【正文】 八、預(yù)習(xí)與思考題1．觀測時，為何要先確定出示波器熒光屏上被掃出的干涉序的數(shù)目？。七、注意事項1．實驗過程中要注意眼睛的防護，絕對禁止用眼睛直視激光束。六、實驗數(shù)據(jù)處理與分析 用數(shù)碼相機拍攝示波器的干涉圖樣，根據(jù)自由光譜范圍的定義，確定其所對應(yīng)的頻率間隔，測出示波器熒光屏上與 相對應(yīng)的標尺長度，計算出二者的比值，??光屏上 1 毫米對應(yīng)的頻率間隔值，算出相應(yīng)譜線的寬度。這時看到的應(yīng)是所有橫模的疊加圖，需結(jié)合圖 4 中單一橫模的形狀加以辨認，確定出每個橫模的模序,既每個橫模的 、 值。 （注：諧振腔兩個反射鏡的曲率半徑 、 由實驗室給出） 。在示波器熒光屏上可以觀察到譜線向頻率減小的方向移動，所以，其反方向q?就是示波器熒光屏上頻率增加的方向。12．確定示波器熒光屏上頻率增加的方向，以便確定在同一縱模序數(shù)內(nèi)哪個模是基橫模，哪些模是高階橫模。只有偏振態(tài)相同的縱模的間隔才符合（3）式。將測量值與理論值1??q?相比較 (注：待測激光器的腔長 由實驗室給出)。測出示波器熒光屏上與 ??.對應(yīng)的標尺長度，計算出二者的比值，既示波器熒光屏上 1 毫米對應(yīng)的頻率間隔值。改變驅(qū)動器的掃描電壓起點（即調(diào)節(jié)“直流偏置”旋鈕） ，可使某一個干涉序或某幾個干涉序的所有模式完整地展現(xiàn)在示波器的熒光屏上。根據(jù)干涉序個數(shù)和頻譜的周性期，確定哪些模屬于同一個干涉序。8．改變鋸齒波輸出的電壓峰值，觀察示波器上干涉序數(shù)目。注意：調(diào)節(jié)過程中，要保持反射光斑的中心與光闌的小孔大致重合7．將光電探測器對準掃描干涉儀輸出光斑的中心，調(diào)高驅(qū)動器的頻率，觀察示波器上展現(xiàn)的頻譜圖。注意：如果在光屏上形成兩個光斑，要在保持反射光斑的中心與光闌的小孔大致重合的條件下，調(diào)節(jié)掃描干涉儀的鼓輪，使經(jīng)過掃描干涉儀后形成的兩個光斑重合。5．開啟掃描干涉儀驅(qū)動器和示波器的電源開關(guān)。4．使激光束通過小孔光闌。3．用直尺測量掃描干涉儀光孔的高度。五、實驗內(nèi)容和步驟1．按圖 9 實驗裝置圖連接線路，注意檢查無誤時，才可通電。協(xié)助調(diào)節(jié)改變對腔掃描電壓……等功能。（6） 放大器電源：給放大器里提供工作電壓，一般 5～10V。（4） 掃描干涉儀：使激光器里各種不同的模按頻率分開，以便測出有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式計算。（2） 激光電源：用來激發(fā)激光器，把 220V 交流變成幾千伏直流高壓，電流的大小以說明書給出的最佳電流為準。其公式：F= 　 R—凹面鏡的反射率 根據(jù)精細常數(shù)定義　 △λSRπR1R37F= δλ—為干涉儀所分辨的最小波長差，用儀器的半值寬度△λ 代替，在實驗中，就是一個模的半值寬度，從展開的頻譜圖中，可以測出 F 值的大小。用自由光譜范圍與最小分辨率極限寬度之比。另外，還可以看出，當滿足 條件后，如果外加電壓足夠大，??變化量是 /4 的 倍，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)?ii在干涉序 、 …… 中,如圖 8 所示。??自由光譜范圍還可用腔長的變化量來描述，即腔長變化量為 /4 時所對應(yīng)的掃描范圍。用頻率表示，則為? （10）lcRS.?在模式分析實驗中，由于我們不希望出現(xiàn)（7）式中的重序現(xiàn)象，故選用掃描干涉儀時，必須首先知道它的自由光譜范圍 和待分析激光器的頻率范圍 ，并使 .RS???.RS。??.S?如上例中的 為剛剛重序的起點，則 即為此干涉儀的自由光譜范圍值。例如，當腔長變化到可使 極大時， 會再次出現(xiàn)極大，于是有d?a （ 7）adkl?)1(4??36即 序中的 和 序中的 同時滿足極大條件，兩個不同波長的模被同時掃出，疊加kd?1?ka?在一起。只要有一定幅度的電壓來改變腔長，就可以使激光器具有的所有不同波長（或頻率）的模依次相干極大透過，形成掃描。如在lA、B 兩點，形成一束束透射光3……和 、1?