【正文】 射角關(guān)系（A＝68186。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。調(diào)節(jié)反射鏡架上兩個(gè)俯仰A和偏轉(zhuǎn)B螺絲（見圖4），使十字像的中心與毛細(xì)管截面中心亮點(diǎn)重合。平臺(tái)的傾斜用x，y，z螺絲調(diào)節(jié)。iii) 調(diào)M3鏡轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡臺(tái)，使M2輸出的光束以布儒斯特角入射到N1界面上，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可由棱鏡臺(tái)度盤讀出，也可從棱鏡界面反射光強(qiáng)最弱來判斷，角度確定后用棱鏡臺(tái)的固定螺絲鎖住。2） 了解腔內(nèi)選頻單縱模激光器的原理。M2，M4，M3構(gòu)成了短的FoxSmith腔。被傳播的光波決不是單一頻率的（通常所謂某一波長(zhǎng)的光，不過是光中心波長(zhǎng)而已）。如圖一所示，圖中，增益線寬內(nèi)雖有五個(gè)縱模滿足諧振條件，但只有三個(gè)縱模的增益大于損耗，能有激光輸出。同理，外加電壓又可使腔長(zhǎng)變化到lb，使模λb符合諧振條件，極大透射，而λa等其它模又相互抵消…。4. 儀器用具（參見附表）5. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖 裝調(diào)HeNe外腔激光器使用十字叉絲法將HeNe激光器調(diào)制光強(qiáng)輸出最大值 使用FP掃頻干涉儀觀察HeNe激光器縱模（1）調(diào)整光路，首先使激光束從光闌小孔通過，調(diào)整掃描干涉儀上下、左右位置，使光束正入射孔中心，再細(xì)調(diào)干涉儀板架上的兩個(gè)方位螺絲，使從干涉儀腔鏡反射的最亮的光點(diǎn)回到光闌小孔的中心附近，這時(shí)表明入射光束和掃描干涉儀的光軸基本重合。（8） 微調(diào)輸出腔片(M3)，使得輸出激光光強(qiáng)最大。5） 通過測(cè)試分析，掌握模式分析的基本方法。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。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。一個(gè)模由三個(gè)量子數(shù)來表示，通常寫作TEMmnq，q是縱模標(biāo)記，m和n是橫模標(biāo)記，m是沿x軸場(chǎng)強(qiáng)為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)，n是沿y軸場(chǎng)強(qiáng)為零的節(jié)點(diǎn)數(shù)。但由于我們有頻譜圖，知道了橫模的個(gè)數(shù)及彼此強(qiáng)度上的大致關(guān)系，就可縮小考慮的范圍，從而能準(zhǔn)確地定位每個(gè)橫模的m和n值。同理，外加電壓又可使腔長(zhǎng)變化到，使模符合諧振條件，極大透射，而等其它模又相互抵消…。4. 儀器用具（參見附表）5. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 HeNe激光器發(fā)散角測(cè)量關(guān)鍵是如何保證接收器能在垂直光束的傳播方向上掃描，這是測(cè)量光斑尺寸和發(fā)散角的必要條件。調(diào)節(jié)激光器使光束沿導(dǎo)軌中心并且與導(dǎo)軌面平行；小孔光闌橫向一維可調(diào)，使激光束從光闌小孔通過；調(diào)整掃描干涉儀上下、左右位置及俯仰，使光束垂直正入射共焦腔的孔中心，再進(jìn)一步細(xì)調(diào)四維，使從干涉儀腔鏡反射的最亮的光斑回到光闌小孔的中心附近，這時(shí)表明入射光束和共焦掃描干涉儀的光軸基本重合。參考文獻(xiàn)北京大學(xué)物理學(xué)院基礎(chǔ)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，激光實(shí)驗(yàn)，2004。 當(dāng)固定空間位置（令z＝0）觀察（6）式隨時(shí)間的變化關(guān)系有 (7)I(t)為相對(duì)光強(qiáng)。主動(dòng)鎖模又分兩種，一種是調(diào)制振幅的調(diào)幅鎖模，簡(jiǎn)稱AM。根據(jù)入射角的不同和聲光互作用的長(zhǎng)短不同，聲光衍射可分作兩類，一類叫拉曼—奈斯（RamanNath）衍射，另一類叫布拉格（Bragg）衍射。1級(jí)不同時(shí)存在，0級(jí)和1級(jí)的相對(duì)衍射強(qiáng)度分別為 當(dāng)ξ＝π時(shí)，理論上1級(jí)衍射效率可達(dá)100％。④是反射層，使聲波在聲光介質(zhì)中形成駐波。根據(jù)圖10和圖11所示的三角形關(guān)系，可分別算出兩個(gè)圖的光程和幾何程差Δ，圖中θB＝arctan(1/n)是介質(zhì)內(nèi)的布儒斯特角。在幾何腔長(zhǎng)值附近改變腔長(zhǎng)，小心地移動(dòng)M1鏡，觀察鎖模脈沖的變化，找出最佳鎖模腔長(zhǎng)位置，并得出鎖模激光器對(duì)腔長(zhǎng)調(diào)節(jié)精度的要求。取下M3鏡，在M1和M2之間即可形成激光振蕩。換能器面積hl＝438mm2。 聲光調(diào)制器圖8 聲光器件結(jié)構(gòu)在鎖模激光器中駐波型的聲光器件結(jié)構(gòu)如圖8所示，除電極以外主要由四部分組成。（2） 布拉格衍射當(dāng)聲光作用區(qū)比較長(zhǎng)，滿足l≥2l0,且光波的入射角等于衍射角并滿足下列關(guān)系式 (25) 其中m=0,177。當(dāng)介質(zhì)中傳播著圓頻率為Ω、波長(zhǎng)為Λ、波長(zhǎng)為k，方向指向y軸的平面聲波時(shí)，這種彈性波在介質(zhì)中引起的應(yīng)變S可表示為 (16)S0為應(yīng)變振幅，彈性應(yīng)變將使介質(zhì)中的折射率n發(fā)生變化。例如在激光腔內(nèi)放入可飽和吸收元件。用掃描干涉儀觀察縱模頻譜，可看到各個(gè)縱模強(qiáng)度是隨機(jī)漲落的，這是由于模式之間無規(guī)干涉引起的。 （9）從激光器輸出的反方向，光束通過透鏡放大，觀察光斑形狀，注意這時(shí)看到的應(yīng)是它所有橫模的迭加圖，還需結(jié)合圖中單一橫模的形狀加以分解，以便進(jìn)一步可能確定每個(gè)橫模的模序m，n值。 （2） 見圖一，根據(jù)三角公式，計(jì)算出衍射角。它的定義是：自由光譜范圍與最小分辨率極限寬度之比，即在自由光譜范圍內(nèi)能分辨的最多的譜線數(shù)目。但是當(dāng)線性關(guān)系不好時(shí)，會(huì)給測(cè)量帶來一定的誤差。橫模頻率間隔的測(cè)量同縱模間隔一樣，需借助展現(xiàn)的頻譜圖進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。每一個(gè)衍射光斑對(duì)應(yīng)一種穩(wěn)定的橫向電磁場(chǎng)分布，稱為一個(gè)橫模。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。2. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?） 學(xué)會(huì)對(duì)描述高斯光束傳播特性的主要參數(shù)即光斑尺寸，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的測(cè)量方法。