【正文】 況遠(yuǎn)為復(fù)雜，在重復(fù)率提高的情況下，脈沖之間沒(méi)有足夠的時(shí)間使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值，導(dǎo)致峰值功率下降，且由于增益減小，使脈寬與脈沖形成時(shí)間都會(huì)增加。四、實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備和材料25序 號(hào) 名 稱 主要用途1連續(xù)脈沖 532nm 綠激光器教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)出激光2 直流穩(wěn)壓電源 調(diào) Q 器件電源3 光功率計(jì) 激光能量檢測(cè)4 光電接收器 激光脈沖檢測(cè)5 示波器 顯示信號(hào)五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟連續(xù)綠激光實(shí)驗(yàn)：● 諧振腔調(diào)整● 以 NeNe 激光光束作為準(zhǔn)直工具，進(jìn)行激光諧振腔的調(diào)整，得到綠激光輸出。此平凹反射鏡有一大一小兩個(gè)反射光斑；使大光斑和入射光束同心，并使小光斑盡量和入射光束接近（同心最好） ；● 按激光器驅(qū)動(dòng)器使用要求，接通激光器驅(qū)動(dòng)器，并使 LD 在適當(dāng)?shù)碾娏飨鹿ぷ鳎淮藭r(shí)應(yīng)當(dāng)看到有綠激光輸出；如果沒(méi)有激光輸出，可以微調(diào)反射鏡的角度（在小范圍內(nèi)掃描） ，直到有綠激光輸出；● 微調(diào)反射鏡角度，使輸出綠激光最強(qiáng)。 Q 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器上控制線路板 4 路開(kāi)關(guān)說(shuō)明：＃、2＃和 3＃只能分別單獨(dú)接通一個(gè)，容許同時(shí)接通：1＃：接通時(shí)，用內(nèi)部方波信號(hào)控制 Q 開(kāi)關(guān)工作；2＃：接通時(shí)，用（計(jì)算機(jī)）TTL 電平控制 Q 開(kāi)關(guān)（接在 點(diǎn)）3＃：接通時(shí)，用手動(dòng)觸發(fā)控制 Q 開(kāi)關(guān)工作；（接在 tap 點(diǎn)）4＃：接通 5VDC 電源，控制板工作。在調(diào) Q 狀態(tài)下電流不宜超過(guò) 安培。思考平均功率與峰值功率的區(qū)別。要形成激光，第一，首先要有激勵(lì)能源（以 HeNe 氣體激光器為例）激勵(lì)能源為直流高壓，當(dāng)玻璃管里充上不同比例的氦氣和氖（激活物質(zhì)）在激活物質(zhì)內(nèi)部通過(guò)氣體放電，在某些能級(jí)之間，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在忽略介質(zhì)的損耗的情況下，閾值條件為 r1e2GL≥I (式中 r1，r 2為兩諧振腔的反射率，L 為激活物質(zhì)的長(zhǎng)度) dIγ (Z) G 為激活物質(zhì)的增益系數(shù)，定義為：G(γ)= Iγ 激光器出光原理（以半內(nèi)腔式為例）在激光器內(nèi)充有一定比例的氦氣和氖氣。當(dāng)在激光器正、負(fù)極加直流高壓時(shí)（一般 3KV 以上） ，氖離子發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這束光被兩個(gè)諧振腔進(jìn)行多次反射后，經(jīng)鍍有半透半反膜的一端射出，即為激光。諧振腔 B 也要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢測(cè)，當(dāng)與光軸垂直時(shí)才能出光。1 23 41． 半導(dǎo)體激光器 HeNe 激光器 圖 2五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 圖 3將氦氖激光管開(kāi)啟，輝光點(diǎn)燃，把光靶小燈泡點(diǎn)亮。在十字叉絲中間有一小孔，眼睛通過(guò)小孔，看到激光管的毛細(xì)管另一端，被諧振腔 A 反射到眼睛中的一個(gè)“小白點(diǎn)” （即眼睛、小孔、毛細(xì)管在一條直線上） 。