【正文】 光靶的調(diào)整工具。調(diào)整時(shí)讓刻有十字線(xiàn)的一面對(duì)著激光器的一端，讓眼睛從光靶的背面通過(guò)小孔觀(guān)察處于放電狀態(tài)的毛細(xì)管，能夠看見(jiàn)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?chē)尘傲痢?b)所示，上下左右調(diào)整光靶的位置，使小亮點(diǎn)處在毛細(xì)管截面的中心，這是光靶的小孔就處在毛細(xì)管的軸線(xiàn)上了。調(diào)節(jié)反射鏡架上兩個(gè)俯仰A和偏轉(zhuǎn)B螺絲（見(jiàn)圖4），使十字像的中心與毛細(xì)管截面中心亮點(diǎn)重合。用同樣的方法調(diào)節(jié)另一端反射鏡。若不出激光可多次重復(fù)上述步驟。再調(diào)另一面反射鏡，只要出現(xiàn)中心亮點(diǎn)變亮的現(xiàn)象，調(diào)出激光就不難了。這時(shí)兩鏡片在調(diào)節(jié)精度范圍內(nèi)是相互平行的，但很可能諧振腔的垂直度偏差還有較大的余量可供改善。若一開(kāi)始調(diào)A2激光功率不上升，應(yīng)改為逆時(shí)針微調(diào)A1，重復(fù)上述方法。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)。圖中o表示棱鏡平臺(tái)轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以從度盤(pán)上讀出，讀數(shù)精度為1′。平臺(tái)的傾斜用x，y，z螺絲調(diào)節(jié)。棱鏡臺(tái)的放置須使PQ的連線(xiàn)與激光束方向平行，并在VO方向移動(dòng)，使棱鏡臺(tái)的轉(zhuǎn)軸與激光束相交。用一塊平面鏡放置在棱鏡平臺(tái)上，鏡面與xy連線(xiàn)正交，使激光正入射在平面鏡上，調(diào)x或y螺絲使光束沿原路返回，將棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)180176。分別調(diào)平臺(tái)上的螺絲x或y及轉(zhuǎn)臺(tái)的基腳螺絲P或Q各使反射光與入射光的差距減少一半，反復(fù)使棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)180176。調(diào)棱鏡臺(tái)的基腳螺絲V使兩光斑重合。兩通光面的夾角為棱鏡頂角A，另一界面為毛面，圖中用粗線(xiàn)表示。 調(diào)節(jié)棱鏡兩個(gè)通光面的法線(xiàn)，使之與棱鏡臺(tái)轉(zhuǎn)軸垂直。再使N2面對(duì)準(zhǔn)激光束，只能選擇調(diào)第三個(gè)平臺(tái)螺絲z使光束沿原路返回。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(pán)讀出，也可從棱鏡界面反射光強(qiáng)最弱來(lái)判斷，角度確定后用棱鏡臺(tái)的固定螺絲鎖住。在棱鏡頂角A的前方放置一個(gè)白紙屏，調(diào)節(jié)M3鏡架上兩個(gè)俯仰，水平螺絲，使光束沿原路返回。當(dāng)兩串光斑各自重合于一點(diǎn)時(shí)，表明M3鏡準(zhǔn)確地使光束沿原路返回。再細(xì)致調(diào)節(jié)M3鏡，使激光功率達(dá)到最強(qiáng)。 測(cè)量要求（1） 用單色儀測(cè)量多譜線(xiàn)激光器輸出的各條激光譜線(xiàn)的波長(zhǎng)。（3） 棱鏡和反射鏡的搭配。用玻璃棱鏡至少調(diào)出四條激光譜線(xiàn)是實(shí)驗(yàn)的基本要求。通過(guò)腔內(nèi)選頻技術(shù)得到的單縱模HeNe激光器有著廣泛的應(yīng)用前景。2） 了解腔內(nèi)選頻單縱模激光器的原理。4） 掌握基本的HeNe激光器的裝調(diào)方法。6） 掌握腔內(nèi)選頻單縱模激光器的調(diào)整方法。對(duì)于在均勻增寬條件下工作的激光器，由于模的競(jìng)爭(zhēng)，一般最終將只剩下單一縱模的振蕩。但這種激光器腔長(zhǎng)較短，輸出功率較低，因而限制了它的應(yīng)用范圍。常用的選模方法有二：（1）法珀標(biāo)準(zhǔn)具插入腔內(nèi)選模，如圖1所示；設(shè)法珀標(biāo)準(zhǔn)具厚度為L(zhǎng)，折射為n，其法線(xiàn)與光路夾角為θ，則只有頻率vm滿(mǎn)足： (1)的光，對(duì)法珀標(biāo)準(zhǔn)具有極高的透過(guò)率。