如果不出光應(yīng)重復(fù)（1）（5）步驟。它的定義是：自由光譜范圍與最小分辨率極限寬度之比，即在自由光譜范圍內(nèi)能分辨的最多的譜線數(shù)目。但是當(dāng)線性關(guān)系不好時(shí)，會(huì)給測(cè)量帶來一定的誤差。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。 通過比較分析，使用FP標(biāo)準(zhǔn)具選模，其腔內(nèi)損耗要小于FoxSmith腔選模；此外FP選模激光器腔片可以配用最佳透過率的鏡片作為輸出鏡，F(xiàn)osSmith腔則不能。法珀標(biāo)準(zhǔn)具透過率的線寬則決定于其細(xì)度。用玻璃棱鏡至少調(diào)出四條激光譜線是實(shí)驗(yàn)的基本要求。 調(diào)節(jié)棱鏡兩個(gè)通光面的法線，使之與棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)軸垂直。令B1主動(dòng)，B2為隨動(dòng)，方法如前述，當(dāng)激光功率達(dá)到最大時(shí)，激光腔的光軸與管軸在調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)達(dá)到了最佳狀態(tài)。調(diào)整時(shí)讓刻有十字線的一面對(duì)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(gè)直徑約為2－3mm的放電毛細(xì)管截面，顏色比周圍背景亮。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％。17′+13′59186。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)。 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(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)。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。要使腔內(nèi)近軸傳播的光線多次來回反射不會(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(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)采用第二種方式的全棱鏡結(jié)構(gòu)。0′4′′′59186。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′。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(qiáng)。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(shí)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(shí)激光功率不再上升。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。（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。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。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。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。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)。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。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。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。不同類型的激光器，工作條件不同，以上諸影響有主次之分。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。橫模序數(shù)越高的，衍射損耗越大，形成振蕩越困難。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)。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。 利用光柵方程驗(yàn)證波長(zhǎng)。（7）觀測(cè)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）。相鄰縱模的圓頻率差為 (1)其中c為光速，L為腔長(zhǎng)，若激光介質(zhì)的增益線寬為ΔωG，則激光器腔內(nèi)就會(huì)有N個(gè)縱模存在： (2)在腔內(nèi)N個(gè)縱模的總光場(chǎng)可表示為 (3)式中ω0為增益線寬中心處的縱模頻率。以上描述的是鎖模激光的特性。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。圖3 彈性行波產(chǎn)生衍射的頻移 圖4拉曼—奈斯衍射光強(qiáng)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(shí)，折射率的變化有如下形式 (23)各級(jí)衍射光波由下式表示 (24)為第m級(jí)貝塞爾函數(shù)，是第m級(jí)衍射光波的振幅，它受到了的調(diào)制，所以各級(jí)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(jí)衍射光的頻率成分如圖5所示。由圖可知聲功率不大時(shí)，調(diào)制度與聲功率近似線性關(guān)系。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。（4） 使調(diào)制器上的電功率降到0，按幾何腔長(zhǎng)Lˊ放置M1和M2鏡，并使M2鏡盡量靠近聲光調(diào)制器。圖12給出在本實(shí)驗(yàn)裝置中實(shí)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(gè)縱模。（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。對(duì)于輸出波長(zhǎng)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(shí)，激光將不能產(chǎn)生振蕩?？杀硎緸? (27)在ξ不很大的范圍內(nèi)（ξ2rad），0級(jí)衍射光強(qiáng)的平均值可近似表示為 (28)則0級(jí)衍射光強(qiáng)的調(diào)制度可近似表示為 (29) (30)定義為0級(jí)衍射光強(qiáng)的平均衍射效率。1, 177。當(dāng)?shù)扔诳v模頻率間隔時(shí)，邊頻頻率正好與的縱模頻率一致。（3） 光脈沖的寬度為 (10)是脈沖周期T的1/N，鎖住的縱模個(gè)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(gè)數(shù)越多，脈寬就越