此時(shí)的十字叉絲像可能在圖三的某一位置，調(diào)節(jié)諧振腔 B 架后的兩個(gè)螺絲，使十字叉絲完全落在小孔的正中間，見(jiàn)圖 4。若諧振腔與毛30細(xì)管光軸調(diào)節(jié)的范圍大于 λ/4 就不出激光，還需繼續(xù)調(diào)節(jié)諧振腔的兩個(gè)螺絲，直到諧振腔與毛細(xì)管光軸調(diào)節(jié)范圍小于 λ/4，激光才能出來(lái)，否則不出光。 2）將激光管電源打開(kāi)，調(diào)節(jié)到規(guī)定電流。原因可能是由于不同軸，光點(diǎn)打在氦氖激光器的激光管管壁上（歪了） 。若沒(méi)通過(guò)小孔而打在了白屏上，則需調(diào)節(jié)諧振腔 B 的兩個(gè)螺絲，使返回的光點(diǎn)通過(guò)小孔，最終射到諧振腔 B 上。若沒(méi)有氦氖激光器的光，說(shuō)明光軸與諧振腔的角度大于 λ/4，還需繼續(xù)調(diào)節(jié)諧振腔 B 的兩個(gè)螺絲，直到出光為止。六、注意事項(xiàng)調(diào)節(jié)每一步時(shí)，都要仔細(xì)認(rèn)真，調(diào)節(jié)的螺絲不要擰的太緊或太松。31實(shí)驗(yàn)六、HeNe 激光器的模式分析相對(duì)一般光源，激光具有單色性好的特點(diǎn)，也就是說(shuō)，它具有非常窄的譜線寬度。所形成的一個(gè)或多個(gè)離散的、穩(wěn)定的又很精細(xì)的譜線就是激光器的模。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測(cè)到每個(gè)模。在激光器的生產(chǎn)與應(yīng)用中，我們常常需要先知道激光器的模式狀況，如精密測(cè)量、全息技術(shù)等工作需要基橫模輸出的激光器，而激光穩(wěn)頻和激光測(cè)距等不僅要求基橫模，而且要求單縱模運(yùn)行的激光器。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1．了解激光器的模式結(jié)構(gòu)，加深對(duì)模式概念的理解。3．對(duì)本實(shí)驗(yàn)使用的分光儀器——共焦球面掃描干涉儀，了解其原理、性能，學(xué)會(huì)正確使用。如果用某種激勵(lì)方式，在介質(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，如圖 1 所示。只有頻率落在這)(?G個(gè)范圍內(nèi)的光在介質(zhì)中傳播時(shí)，光強(qiáng)才能獲得不同程度的放大。形成持續(xù)振蕩的條件是，光在諧振腔內(nèi)往返一周的光程差應(yīng)是波長(zhǎng)的整數(shù)倍，即 （1）qL???232式中， 為折射率，對(duì)氣體 ≈1； 為腔??L長(zhǎng)； 為正整數(shù)。每一個(gè) 對(duì)應(yīng)縱向一種穩(wěn)定的電磁場(chǎng)分布，叫作一個(gè)縱模， 稱作縱模序數(shù)。從（1）式中，我們還看出，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， 值反映的恰是駐波波腹的q圖 22 光的增益曲線 數(shù)目，縱模的頻率為 （2）Lcq??2?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 （3）cq1???從（3）式中看出，相鄰縱模頻率間隔和激光器的腔長(zhǎng)成反比，即腔越長(zhǎng)，相鄰縱模頻率間隔越小，滿足振蕩條件的縱模個(gè)數(shù)越多；相反，腔越短，相鄰縱模頻率間隔越大，在同樣的增益曲線范圍內(nèi)，縱模個(gè)數(shù)就越少。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)；另一方面也存在著多種損耗，使光強(qiáng)減弱，如介質(zhì)的吸收損耗、散射損耗、鏡面的透射損耗、放電毛細(xì)管的衍射損耗等。如圖 3 所示，有五個(gè)縱模滿足諧振條件，其中有兩個(gè)縱模的增益小于損耗，所以，有三個(gè)縱模形成持續(xù)振蕩。圖 3 縱模和縱模間隔諧振腔對(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？回答是肯定的，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，多次反復(fù)衍33射，就在橫向形成了一個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定的衍射光斑。