法珀標(biāo)準(zhǔn)具透過(guò)率的線(xiàn)寬則決定于其細(xì)度。對(duì)于法珀腔的細(xì)度則要求不高，只要其透過(guò)率線(xiàn)寬小于長(zhǎng)腔的縱模間距即可。M2，M4，M3構(gòu)成了短的FoxSmith腔。這時(shí)M1，M2雖然構(gòu)成諧振腔，也不會(huì)產(chǎn)生激光振蕩。因此與此頻率相應(yīng)的增益系數(shù)將較大于損耗，從而產(chǎn)生激光振蕩。顯然只要L1+L2≤10cm，則在增益曲線(xiàn)的多普勒線(xiàn)型內(nèi)，將只有一個(gè)縱模產(chǎn)生振蕩（見(jiàn)圖4）。而FoxSmith腔選模法，則是先抑止各個(gè)縱模，使其處于稍低于臨界振蕩的狀態(tài)，然后加上具有選頻特性的正反饋回路，使某一個(gè)單縱模振蕩起來(lái)。但為了獲得最大功率輸出，兩種方法都應(yīng)配上伺服電路以便控制腔長(zhǎng)，使腔模、選頻模有最好的符合，且處于多普勒增益線(xiàn)型的中心頻率處。 通過(guò)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(guò)率的鏡片作為輸出鏡，F(xiàn)osSmith腔則不能。 HeNe激光器縱模激光器的三個(gè)基本組成部分是增益介質(zhì)、諧振腔和激勵(lì)能源。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(guò)是光中心波長(zhǎng)而已）。不同類(lèi)型的激光器，工作條件不同，以上諸影響有主次之分。但只有單程放大，還不足以產(chǎn)生激光，還需要有諧振腔對(duì)它進(jìn)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，才有激光輸出的可能。式中，μ是折射率，對(duì)氣體μ≈1，L是腔長(zhǎng)，q是正整數(shù)，每一個(gè)q對(duì)應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布λq，叫一個(gè)縱模，q稱(chēng)作縱模序數(shù)。而關(guān)心的是有幾個(gè)不同的q值，即激光器有幾個(gè)不同的縱模?？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(gè)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腔長(zhǎng)成反比。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(xiàn)型的輪廓線(xiàn)。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。如圖一所示，圖中，增益線(xiàn)寬內(nèi)雖有五個(gè)縱模滿(mǎn)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。2．共焦球面掃描干涉儀結(jié)構(gòu)與原理圖五共焦球面掃描干涉儀是一種分辨率很高的分光儀器，已成為激光技術(shù)中一種重要的測(cè)量設(shè)備。它在本實(shí)驗(yàn)中起著不可替代的重要作用。由兩塊球形凹面反射鏡構(gòu)成共焦腔，即兩塊鏡的曲率半徑和腔長(zhǎng)相等，R1＝R2＝l。兩塊鏡中的一塊是固定不變的，另一塊固定在可隨外加電壓而變化的壓電陶瓷上。②為壓電陶瓷環(huán)，其特性是若在環(huán)的內(nèi)外壁上加一定數(shù)值的電壓，環(huán)的長(zhǎng)度將隨之發(fā)生變化，而且長(zhǎng)度的變化量與外加電壓的幅度成線(xiàn)性關(guān)系，這正是掃描干涉儀被用來(lái)掃描的基本條件。但是當(dāng)線(xiàn)性關(guān)系不好時(shí)，會(huì)給測(cè)量帶來(lái)一定的誤差。（1）自由光譜范圍圖六 掃頻干涉儀內(nèi)部光路圖當(dāng)一束激光以近光軸方向射入干涉儀后，在共焦腔中徑四次反射呈x形路徑，光程近似為4l，見(jiàn)圖五所示，光在腔內(nèi)每走一個(gè)周期都會(huì)有部分光從鏡面透射出去。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…。