【正文】 光靶的調(diào)整工具。調(diào)整時讓刻有十字線的一面對著激光器的一端，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直徑約為2－3mm的放電毛細(xì)管截面，顏色比周圍背景亮。(b)所示，上下左右調(diào)整光靶的位置，使小亮點處在毛細(xì)管截面的中心，這是光靶的小孔就處在毛細(xì)管的軸線上了。調(diào)節(jié)反射鏡架上兩個俯仰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)中心亮點變亮的現(xiàn)象，調(diào)出激光就不難了。這時兩鏡片在調(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。若一開始調(diào)A2激光功率不上升，應(yīng)改為逆時針微調(diào)A1，重復(fù)上述方法。令B1主動，B2為隨動，方法如前述，當(dāng)激光功率達(dá)到最大時，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表示棱鏡平臺轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)動角度可以從度盤上讀出，讀數(shù)精度為1′。平臺的傾斜用x，y，z螺絲調(diào)節(jié)。棱鏡臺的放置須使PQ的連線與激光束方向平行，并在VO方向移動，使棱鏡臺的轉(zhuǎn)軸與激光束相交。用一塊平面鏡放置在棱鏡平臺上，鏡面與xy連線正交，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，將棱鏡臺轉(zhuǎn)180176。分別調(diào)平臺上的螺絲x或y及轉(zhuǎn)臺的基腳螺絲P或Q各使反射光與入射光的差距減少一半，反復(fù)使棱鏡臺轉(zhuǎn)動180176。調(diào)棱鏡臺的基腳螺絲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，圖中用粗線表示。 調(diào)節(jié)棱鏡兩個通光面的法線，使之與棱鏡臺轉(zhuǎn)軸垂直。再使N2面對準(zhǔn)激光束，只能選擇調(diào)第三個平臺螺絲z使光束沿原路返回。iii) 調(diào)M3鏡轉(zhuǎn)動棱鏡臺，使M2輸出的光束以布儒斯特角入射到N1界面上，轉(zhuǎn)動的角度可由棱鏡臺度盤讀出，也可從棱鏡界面反射光強最弱來判斷，角度確定后用棱鏡臺的固定螺絲鎖住。在棱鏡頂角A的前方放置一個白紙屏，調(diào)節(jié)M3鏡架上兩個俯仰，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時，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。 測量要求（1） 用單色儀測量多譜線激光器輸出的各條激光譜線的波長。（3） 棱鏡和反射鏡的搭配。用玻璃棱鏡至少調(diào)出四條激光譜線是實驗的基本要求。通過腔內(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。對于在均勻增寬條件下工作的激光器，由于模的競爭，一般最終將只剩下單一縱模的振蕩。但這種激光器腔長較短，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，折射為n，其法線與光路夾角為θ，則只有頻率vm滿足： (1)的光，對法珀標(biāo)準(zhǔn)具有極高的透過率。法珀標(biāo)準(zhǔn)具透過率的線寬則決定于其細(xì)度。對于法珀腔的細(xì)度則要求不高，只要其透過率線寬小于長腔的縱模間距即可。M2，M4，M3構(gòu)成了短的FoxSmith腔。這時M1，M2雖然構(gòu)成諧振腔，也不會產(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，則在增益曲線的多普勒線型內(nèi)，將只有一個縱模產(chǎn)生振蕩（見圖4）。而FoxSmith腔選模法，則是先抑止各個縱模，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，使某一個單縱模振蕩起來。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，使腔模、選頻模有最好的符合，且處于多普勒增益線型的中心頻率處。 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。 HeNe激光器縱模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。被傳播的光波決不是單一頻率的（通常所謂某一波長的光，不過是光中心波長而已）。不同類型的激光器，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)。而關(guān)心的是有幾個不同的q值，即激光器有幾個不同的縱模。縱模的頻率為 (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；對應(yīng)同一橫模的一組縱模，它們強度的頂點構(gòu)成了多普勒線型的輪廓線。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，增益線寬內(nèi)雖有五個縱模滿足諧振條件，但只有三個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)中一種重要的測量設(shè)備。它在本實驗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)的長度將隨之發(fā)生變化，而且長度的變化量與外加電壓的幅度成線性關(guān)系，這正是掃描干涉儀被用來掃描的基本條件。但是當(dāng)線性關(guān)系不好時，會給測量帶來一定的誤差。（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，見圖五所示，光在腔內(nèi)每走一個周期都會有部分光從鏡面透射出去。