圖 4 中，給出了幾種常見(jiàn)的基本橫模光斑圖樣。激光的模式用 來(lái)表示，其中， 、 為橫mnqTEMn模的標(biāo)記， 為縱模的標(biāo)記。圖 4 常見(jiàn)的橫模光斑圖前面已知，不同的縱模對(duì)應(yīng)不同的頻率，那么同一個(gè)縱模序數(shù)內(nèi)的不同橫模又如何呢？同樣，不同的橫模也對(duì)應(yīng)不同的頻率。通常我們也不需要求出橫模頻率，我們關(guān)心的是不同橫模間的頻率差。分?jǐn)?shù)的大小由激光器的腔長(zhǎng)和曲率半徑?jīng)Q定，腔長(zhǎng)與曲率半徑的比值越大，分?jǐn)?shù)值越大。34圖 5 縱模、橫模的分布激光器中能產(chǎn)生的橫模個(gè)數(shù)，除前述增益因素外，還與放電毛細(xì)管的粗細(xì)，內(nèi)部損耗等因素有關(guān)。序數(shù)越高的橫模，其衍射損耗越大，形成穩(wěn)定的振蕩就越困難，但激光器輸出光中橫模的強(qiáng)弱絕不能僅從衍射損耗一個(gè)因素考慮，而是由多種因素共同決定的。因?yàn)椋瑑H從光的強(qiáng)弱來(lái)判斷橫模階數(shù)的高低，即認(rèn)為光最強(qiáng)的譜線一定是基橫模，這是不對(duì)的，而應(yīng)根據(jù)高階橫模具有高頻率來(lái)確定。但階數(shù) 和 無(wú)法僅從頻譜圖上確定，因?yàn)轭l譜圖上只能看到有幾個(gè)不同的 ，可以測(cè)mn nm?出 的差值，然而不同的 或 可對(duì)應(yīng)相同的 ，在頻譜圖上則是相同的，因此?mnnm?要確定 和 各是多少，還需結(jié)合激光器輸出的光斑圖形進(jìn)行判斷。當(dāng)只有一個(gè)橫模時(shí)，很容易辨認(rèn)。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)確地確定出每個(gè)橫橫的 和 值。本實(shí)驗(yàn)就是通過(guò)它將彼此頻率差異甚小（幾十至幾百 MHz） ，用一般光譜儀器無(wú)法分辨的各個(gè)不同的縱模、橫模展現(xiàn)成頻譜圖來(lái)進(jìn)行觀測(cè)的。共焦球面掃描干涉儀是一個(gè)無(wú)源諧振腔，它由兩塊球形凹面反射鏡構(gòu)成共焦腔，即兩塊反射鏡的曲率半徑和腔長(zhǎng) 相等（ ） 。兩塊反射鏡llR??21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環(huán)上，如圖 6 所示。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35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性關(guān)系，這是掃描干涉儀被用來(lái)掃描的基本條件。但是當(dāng)線性關(guān)系不好時(shí)，會(huì)給測(cè)量帶來(lái)一定誤差。光在腔內(nèi)每走一個(gè)周期都會(huì)有一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 ，使模 極大透射，而 等其它模blb?a?又不能透過(guò)……因此，透射極大的波長(zhǎng)值與腔長(zhǎng)值之間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。值得注意的是，若入射光的波長(zhǎng)范圍超過(guò)某一限度，外加電壓雖可使腔長(zhǎng)線性變化，但一個(gè)確定的腔長(zhǎng)有可能使幾個(gè)不同波長(zhǎng)的模同時(shí)產(chǎn)生相干極大，造成重序。所以，掃描干涉儀本身存在一個(gè)不重序的波長(zhǎng)范圍限制，即所謂自由光譜范圍，它是指掃描干涉儀所能掃出的不重序的最大波長(zhǎng)差或頻率差，用 或 表示。經(jīng)推導(dǎo)，可dl d?a得 (8)dadl4??由于 與 之間相差很小，腔長(zhǎng)的變化僅為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)，上式可近似表示為d?a （9）lRS42.???式中 為平均波長(zhǎng)。這樣，才能保證頻譜圖上不重序，腔長(zhǎng)與模的波長(zhǎng)（或頻率）間是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。?