎn)臺示意棱鏡臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，這是利用小型分光計的轉(zhuǎn)臺改裝的，若自行設(shè)計應(yīng)考慮采用正交調(diào)節(jié)機構(gòu)。若反射光不與入射光重合，說明棱鏡臺的轉(zhuǎn)軸不垂直于激光束。使N1面對準(zhǔn)激光束，調(diào)節(jié)與N1面有關(guān)的平臺螺絲x或y，使光束沿原路返回。取下輔助腔鏡M2，如果前面的調(diào)整步驟均達到要求，這時激光就可以在M1和M3之間振蕩。表4 棱鏡及反射鏡適用的波長范圍棱鏡材料反射鏡編號可調(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實驗二 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（即增益管較長時）會出現(xiàn)多個縱模，不適用于一些要求激光單色性很強的干涉、計量的研究領(lǐng)域。3. 基本原理 HeNe單縱模激光器的實現(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?？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。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?；谏鲜鰞煞N考慮，我們選擇FP選模方法。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，其它則相互抵消。圖二任何事物都具有兩重性，光波在腔內(nèi)往返振蕩時，一方面有增益，使光不斷增強，另一方面也存在著不可避免的多種損耗，使光能減弱。共焦球面掃描干涉儀是一個無源諧振腔。掃描干涉儀有兩個重要的性能參數(shù)，即自由光譜范圍和精細(xì)常數(shù)常要用到，以下分別對它們進行討論。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差或頻率差。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的準(zhǔn)直精度等因素有關(guān)。 使用FP標(biāo)準(zhǔn)具進行腔內(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。（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。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，光強是以高斯函數(shù)分布的，故稱作高斯光束。2） 了解激光器模的形成及特點，加深對其物理概念的理解。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系統(tǒng)性能。 HeNe激光器的模式分析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。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)。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。我們所看到的復(fù)雜的光斑則是這些基本光斑的迭加，下圖是幾種常見的基本橫模光斑圖樣。腔長與曲率半徑的比值越大，分?jǐn)?shù)值越大。但階數(shù)m和n的數(shù)值僅從頻譜圖上是不能確定的，因為頻譜圖上只能看到有幾個不同的（m＋n）值，及可以測出它們間的差值Δ（m＋n），然而不同的m或n可對應(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。共焦球面掃描干涉儀是一個無源諧振腔。掃描干涉儀有兩個重要的性能參數(shù)，即自由光譜范圍和精細(xì)常數(shù)常要用到，以下分別對它們進行討論。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差或頻率差，用Δ或者Δ表示。精細(xì)常數(shù)的理論公式為 (16)為凹面鏡的反射率，從（16）式看，只與鏡片的反射率有關(guān)，實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的準(zhǔn)直精度等因素有關(guān)。（3）由于光功率/位移曲線是高斯分布的，定義為光斑邊界，測量出位置的光斑直徑。（3） 由于光柵常數(shù)d已知，根據(jù)光柵方程可以計算出激光波長。（5）根據(jù)自由光譜范圍的定義，確定它所對應(yīng)的頻率間隔（即哪兩條譜線間距為Δ），測出與Δ相對應(yīng)的標(biāo)尺長度，計算出兩者比值，即每厘米代表的頻率間隔值。（10）根據(jù)定義，測量掃描干涉序的精細(xì)常數(shù)F。（2） 掌握鎖模激光器結(jié)構(gòu)特點及調(diào)試方法。如果我們用某種方法使激光器中各縱模初相位之間建立固定的聯(lián)系，或者說使所有縱模同步振蕩，在激光腔內(nèi)各縱模就可以相干疊加了。