【正文】 要注意以下幾點：使入射界面N1與棱鏡臺轉(zhuǎn)軸o大致重合，以便在轉(zhuǎn)動鏡臺時入射光點的位置基本不變；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；使棱鏡界面與棱鏡平臺三個調(diào)節(jié)螺絲的連線基本垂直；由于反射鏡M3安裝在棱鏡平臺上，可移動的范圍有限，放置棱鏡時要考慮出射光的方向與M3的方位相符。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。用上述方法調(diào)節(jié)，直至平面鏡的反射光追蹤從布儒斯特窗上的反射光落于遠處某點的光斑（參考圖9，只把圖中的棱鏡改為平面鏡）。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。調(diào)棱鏡臺轉(zhuǎn)軸應(yīng)與放電管布儒斯特窗的入射面垂直，即分別使棱鏡臺轉(zhuǎn)軸與布儒斯特窗上的透射光線和反射光線垂直。轉(zhuǎn)軸的空間方位由基腳螺絲P，Q，V調(diào)節(jié)。度盤下面還有使平臺轉(zhuǎn)動的微調(diào)螺絲，圖中未畫出。（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)。然后換調(diào)使腔鏡繞垂直軸轉(zhuǎn)動的螺絲B。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。激光出現(xiàn)后移去光靶，放上功率計，再仔細調(diào)節(jié)兩個反射鏡架上的A，B鈕，直到激光功率最強。仍無效時可如下操作，來回微調(diào)A鈕使十字線沿毛細管軸心上下掃描，當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。如果上述步驟操作準確，激光就會出現(xiàn)。這時反射鏡的法線與放電管軸線重合。圖7 直諧振腔的調(diào)節(jié)下一步的調(diào)節(jié)要使反射鏡的光軸與這條軸線重合，如果反射鏡的法線與管軸偏離不遠，在視場內(nèi)就可以看見通過反射鏡的十字線虛像。如果小孔處在毛細管軸線附近，在毛細管的截面內(nèi)還應(yīng)看見一個更亮的只有針尖大的亮點，這就是放電毛細管的軸心。光靶的結(jié)構(gòu)是一個帶手柄的平面光屏，在屏的中部刻有十字線并有小燈照明。如果腔鏡的調(diào)節(jié)感量（或精度）比允許的垂直度偏差小，當激光器調(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。圖5 平行度偏差示意圖6 垂直度偏差示意圖6給出垂直度δ2的示意，鏡M1，M2的曲率中心分別為，分布在管軸的兩側(cè)，位移量為r′，新的光軸為連線，這時M1與M2是相互平行的，只是光軸與管軸有一交角，假設(shè)毛細管長等于腔長L，光軸允許的最大偏差在鏡片上用rm表示，由圖中幾何關(guān)系可知。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。波長精度為1，入縫處用毛玻璃減光，出縫處可用目鏡直接觀測。W表示激光功率計，最小量程10μW，最大量程50mW。M3的曲率半徑一般選擇3m以上。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提供準直光線。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鈕時鏡片M以CB連線為水平軸作微小轉(zhuǎn)動，調(diào)B鈕時M以CA為垂直軸作微小轉(zhuǎn)動。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′。41′9′55186。37′5′55186。31′′55186。55′）波長折射率nλ入射角θλ入射角改變量55186。10′+1186。20′+16′59186。6′+2′59186。0′4′′′59186。35′1186。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。52′，,633為出射角，各種波長相應(yīng)的入射角θλ可用下式求得： （6）式中nλ表示相應(yīng)波長的折射率，其數(shù)值是根據(jù)文獻【2】給出的特征波長折射率，用內(nèi)插法求得。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。（2） 棱鏡頂角的設(shè)計為了減少光束在棱鏡界面上的反射損耗，光束在棱鏡界面上的入射角應(yīng)是布儒斯特角θb，同樣從棱鏡出射的光束也是布儒斯特角，如圖2所示。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。在諧振腔內(nèi)插入色散棱鏡必然會增加腔內(nèi)損耗，因此在選擇棱鏡材料和加工時要盡可能減少損耗。本實驗采用第二種方式的全棱鏡結(jié)構(gòu)。后一種也可采用半棱鏡結(jié)構(gòu)，在半棱鏡的出射面上鍍有全反射介質(zhì)膜，取代諧振腔反射鏡。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。由于棱鏡分光作用，對不同波長其偏向角不同，諧振腔只能對其中一條譜線滿足振蕩條件，而其它波長由于偏離諧振腔光軸，損耗大于增益不能起振。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。％。aa為增益介質(zhì)內(nèi)的損耗，包括衍射損耗。由于相對小的曲率半徑對應(yīng)相對大的發(fā)射角，通常反射鏡的曲率半徑選擇2～5倍腔長。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。測量時各譜線的放電電流值不相同；表中相對增益系數(shù)是用用光譜相對強度研究氦氖放電管的增益特性的裝置測得的，各譜線的放電電流相同。