只要有一定幅度的電壓來(lái)改變腔長(zhǎng)，就可以使激光器全部不同波長(zhǎng)（或頻率）的模依次產(chǎn)生相干極大透過(guò)，形成掃描。例如，當(dāng)腔長(zhǎng)變化到可使λb極大時(shí)，λa會(huì)再次出現(xiàn)極大，有4ld＝kλd＝（k＋1）λa （12）即k序中的λd和k＋1序中的λa同時(shí)滿(mǎn)足極大條件，兩種不同的模被同時(shí)掃出，迭加在一起，因此掃描干涉儀本身存在一個(gè)不重序的波長(zhǎng)范圍限制。假如上例中l(wèi)d為剛剛重序的起點(diǎn)，則λdλa即為此干涉儀的自由光譜范圍值。自由光譜范圍還可用腔長(zhǎng)的變化量來(lái)描述，即腔長(zhǎng)變化量為λ/4時(shí)所對(duì)應(yīng)的掃描范圍。另外，還可看出，. Δv條件后，如果外加電壓足夠大，可使腔長(zhǎng)的變化量是λ/4的i倍時(shí)，那么將會(huì)掃描出i個(gè)干涉序，激光器的所以模將周期性地重復(fù)出現(xiàn)在干涉序k，k＋1，...，k＋i中，如圖六所示。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(xiàn)數(shù)目。因此精細(xì)常數(shù)的實(shí)際值應(yīng)由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，根據(jù)精細(xì)常數(shù)的定義顯然，就是干涉儀所能分辨出的最小波長(zhǎng)差，我們用儀器的半寬度代替，實(shí)驗(yàn)中就是一個(gè)模的半值寬度。4. 儀器用具（參見(jiàn)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(guān)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(guò)，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。接通放大器、鋸齒波發(fā)生器、示波器的開(kāi)關(guān)，觀(guān)察示波器上的展現(xiàn)的頻譜圖，進(jìn)一步細(xì)調(diào)干涉儀的兩個(gè)方位螺絲，使譜線(xiàn)盡量強(qiáng)，噪聲最小。根據(jù)干涉序個(gè)數(shù)和頻譜的周期性，確定哪些模屬于同一k序。（2） 在標(biāo)準(zhǔn)具外側(cè)加入激光器輸出腔片（M3）支架。（4） 調(diào)整增加的激光器輸出膜片M3俯仰角度，使其反射光按照原方向返回。（5） 取下原先激光器輸出模片(M2)。如果不出光應(yīng)重復(fù)（1）（5）步驟。（7） 調(diào)整FP標(biāo)準(zhǔn)具的俯仰位置，同時(shí)觀(guān)察輸出縱膜。（8） 微調(diào)輸出腔片(M3)，使得輸出激光光強(qiáng)最大。思考題： 單縱膜激光器是使用FP標(biāo)準(zhǔn)具在強(qiáng)內(nèi)選擇輸出1條激光縱膜，為什么W單縱膜≠W總/N縱膜數(shù)？ 影響激光器穩(wěn)定的因素有哪些？用何種方法得到功率、頻率穩(wěn)定性更高的單頻激光器？實(shí)驗(yàn)三 HeNe激光器諧振腔調(diào)整及外參數(shù)測(cè)量1. 引言雖然在1917年愛(ài)因斯坦就預(yù)言了收激輻射的存在，但在一般熱平衡情況下，物質(zhì)的受激輻射總是被收激吸收所掩蓋，未能在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到。但是，它仍有一定的發(fā)散度，而且光強(qiáng)分布還有著特殊結(jié)構(gòu)。相對(duì)于一般光源，激光還有單色性好的特點(diǎn)，也就是說(shuō)，它可以具有非常窄的譜線(xiàn)寬度。而相鄰兩個(gè)模的光頻率相差很小，我們用分辨率比較高的分光儀器可以觀(guān)測(cè)到每個(gè)模。按工作物質(zhì)的類(lèi)型不同，激光器可以分成四大類(lèi)：固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。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。3） 了解全外腔HeNe激光器的偏振態(tài)。5） 通過(guò)測(cè)試分析，掌握模式分析的基本方法。7） 熟悉諧振腔的構(gòu)成，學(xué)會(huì)調(diào)整的方法，體會(huì)諧振腔調(diào)整之后一些激光參數(shù)的變化。