发布时间 : 星期四 文章He-Ne激光器谐振腔调整及纵横模观测1更新完毕开始阅读1b8352ffba0d4a7302763a71
用一般光谱仪器无法分辨的各个不同的纵模、横模展现成频谱图来进行观测的。在本实验中，它起着关键作用。
共焦球面扫描干涉仪是一个无源谐振腔，它由两块球形凹面反射镜构成共焦
腔，即两块反射镜的曲率半径和腔长
??R2??l）。反射镜镀有高l相等（R1反射率膜。两块反射镜中的一块是固
定不变的，另一块固定在可随外加电压而变化的压电陶瓷环上，如图2-6所示。图中，①为由低膨胀系数材料制成的间隔圈，用以保持两球形凹面
?总是处在共焦状态。反射镜R1?和R2②为压电陶瓷环，其特性是若在环的
内外壁上加一定数值的电压，环的长度将随之发生变化，而且长度的变化量与外加电压的幅度成线性关
图 2-6 共焦球面扫描干涉仪内部结构示意图 系，这是扫描干涉仪被用来扫描的基本
条件。由于长度的变化量很小，仅为
波长数量级，所以，外加电压不会改变腔的共焦状态。但是当线性关系不好时，会给测量带来一定误差。
当一束激光以近光轴方向射入干涉仪后，在共焦腔中经四次反射呈X形路径，光程近似为4l，见图2-7所示。光在腔内每走一个周期都会有一部分光从镜面
透射
出去。如在A、B两点，形成一束束透射光1、2、3??和1?、2?、3???我们在压电陶瓷上加一线性电压，当外加电压使腔长变化到某一长度la，使相邻
图 2-7 共焦球面扫描干涉仪内部光路图 两次透射光束的
光
程差是入射光
中模波长为?a这条谱线波长的整数倍时，即满足
4la?k?a
（2-6）
模?a将产生相干极大透射（k为扫描干涉仪的干涉序数，为一个正整数），而其它波长的模则不能透过。同理，外加电压又可使腔长变化到lb，使模?b极大透射，
而?a等其它模又不能透过??因此，透射极大的波长值与腔长值之间有一一对应关系。只要有一定幅度的电压来改变腔长，就可以使激光器具有的所有不同波长（或频率）的模依次相干极大透过，形成扫描。
值得注意的是，若入射光的波长范围超过某一限度，外加电压虽可使腔长线性变化，但一个确定的腔长有可能使几个不同波长的模同时产生相干极大，造成重序。例如，当腔长变化到可使?d极大时，?a会再次出现极大，于是有
4ld?k?d?(k?1)?a
（2-7）
即k序中的?d和k?1序中的?a同时满足极大条件，两个不同波长的模被同时扫出，叠加在一起。所以，扫描干涉仪本身存在一个不重序的波长范围限制，即所谓自由光谱范围，它是指扫描干涉仪所能扫出的不重序的最大波长差或频率差，用??S.R.或??S.R.表示。假如上例中的ld为刚刚重序的起点，则?d-?a即为此干涉仪的自由光谱范围值。经推导，可得
?d??a?(2-8)
?a?d4ld
由于?d与?a之间相差很小，腔长的变化仅为波长数量级，上式可近似表示为
??S.R.??24l
（2-9）
式中?为平均波长。用频率表示，则为
??S.R.?c4l
（2-10）
在模式分析实验中，由于我们不希望出现（2-7）式中的重序现象，故选用扫描干涉仪时，必须首先知道它的自由光谱范围??S.R.和待分析激光器的频率范围??，并使??S.R.>??。这样，才能保证频谱图上不重序，腔长与模的波长（或频率）间是一一对应关系。
自由光谱范围还可用腔长的变化量来描述，即腔长变化量为?/4时所对应的扫描范围。因为，光在共焦腔内呈X型路径行进，四倍路程的光程差正好等于?，干涉序数改变为1。
另外，还可以看出，当满足??S.R.>??条件后，如果外加电压足够大，使腔长最大的变化量是?/4的i倍，那么将会扫描出i个干涉序，激光器的所有模将
周期性地重复出现在干涉序k、k?1??k?i中。 三、实验仪器
实验装置如图2-8所示。实验装置的各组成部分说明如下： 1．待测He-Ne激光器。 2．激光电源。 3．小孔光阑。
