激光基本物理效應(yīng)實驗系統(tǒng)
激光的出現(xiàn)改變了科學(xué)和技術(shù)的面貌，因此激光原理、激光技術(shù)的教學(xué)成為了高等院校中光學(xué)、物理、電子、測試、儀器等很多專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一。激光有很多物理效應(yīng)，特別是激光橫模、激光縱模、激光頻率、激光器腔的調(diào)諧、激光模的競爭、激光的偏振、激光回饋等。這些基本的物理特性是理解激光原理以及做激光器的設(shè)計和裝調(diào)必須掌握的，也是學(xué)生畢業(yè)后從事激光相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的基本技術(shù)基礎(chǔ)，因此成為激光技術(shù)學(xué)習(xí)中的重要內(nèi)容。
但是，這些內(nèi)容相對比較抽象難懂，并且由于專業(yè)的教學(xué)儀器的滯后，高校的激光實驗課程卻無法全面、清晰地向?qū)W生展示這些激光物理現(xiàn)象，妨礙了學(xué)生的深入理解。為了彌補這一缺失，基于清華大學(xué)激光與應(yīng)用課題組(談宜東，張書練)研制的中心波長632.8nm的貓眼腔He-Ne激光器和雙折射雙頻激光器，并結(jié)合多年的激光技術(shù)及應(yīng)用課堂教學(xué)經(jīng)驗，設(shè)計了一套較為完整的激光基本物理效應(yīng)實驗系統(tǒng)，可全面、清晰地演示激光的若干基本物理現(xiàn)象，并方便學(xué)生動手操作，有著很好的教學(xué)指導(dǎo)意義。
激光基本物理效應(yīng)實驗系統(tǒng)由三套儀器構(gòu)成，分別為：
(1)激光橫模演示儀
該系統(tǒng)實際是一個損耗可連續(xù)調(diào)節(jié)的激光器。激光器的一端是一個凹面鏡，其輸出光束經(jīng)過擴束鏡BE擴束后變?yōu)榘l(fā)散的光斑，在遠(yuǎn)處的白屏上即可看到橫模圖樣。也可以用CCD接收，由圖像采集卡將圖像采集到計算機中觀察。激光器的另一端是一個貓眼逆向器腔鏡，通過改變逆向器的參數(shù)(軸向間距)連續(xù)調(diào)節(jié)激光器損耗，從而可人為控制輸出不同階次的高階橫模。
儀器功能包括：(a)可實際演示十幾種橫模模式，如：TEM00, TEM12，TEM02，TEM22, TEM04, TEM13，等;(b)該儀器不僅可以演示矩形橫模模式，通過調(diào)整貓眼的離軸量還可以演示圓形橫模圖樣，方便學(xué)生比較兩種橫模命名方式的異同;(c)該儀器還可觀察多種混合橫模，通過旋轉(zhuǎn)偏振片可清楚地區(qū)分不同橫模的偏振態(tài)。
該儀器主要幫助學(xué)生認(rèn)識激光橫模的產(chǎn)生，掌握通過控制腔內(nèi)損耗調(diào)節(jié)不同橫模模式的方法，并且，幫助學(xué)生建立橫模的偏振態(tài)的概念。對于有興趣鉆研的學(xué)生，還可以對貓眼腔結(jié)構(gòu)激光器做一些理論分析和嘗試，求解激光腔內(nèi)的損耗和貓眼結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，以及由此產(chǎn)生的相應(yīng)的高階橫模模式?？傊ㄟ^理論和實踐相互印證，互為支撐的方式，增強了教學(xué)效果，彌補了理論課枯燥的不足。
(2)激光縱模頻率分裂與模競爭系統(tǒng)
該系統(tǒng)由半外腔激光器和腔內(nèi)插入的石英晶體或應(yīng)力雙折射元件構(gòu)成，即一個雙折射雙頻激光器，其輸出頻率差從幾十MHz到1個縱模間隔連續(xù)可調(diào)。激光器的一個腔鏡固定在一個壓電陶瓷上，由壓電陶瓷推動腔鏡在微米量級范圍內(nèi)調(diào)諧激光腔長。激光器輸出縱模模式，由掃描干涉儀觀測，并經(jīng)過信號處理和采集后由計算機顯示，完成各種測量功能。
儀器功能有：(a)該儀器可以展示激光縱模的偏振態(tài)。由于腔內(nèi)有雙折射元件，激光縱模分裂成o光和e光兩個正交線偏振頻率，通過偏振片可以清楚地展示o光和e光的偏振面相互垂直;(b)演示激光器內(nèi)的頻率分裂過程。即隨著石英晶體的轉(zhuǎn)角或者應(yīng)力片上的加力改變，o光和e光之間的頻率差逐漸增大，從而在頻率軸上逐漸拉開的過程，并動態(tài)顯示腔調(diào)諧過程中兩模式的光強互相轉(zhuǎn)移和交換過程;(c)可清楚地顯示激光腔內(nèi)的模競爭現(xiàn)象，先進入出光帶寬獲得振蕩的模式(如o光)會抑制后來模式(如e光)的振蕩，導(dǎo)致o光在頻率軸上的振蕩區(qū)間遠(yuǎn)大于兩者之間頻率差的大小。在此基礎(chǔ)上，還可以顯示頻率分裂激光振蕩的偏振三態(tài)和四態(tài)等;(d)可展示并測量激光器的出光帶寬，掃描干涉儀的自由光譜區(qū)，以及頻率分裂量等。
該儀器幫助學(xué)生認(rèn)識激光縱模及其偏振態(tài)，頻率分裂的產(chǎn)生原理，以及首次圖像化的形象展示模競爭這一重要的激光物理概念，這是在很多教科書中介紹的經(jīng)典現(xiàn)象，以往只有物理概念，一直沒有一個清晰的實驗圖像能夠展示這一過程。我們的儀器首次展示了模競爭，給學(xué)生一個清晰的圖像，幫助他們加深理解。最后該儀器讓學(xué)生實際動手操作，測量激光器的出光帶寬，頻率分裂量，掃描干涉儀的自由光譜區(qū)等，把原來書本上枯燥，干巴巴的文字轉(zhuǎn)化成形象，生動的實驗圖像，方便記憶和深入理解，極大地增強了教學(xué)效果。
(3)激光腔長調(diào)諧和激光回饋系統(tǒng)
該系統(tǒng)由半外腔的雙折射雙頻激光器和外部回饋鏡構(gòu)成。在回饋外腔中放入一個可調(diào)衰減片，控制激光回饋水平。激光器的其中一個腔鏡以及外部回饋鏡上都固定壓電陶瓷，用以調(diào)諧激光內(nèi)、外腔長。激光器輸出的兩個分裂模o光和e光強度由光電探測器探測并采集到計算機顯示。
該系統(tǒng)的功能有：(a)實驗并觀察腔長周期變化時，激光器模式對應(yīng)的輸出強度的變化規(guī)律;(b)回饋鏡周期運動時，外部反饋光對激光器輸出強度的影響。
該系統(tǒng)使學(xué)生了解腔調(diào)諧的具體過程，激光器輸出功率和頻率改變之間的對應(yīng)關(guān)系，并初步了解外部反饋光如何影響激光器的輸出功率。
作品名稱：激光基本物理效應(yīng)實驗系統(tǒng)
學(xué)校或單位：清華大學(xué)