我們用全發(fā)散角2θ表征它的發(fā)散程度，定義2θ≡ (1)現(xiàn)在分析2θ在整個(gè)光路中的變化情況。在z＝0→z＝這段范圍內(nèi)，全發(fā)散角變化較慢，我們稱(chēng)為準(zhǔn)直距離， (2)在zzr,全發(fā)散角變化加快,當(dāng)z→∞, 2θ變?yōu)槌?shù),我們將此處的全發(fā)散角稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角,有 (3)不難看出,遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角實(shí)際是以光斑尺寸為軌跡的兩條雙曲線(xiàn)的漸近線(xiàn)間的夾角。可采用以下兩種近似計(jì)算:一種方法是,選取z的兩個(gè)不同值, ,根據(jù)光斑尺寸定義,從～曲線(xiàn)中分別求出ω(),ω()根據(jù)公式 （4）另一種方法是,由于z足夠大時(shí),全發(fā)散角為定值,好像是從源點(diǎn)發(fā)出的一條直線(xiàn),所以實(shí)驗(yàn)上還可用一個(gè)z值(z≥7)及與其對(duì)應(yīng)的ω(z),通過(guò)公式2θ=2ω(z)/z （5）來(lái)計(jì)算,選擇哪一個(gè)近似公式更好,要根據(jù)具體情況和誤差分析而定。光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。 圖一 上式表示衍射光柵所產(chǎn)生譜線(xiàn)的位置，這個(gè)重要的公式稱(chēng)為光柵方程。光柵常數(shù)已知，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)衍射級(jí)數(shù)j和測(cè)量衍射角來(lái)計(jì)算HeNe激光器的波長(zhǎng)。如果用某種激勵(lì)方式,將介質(zhì)的某一對(duì)能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布,由于自發(fā)輻射和受激輻射的作用,將有一定頻率的光波產(chǎn)生,在腔內(nèi)傳播,并被增益介質(zhì)逐漸增強(qiáng)、放大。因能級(jí)有一定寬度，所以粒子在諧振腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)受多種因素的影響，實(shí)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。例如低氣壓、小功率的HeNe激光器6328譜線(xiàn)，則以多普勒增寬為主，增寬線(xiàn)型基本呈高斯函數(shù)分布，寬度約為1500MHz，只有頻率落在展寬范圍內(nèi)的光在介質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)將獲得不同程度的放大。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(mǎn)足此條件的光將獲得極大增強(qiáng)，其它則相互抵消。q是一個(gè)很大的數(shù)，通常我們不需要知道它的數(shù)值。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。即腔越長(zhǎng)，Δ縱越小，滿(mǎn)足振蕩條件的縱模個(gè)數(shù)越多；相反腔越短，Δ縱越大，在同樣的增寬曲線(xiàn)范圍內(nèi)，縱模個(gè)數(shù)就越少，因而用縮短腔長(zhǎng)的辦法是獲得單縱模運(yùn)行激光器的方法之一。圖二任何事物都具有兩重性，光波在腔內(nèi)往返振蕩時(shí)，一方面有增益，使光不斷增強(qiáng)，另一方面也存在著不可避免的多種損耗，使光能減弱。所以不僅要滿(mǎn)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。對(duì)于縱模的觀(guān)測(cè)，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(cè)儀器才能觀(guān)測(cè)到。這是因?yàn)楣饷拷?jīng)過(guò)放電毛細(xì)管反饋一次，就相當(dāng)于一次衍射。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(chēng)為一個(gè)橫模。圖三總之，任何一個(gè)模，既