4．共焦球面扫描干涉仪。使激光器的各个模按波长（或频率）展开，其透射光中心波长为632.8nm。仪器上有四个鼓轮，其中两个鼓轮用于调节腔的上下、左右位置，另外两个鼓轮用于调节腔的方位。
5．驱动器。驱动器电压除了加在扫描干涉仪的压电陶瓷上，还同时输出到示波器的X轴作同步扫描。为了便于观察，我们希望能够移动干涉序的中心波长在频谱图中的位置，以使每个序中所有的模式能完整地展现在示波器的荧光屏上。为此，驱动器还增设了一个直流偏置电路，用以改变扫描的电压起点。
图 2-8 实验装置图
6．光电二极管。将扫描干涉仪输出的光信号转变成电信号，并输入到示波器Y轴。
7．示波器。用于观测He-Ne激光器的频谱图。 四、实验内容及步骤
1．按实验装置图连接线路。经检查无误，方可进行实验。 2．开启激光电源。
3．用直尺测量扫描干涉仪光孔的高度。调节He-Ne激光管的高低、仰俯，使激光束与光学平台的表面平行，且与扫描干涉仪的光孔大致等高。
4．使激光束通过小孔光阑。调节扫描干涉仪的上下、左右位置，使激光束正入射到扫描干涉仪中，再细调干涉仪上的四个鼓轮，使干涉仪腔镜反射回来的光点回到光阑的小孔附近（注意：不要使光点回到光阑的小孔中），且使反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合，这时入射光束与扫描干涉仪的光轴基本平行。
5．开启扫描干涉仪驱动器和示波器的电源开关。调节驱动器输出电压的大小（即调节“幅度”旋钮）和频率，在光屏上可以看到激光经过扫描干涉仪后形成的光斑。
注意：如果在光屏上形成两个光斑，要在保持反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合的条件下，调节扫描干涉仪的鼓轮，使经过扫描干涉仪后形成的两个光斑重合。
6．降低驱动器的频率，观察光屏上的干涉条纹,调节干涉仪上的四个鼓轮，使干涉条纹最宽。
注意：调节过程中，要保持反射光斑的中心与光阑的小孔大致重合
7．将光电二极管对准扫描干涉仪输出光斑的中心，调高驱动器的频率，观察示波器上展现的频谱图。进一步细调扫描干涉仪的鼓轮及光电二极管的位置，使谱线尽量强。
8．根据干涉序个数和频谱的周性期，确定哪些模属于同一个干涉序。 9．改变驱动器的输出电压（即调节“幅度”旋钮），观察示波器上干涉序数目的变化。改变驱动器的扫描电压起点（即调节“直流偏置”旋钮），可使某一个干涉序或某几个干涉序的所有模式完整地展现在示波器的荧光屏上。
10．根据自由光谱范围的定义，确定哪两条谱线之间对应着自由光谱范围
??S.R.(本实验使用的扫描干涉仪的自由光谱范围??S.R.= 2.5GHz)。测出示波器
荧光屏上与??S.R.相对应的标尺长度，计算出二者的比值，既示波器荧光屏上1毫米对应的频率间隔值。
11．在同一干涉序内，根据纵模定义，测出纵模频率间隔???q?1。将测量值与理论值相比较 (注：待测激光器的腔长L由实验室给出)。
12．确定示波器荧光屏上频率增加的方向，以便确定在同一纵模序数内哪个模是基横模，哪些模是高阶横模。
提示：激光器刚开启时，放电管温度逐渐升高，腔长L逐渐增大，根据（2-2）式，?q逐渐变小。在示波器荧光屏上可以观察到谱线向频率减小的方向移动，所以，其反方向就是示波器荧光屏上频率增加的方向。
13．测出不同横模的频率间隔???m??n，并与理论值相比较，检查辨认是否正确，确定?m??n的数值。（注：谐振腔两个反射镜的曲率半径R1、R2由实验室给出）。 14．观察激光束在远处光屏上的光斑形状。这时看到的应是所有横模的叠加图，需结合图2-4中单一横模的形状加以辨认，确定出每个横模的模序,既每个横模的m、n值。 五、思考题
1．观测时，为何要先确定出示波器荧光屏上被扫出的干涉序的数目？ 六、注意事项
1．实验过程中要注意眼睛的防护，绝对禁止用眼睛直视激光束。
2．开启或关闭扫描干涉仪的驱动器时，必须先将“幅度”旋钮置于最小值（反时针方向旋转到底），以免将其损坏。