圖1 光脈沖序列時間分布 當(dāng)固定時間（令t=0）觀察（6）式的空間變化關(guān)系有 (12) 為相對光強，（12）式有以下特點：（1） N個有相同頻率間隔及同步等幅振蕩的縱模，相干疊加后變成了隨空間距離周期變化的脈沖激光序列，光脈沖的空間周期為2L。這類元件在腔內(nèi)運轉(zhuǎn)過程中不能用人為的方法控制，故稱為被動鎖模。同樣，在增益線寬內(nèi)所有的縱模都會受到相鄰縱模產(chǎn)生的邊頻耦合，迫使所有的縱模都以相同的相位振動，因此實現(xiàn)了同步振蕩，達到了鎖模的目的。相應(yīng)的折射率變化可表示為 (17)p為介質(zhì)的聲光系數(shù)。 當(dāng)聲波在介質(zhì)中以行波方式傳播時，介質(zhì)中折射率變化如（18）式所示，各級衍射光波有以下形式： (21)為m級貝塞爾函數(shù)，是m級衍射光波的相對振幅，ξ如下式所示： (22) ξ為光波通過聲光作用區(qū)l獲得的最大附加相位差，稱為聲致相移。1為衍射級，（25）式與晶體中的布拉格衍射相似，所以稱為布拉格衍射。聲波的平均能流或聲功率Pa可用下式表示 (31)圖6 駐波型拉曼—奈斯零級平均衍射效率與聲致相移的關(guān)系式中ρ為聲光介質(zhì)密度，V為聲速，hl為壓電換能器的面積。圖中①是壓電換能器，它把外加一定頻率的電磁波轉(zhuǎn)換成機械波，其厚度為聲波的半波長。拉曼—奈斯型0級衍射性能即可達到上述要求，而且入射光束與0級衍光束方向一致，給實驗調(diào)節(jié)帶來很大方便。根據(jù)調(diào)制器的頻率Ω，可算出激光腔內(nèi)所需光程長度 (34)由于激光腔內(nèi)存在折射率大于1的聲光介質(zhì)和布儒斯特窗片，所以腔的光程長度L比集合長度Lˊ長。（3） 在調(diào)制器上逐步加上電功率，觀察拉曼—奈斯衍射現(xiàn)象，在正常情況下在光屏上能觀察到0級、177。細(xì)調(diào)MM2鏡架上的螺絲使輸出功率最大。圖12 633nm激光鎖模頻率譜E52。 觀察與測量（1） 用接收器D1觀察鎖模激光脈沖序列。2級衍射光。窗片的材料為熔石英，折射率n＝，厚度d＝2mm。Las為HeNe放電管；M0為布儒斯特窗片；MM2是腔鏡，M1鏡裝在可前后移動的鏡座上，移動的精度可達10μm；M3是輔助腔鏡，M3必須用平面鏡；Md是聲光調(diào)制器；M4是分束鏡；D1是快速光電二極管，接250MHz示波器觀察鎖模脈沖序列；D2是激光功率計；FP是掃描干涉儀，接普通示波器觀察激光縱模頻率譜；Lˊ為鎖模激光腔的幾何長度。③是聲光介質(zhì)，即聲光作用區(qū)，其厚度是聲波半波長的整倍數(shù)。（32）式建立了聲功率與聲致相移的關(guān)系。1級，且177。除零級衍射光頻率不變外，各級衍射光均發(fā)生了多普勒頻移，各級衍射光的頻率變化如圖3所以。若在某一時刻觀察，折射率在空間的周期分布相當(dāng)于一塊相位光柵，光柵常數(shù)等于聲波波長，光束通過這種光柵就會發(fā)生衍射，如圖2所以。當(dāng)調(diào)制器損耗較大時通過的光波每次回到調(diào)制器時都收到較大的損耗，若損耗大于往返一次從介質(zhì)中得到的增益，這部分光波不能形成激光振蕩，所以激光形成了周期為2L/c的光脈沖序列。這類器件的某些參數(shù)可以人為地加以控制，用這類器件實現(xiàn)鎖模的則稱為主動鎖模。（3） 光脈沖的空間寬度為2L/N?，F(xiàn)在分別在固定空間或固定時間上來觀察光強的變化特點。一、 鎖模激光器原理本實驗是在HeNe激光器的腔內(nèi)插入聲光損耗調(diào)制器來實現(xiàn)對633nm激光鎖模的。并且練習(xí)從無光到有光的調(diào)腔過程（十字叉絲法）。與理論值比較，檢查辨認(rèn)和測量的值是否正確。（2）調(diào)整光路，將內(nèi)腔激光器、小孔光闌、共焦球面掃描干涉儀放入導(dǎo)軌，共軸等高。（5）由于發(fā)散角度較小，可做近似計算，= /,便可以算出全發(fā)散角2。從展開的頻譜圖中我們可以測定出值的大小。經(jīng)推導(dǎo)，可得＝ （13）由于與間相差很小，可共用近似表示Δ＝ （14）用頻率表示，即為Δ＝ （15）在模式分析實驗中，由于我們不希望出現(xiàn)（12）中的重序現(xiàn)象，故選用掃描干涉儀時，必須首先知道它的Δ和待分析的激光器頻率范圍Δ，并使Δ Δ,才能保證在頻譜面上不重序，即腔長和模的波長或頻率間是一一對應(yīng)關(guān)系。如在A,B兩點，形成一束束透射光1，2，3...和1′,2′,3′...，這時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，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的這條譜線的整數(shù)倍時，即4＝ （11）此時模將產(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)，是一個整數(shù)）。反射鏡鍍有高反射膜。當(dāng)只有一個橫模時，很易辨認(rèn)；如果橫模個