同理，外加電壓又可使腔長變化到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改變腔長，就可以使激光器全部不同波長（或頻率）的模依次產(chǎn)生相干極大透過，形成掃描。例如，當(dāng)腔長變化到可使λb極大時，λa會再次出現(xiàn)極大，有4ld＝kλd＝（k＋1）λa （12）即k序中的λd和k＋1序中的λa同時滿足極大條件，兩種不同的模被同時掃出，迭加在一起，因此掃描干涉儀本身存在一個不重序的波長范圍限制。假如上例中l(wèi)d為剛剛重序的起點，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的變化量來描述，即腔長變化量為λ/4時所對應(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，可使腔長的變化量是λ/4的i倍時，那么將會掃描出i個干涉序，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數(shù)目。因此精細(xì)常數(shù)的實際值應(yīng)由實驗來確定，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差，我們用儀器的半寬度代替，實驗中就是一個模的半值寬度。4. 儀器用具（參見附表）5. 實驗內(nèi)容 實驗系統(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方位螺絲，使從干涉儀腔鏡反射的最亮的光點回到光闌小孔的中心附近，這時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、示波器的開關(guān)，觀察示波器上的展現(xiàn)的頻譜圖，進(jìn)一步細(xì)調(diào)干涉儀的兩個方位螺絲，使譜線盡量強，噪聲最小。根據(jù)干涉序個數(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，同時觀察輸出縱膜。（8） 微調(diào)輸出腔片(M3)，使得輸出激光光強最大。思考題： 單縱膜激光器是使用FP標(biāo)準(zhǔn)具在強內(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？實驗三 HeNe激光器諧振腔調(diào)整及外參數(shù)測量1. 引言雖然在1917年愛因斯坦就預(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，未能在實驗中觀察到。但是，它仍有一定的發(fā)散度，而且光強分布還有著特殊結(jié)構(gòu)。相對于一般光源，激光還有單色性好的特點，也就是說，它可以具有非常窄的譜線寬度。而相鄰兩個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測到每個模。按工作物質(zhì)的類型不同，激光器可以分成四大類：固體激光器、氣體激光器、液體激光器和半導(dǎo)體激光器。2. 實驗?zāi)康?） 學(xué)會對描述高斯光束傳播特性的主要參數(shù)即光斑尺寸，遠(yuǎn)場發(fā)散角的測量方法。3） 了解全外腔HeNe激光器的偏振態(tài)。5） 通過測試分析，掌握模式分析的基本方法。7） 熟悉諧振腔的構(gòu)成，學(xué)會調(diào)整的方法，體會諧振腔調(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)散角稱為遠(yuǎn)場發(fā)散角,有 (3)不難看出,遠(yuǎn)場發(fā)散角實際是以光斑尺寸為軌跡的兩條雙曲線的漸近線間的夾角?？刹捎靡韵聝煞N近似計算:一種方法是,選取z的兩個不同值, ,根據(jù)光斑尺寸定義,從～曲線中分別求出ω(),ω()根據(jù)公式 （4）另一種方法是,由于z足夠大時,全發(fā)散角為定值,好像是從源點發(fā)出的一條直線,所以實驗上還可用一個z值(z≥7)及與其對應(yīng)的ω(z),通過公式2θ=2ω(z)/z （5）來計算,選擇哪一個近似公式更好,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)生譜線的位置，這個重要的公式稱為光柵方程。光柵常數(shù)已知，可以通過統(tǒng)計衍射級數(shù)j和測量衍射角來計算HeNe激光器的波長。如果用某種激勵方式,將介質(zhì)的某一對能級間形成粒子數(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、放大。因能級有一定寬度，所以粒子在諧振腔內(nèi)運動受多種因素的影響，實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，則以多普勒增寬為主，增寬線型基本呈高斯函數(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，光強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。q是一個很大的數(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，Δ縱越小，滿足振蕩條件的縱模個數(shù)越多；相反腔越短，Δ縱越大，在同樣的增寬曲線范圍內(nèi)，縱模個數(shù)就越少，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。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。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。對于縱模的觀測，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儀器才能觀測到。這是因為光每經(jīng)過放電毛細(xì)管反饋一次，就相當(dāng)于一次衍射。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。圖三總之，任何一個模，既