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。初始建立激光振蕩時增益大于損耗，隨著激光的增強而增益逐漸減小直到增益等于損耗時才有持續(xù)穩(wěn)定的振蕩?？傊坏膿p耗必須小于介質(zhì)的增益，才能建立激光振蕩。介質(zhì)增益與毛細管長度、內(nèi)徑粗細、兩種氣體的比例、總氣壓以及放電電流等因素有關(guān)。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。 光學與激光實驗 實驗講義華南師范大學信息光電子科技學院光學與激光實驗?zāi)? 錄實驗一 氦氖多譜線激光器 E3實驗二 腔內(nèi)選頻單縱模HeNe激光器 E14實驗三 HeNe激光器諧振腔調(diào)整及外參數(shù)測量 E23實驗四 聲光調(diào)制鎖模激光器 E37實驗一 氦氖多譜線激光器在增益管長為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，在可見光區(qū)分別使氖原子的九條譜線產(chǎn)生激光振蕩。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；學習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。對HeNe激光器而言增益介質(zhì)就是在兩端封有布儒斯特窗的毛細管內(nèi)按一定的氣壓充以適當比例的氦氖氣體，當氦氖混合氣體被電流激勵時，與某些譜線對應(yīng)的上下能級的粒子數(shù)發(fā)生反轉(zhuǎn)，使介質(zhì)具有增益。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。由于介質(zhì)的增益具有飽和特性，增益隨激光強度增加而減小。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。在可見光區(qū)激光譜線的小信號增益系數(shù)在氦氖混合氣體的增益管中氖原子的3S2能級對2Pi（2Pi是2P1，2P2，…，2P8，2P10九個能級的簡稱，3S22P9的躍遷是違禁的）九個能級之間能夠產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使介質(zhì)具有增益，九條譜線的小信號增益系數(shù)G0如表1所示。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。對于對稱腔，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的一半。 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)。兩鏡片總的反射率r與投射率t及吸收散射損耗as的關(guān)系有 （3） 諧振腔反射鏡諧振腔反射鏡鍍有多層光學介質(zhì)膜。％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。 腔內(nèi)棱鏡在諧振腔中插入色散棱鏡P，如圖1所示。若要改變振蕩譜線，需把棱鏡和諧振腔調(diào)準到使該譜線滿足振蕩條件的位置。另一種是棱鏡出射角不變，反射鏡相對棱鏡不動，當改變波長時，使棱鏡和反射相對入射光做整體轉(zhuǎn)動。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。圖1 色散棱鏡的作用（1） 關(guān)于棱鏡材料與加工可見光波段HeNe激光譜線的增益是很小，每厘米約為103～105量級。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)。棱鏡表面加工光潔度在頂角A附件要求達到I級。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。55′，另一塊為重火石玻璃，棱鏡頂角為A＝61186。兩塊棱鏡的數(shù)據(jù)分別由表2和表3給出。52′）波長λ/折射率nλ入射角θλ入射角改變量57186。29′59186。4′059186。17′+13′59186。28′+24′60186。6′表3 熔石英棱鏡激光波長與入射角關(guān)系（A＝68186。16′16′55186。32′′′0′′55186。38′6′55186。54′22′二、 實驗裝置實驗裝置如圖3所示，圖中Las是氦氖氣體放電管，增益區(qū)長1m，氦氖比例為5:1，總氣壓為250Pa，放電管兩端封窗為熔石英材料。M1，M2，M3為諧振腔反射鏡，分別裝在兩個調(diào)節(jié)自由度的鏡架上。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，反射率要求不嚴格，一般大于97％。M1和M3構(gòu)成帶棱鏡的可調(diào)諧波長的諧振腔。反射率取決于譜線增益及對輸出功率的要求，％的鏡片，適用于波長大于6118的譜線，對波長最短的三條譜線，％，尤其是5433譜線增益最低，對調(diào)節(jié)精度的要求也是最高的。WDG表示W(wǎng)DG30型光柵單色儀，用來鑒別激光波長。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管的管軸基本重合，其偏差直接影響激光功率的大小。以對稱腔為例，腔鏡M1，M2的曲率中心，其連線為諧振腔的光軸，光軸相對管軸的距離為r，假設(shè)允許的最大偏差rm為毛細管直徑D的1/10，則平行度偏差δ1可用M1或M2鏡的偏斜角表示 （7）腔鏡的曲率半徑R越大，允許的平行度偏差越小，對調(diào)節(jié)的精度要求越高。 （8） 諧振腔垂直度偏差δ2可用鏡片的偏角θ表示 （9） 用（8）式中的代入（9）式得 （10）（10）式表明當腔鏡的曲率半徑比腔長大時，允許的垂直度偏差比平行度偏差大。 （2） 直腔激光器的調(diào)節(jié)方法直腔指腔內(nèi)沒有插入色散棱鏡的激光腔（如圖7(a)所示），調(diào)節(jié)時用到一種叫