、 ……我們?3在壓電陶瓷上加一線性電壓，當外加電壓使腔長 變化到某一長度 ，al使相鄰兩次透圖 7 共焦球面掃描干涉儀內(nèi)部光路圖 射光束的光程差是入射光中模波長為 這條譜線波長的整數(shù)倍時，即滿足a? （ 6）akl??4模 將產(chǎn)生相干極大透射（ 為掃描干涉儀的干涉序數(shù)，為一個正整數(shù)） ，而其它波長的a模則不能透過。圖 6 共焦球面掃描干涉儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖當一束激光以近光軸方向射入干涉儀后，在共焦腔中經(jīng)四次反射呈 X 形路徑，光程近似為 4 ，見圖 7 所示。由于長度的變化量很小，僅為波長數(shù)量級，所以，外加電壓不會改變腔的共焦狀態(tài)。圖中，①為由低膨脹系數(shù)材料制成的間隔圈，用以保持兩球形凹面反射鏡 和 總是處1R?2在共焦狀態(tài)。反射鏡鍍有高反射率膜。在本實驗中，它起著關(guān)鍵作用。mn2．共焦球面掃描干涉儀共焦球面掃描干涉儀是一種分辨率很高的分光儀器，它已成為激光技術(shù)中一種重要的測量設(shè)備。如果橫模個數(shù)比較多，或基橫模很強，掩蓋了其它橫模，或某高階模太弱，都會給分辨帶來一定的難度。當我們對光斑進行觀察時，看到的是全部橫模的疊加圖，即圖 4 中幾個單一態(tài)光斑圖形的組合。橫模頻率間隔的測量同縱模頻率間隔的測量一樣，需借助展現(xiàn)的頻譜圖進行計算。這是在模式分析實驗中，辨認哪一個是高階橫模時易出錯的地方。一般說來，放電毛細管直徑越大，可能出現(xiàn)的橫模個數(shù)就越多。當腔長等于曲率半徑時（ ） ，分數(shù)值達到極大，即橫模間隔是縱模間21L?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。經(jīng)推導(dǎo)得 （4）???????????????????? 211)(arcos)(12RLnmLm???其中， 、 分別表示 X、Y 方向上橫模模序差， 、 為諧振腔的兩個反射鏡的曲12率半徑，相鄰的橫模頻率間隔為 （5）?????????????????? 21111 )(arcosRLqnm??從上式中還可看出，相鄰的橫模頻率間隔與相鄰的縱模頻率間隔的比值是一個分數(shù)，如圖5 所示。橫模序數(shù)越大，頻率越高。 是沿 X 軸場強為零的節(jié)點數(shù)， 是沿 Y 軸場強為零的節(jié)qm點數(shù)。我們所看到的復(fù)雜的光斑則是這些基本光斑的疊加。每一個衍射光斑對應(yīng)一種穩(wěn)定的橫向電磁場分布，稱為一個橫模。對于縱模的觀測，由于 值很大，相鄰縱模頻率差異很小，一q般的分光儀器無法分辨，必須使用精度較高的檢測儀器才能觀測到。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。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。 是一個很大q的數(shù)，通常我們不需要知道它的數(shù)值，而關(guān)心的是有幾個不同的 值，即激光器有幾個不同的縱模。這正是光波相干的極大條q件，滿足此條件的光將獲得極大增強。但只有單程放大，還不足以產(chǎn)生激光，要產(chǎn)生激光還需要有諧振腔對其進行光學(xué)反饋，使光在多次往返傳播中 形成穩(wěn)定、持續(xù)的振蕩。實際上，由于能級總有一定的寬度以及其它因素的影響，增益介 質(zhì)的增益有一個頻率分布，如圖 2 所示，圖 1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 圖中 為光的增益系數(shù)。二、實驗類型綜合型三、實驗原理及說明1．激光器模的形成我們知道，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。2．通過測試分析，掌握模式分析的基本方法。因此，模式分析是激光器的一項基本而又重要的性能測試。當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，為方便每個模又相應(yīng)稱作縱模和橫模。每個模對應(yīng)一種穩(wěn)定的電磁場分布，即具有一定的光頻率。這樣窄的譜線，不是受激輻射后自然形成的，而是受激輻射經(jīng)過諧振腔等多種機制的作用和相互干涉后形成的。激光出光后，眼睛不要直接直射觀察激光點，否則容易損壞眼睛。