因?yàn)?，光在共焦腔?nèi)呈 X 型路徑行進(jìn)，四倍路程的光程差正好等于 ，干涉序數(shù)改變?yōu)?。k1?ik圖 8精細(xì)常數(shù)：（F）用來(lái)表征掃描干涉儀分辨本領(lǐng)的參數(shù)。即在自由光譜范圍內(nèi)能分辨的最多的譜線數(shù)目。四、實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備和材料序 號(hào) 名 稱 主要用途1 激光器 光源，分析 模式狀況2 小孔光欄 調(diào)光的輔助工具3 掃描干涉儀 使激光器里各種不同的模按頻率分開(kāi)4接收放大器 將掃描干涉儀輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)5 鋸齒波發(fā)生器 為掃描干涉儀上的壓電陶瓷提供電壓6 示波器 用以觀察經(jīng)掃描和放大后激光管的頻譜圖圖 9實(shí)驗(yàn)裝置說(shuō)明：（1） 激光器：具有不同模式結(jié)構(gòu)的 HeNe 激光器，分別了解不同模式狀況。（3） 小孔光欄：調(diào)光的輔助工具，起正負(fù)兩方向光束準(zhǔn)直作用。（5） 接收放大器：將掃描干涉儀輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，經(jīng)放大輸入到示波器的 y 軸上。δλ38（7） 鋸齒波發(fā)生器：為掃描干涉儀上的壓電陶瓷提供電壓，同時(shí)輸入到示波器 X 軸上作同步掃描。（8） 示波器：用以觀察經(jīng)掃描和放大后激光管的頻譜圖。2．點(diǎn)燃激光管：注意電源輸出的正負(fù)極與激光管的正負(fù)極一一對(duì)應(yīng)，正負(fù)極不要接錯(cuò)（一般黑顏色為負(fù)極，紅顏色為正極） 。調(diào)節(jié) HeNe 激光管的高低、仰俯，使激光束與光學(xué)平臺(tái)的表面平行，且與掃描干涉儀的光孔大致等高。調(diào)節(jié)掃描干涉儀的上下、左右位置，使激光束正入射到掃描干涉儀中，再細(xì)調(diào)干涉儀上的四個(gè)鼓輪，使干涉儀腔鏡反射回來(lái)的光點(diǎn)回到光闌的小孔附近（注意：不要使光點(diǎn)回到光闌的小孔中） ，且使反射光斑的中心與光闌的小孔大致重合，這時(shí)入射光束與掃描干涉儀的光軸基本平行。調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸出電壓的大?。凑{(diào)節(jié)“幅度”旋鈕）和頻率，在光屏上可以看到激光經(jīng)過(guò)掃描干涉儀后形成的光斑。6．降低驅(qū)動(dòng)器的頻率，觀察光屏上的干涉條紋,調(diào)節(jié)干涉儀上的四個(gè)鼓輪，使干涉條紋最寬。進(jìn)一步細(xì)調(diào)掃描干涉儀的鼓輪及光電二極管的位置，使譜線盡量強(qiáng)。將峰值調(diào)到 150V 時(shí)，觀察示波器上干涉序的個(gè)數(shù)。9．改變驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓（即調(diào)節(jié)“幅度”旋鈕） ，觀察示波器上干涉序數(shù)目的變化。10．根據(jù)自由光譜范圍的定義，確定哪兩條譜線之間對(duì)應(yīng)著自由光譜范圍 (??驗(yàn)使用的掃描干涉儀的自由光譜范圍 = )。11．在同一干涉序內(nèi)，根據(jù)縱模定義，測(cè)出縱模頻率間隔 。L提示：本實(shí)驗(yàn)使用的 HeNe 激光器發(fā)出的激光的偏振態(tài)有兩個(gè)，它們互相垂直，相互獨(dú)立。因此測(cè)量縱模間隔需要判斷哪些模對(duì)應(yīng)同一偏振態(tài)。提示：激光器剛開(kāi)啟時(shí)，放電管溫度逐漸升高，腔長(zhǎng) 逐漸增大，根據(jù)（2）式，L39逐漸變小。13．測(cè)出不同橫模的頻率間隔 ，并與理論值相比較，檢查辨認(rèn)是否正確，確nm???定 的數(shù)值。nm?? 1R214．觀察激光束在遠(yuǎn)處光屏上的光斑形狀。mn F。計(jì)算干涉儀的光譜常數(shù)。2．開(kāi)啟或關(guān)閉掃描干涉儀的驅(qū)動(dòng)器時(shí)，必須先將“幅度”旋鈕置于最小值（反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到底） ，以免將其