撤掉半導(dǎo)體激光器和小孔，此時，氦氖激光器的諧振腔調(diào)整結(jié)束，激光器正常運轉(zhuǎn)。如果調(diào)節(jié)的角度（光軸與諧振腔的角度）小于 λ/4，此時，打開氦氖激光器就有一束 波長的光射出。調(diào)節(jié)氦氖激光管或半導(dǎo)體激光管的角度，使半導(dǎo)體激光射到諧振腔 A 上，光通過諧振腔 A 反射，通過小孔原路返回。3）將射出的半導(dǎo)體激光，通過諧振腔、光靶上的小孔、激光管的毛細管，到達固定諧振腔 A，此時如不同軸，諧振腔 A 沒有反射光點。 圖 4 圖 5如圖 6， 1 半內(nèi)腔 HeNe 激光管 2 光靶（小孔屏） 3 諧振腔 4 半導(dǎo)體激光器 圖 6 調(diào)節(jié)方法：1）按圖 6 將激光管、小孔、諧振腔 B、半導(dǎo)體激光器調(diào)在一個平面上。這說明諧振腔（反射鏡）與激光管管內(nèi)的毛細管完全垂直，此時，應(yīng)馬上有激光射出。除此以外，眼睛同時還看到被諧振腔 B 反射回的光靶的十字叉絲像。此時，光靶的十字叉絲被照亮。 （1）外腔式 （2）半內(nèi)腔式圖 129四、實驗主要儀器設(shè)備和材料(黑體,小四)序 號 名 稱 主要用途1 導(dǎo)軌（長 1m） 放置滑塊2 滑塊 固定儀器3 半內(nèi)腔氦氖激光器 激光器4 半導(dǎo)體激光器 調(diào)節(jié)光軸 5 調(diào)節(jié)板（帶小孔） 輔助調(diào)節(jié)工具按照下圖所示，把各輔件安裝在導(dǎo)軌上，保證在同一光軸上（中心高度相同） 。諧振腔 A 經(jīng)過嚴格檢測，完全垂直于光軸后，用膠密封粘牢。當氖離子從高能級降到低能級時，將放出一束光。封上以后，諧振腔 A 被嚴格的固定在激光管管子上，諧振腔 B 在管子外部，可以延光軸前后移動。dZ 即頻率為 γ 的單色光，在激活物質(zhì)中傳播單位距離，所增加的光強的百分比。r2第二，必須滿足產(chǎn)生激光的閾值條件，既要使光在諧振腔里來回一次在激活物質(zhì)中所獲得的增益足以補償由各種因素所導(dǎo)致的光的損耗。28實驗五、He－Ne 激光器諧振腔調(diào)節(jié)一、實驗?zāi)康呐c要求 1：了解 HeNe 激光器的基本原理、基本結(jié)構(gòu) 2：掌握 HeNe 激光器半內(nèi)腔諧振腔調(diào)節(jié)方法 二、實驗類型驗證型三、實驗原理及說明一臺激光器，它的基本結(jié)構(gòu)包括三部分：工作物質(zhì) 、光學(xué)諧振腔和激勵能源。八、預(yù)習(xí)與思考題思考調(diào) Q 技術(shù)的原理與作用。六、實驗數(shù)據(jù)處理與分析表一、連續(xù)與脈沖平均功率的比較泵浦I(mA)連續(xù)P(mw)脈沖P(mw)27表二、連續(xù)與脈沖穩(wěn)定性測量間隔時間（s）連續(xù)輸出功率（mw）脈沖輸出功率（mw）間隔時間（s）連續(xù)輸出功率（mw）脈沖輸出功率（mw）七、注意事項激光功率較強，切勿直射入眼，特別是在調(diào) Q 狀態(tài)下。 輸出功率及其穩(wěn)定性測量●此項測量需要激光功率計●把輸出激光束透射到激光功率計內(nèi)，即可測量綠激光的功率及其穩(wěn)定性；●改變激光器工作電流，可以得到激光器輸出功率和驅(qū)動電流對應(yīng)關(guān)系的曲線；●固定激光器工作電流，在激光器達到平衡后（一般需要 15 分鐘） ，記錄其輸出功率的變化，得到其輸出功率穩(wěn)定性； 脈沖綠激光器實驗：●按前述方法調(diào)出連續(xù)綠激光并使其是基橫模并且功率最大；●把聲光 Q 開關(guān)放入激光諧振腔內(nèi)，細心微調(diào)它的位置和方位，直到有綠激光輸出，并使輸出光最強；●使聲光 Q 開關(guān)驅(qū)動器工作，此時微調(diào)聲光 Q 開關(guān)的角度（有時需要配合微調(diào)反射鏡的角度） ，使得輸出綠激光是基橫模輸出，并且光強最大；激光脈沖頻率和寬度測量●此項需要光電接收器和示波器26●連接光電接收器和示波器，并使它們開始工作；●把光電接收器對準綠激光器輸出光束，此時在示波器上可以看到脈沖綠激光的波形、頻率/周期、脈沖寬度及激光脈沖的穩(wěn)定性等；平均功率、峰值功率、脈沖能量及其穩(wěn)定性測量●用功率計測量輸出綠激光的平均功率，用示波器測量脈沖綠激光的重復(fù)頻率和脈沖寬度，從而得到綠激光器的平均功率、峰值功率、單脈