激光基本物理效应实验系统
激光的出现改变了科学和技术的面貌，因此激光原理、激光技术的教学成为了高等院校中光学、物理、电子、测试、仪器等很多专业的基础课程之一。激光有很多物理效应，特别是激光横模、激光纵模、激光频率、激光器腔的调谐、激光模的竞争、激光的偏振、激光回馈等。这些基本的物理特性是理解激光原理以及做激光器的设计和装调必须掌握的，也是学生毕业后从事激光相关产品设计开发的基本技术基础，因此成为激光技术学习中的重要内容。
但是，这些内容相对比较抽象难懂，并且由于专业的教学仪器的滞后，高校的激光实验课程却无法全面、清晰地向学生展示这些激光物理现象，妨碍了学生的深入理解。为了弥补这一缺失，基于清华大学激光与应用课题组(谈宜东，张书练)研制的中心波长632.8nm的猫眼腔He-Ne激光器和双折射双频激光器，并结合多年的激光技术及应用课堂教学经验，设计了一套较为完整的激光基本物理效应实验系统，可全面、清晰地演示激光的若干基本物理现象，并方便学生动手操作，有着很好的教学指导意义。
激光基本物理效应实验系统由三套仪器构成，分别为：
(1)激光横模演示仪
该系统实际是一个损耗可连续调节的激光器。激光器的一端是一个凹面镜，其输出光束经过扩束镜BE扩束后变为发散的光斑，在远处的白屏上即可看到横模图样。也可以用CCD接收，由图像采集卡将图像采集到计算机中观察。激光器的另一端是一个猫眼逆向器腔镜，通过改变逆向器的参数(轴向间距)连续调节激光器损耗，从而可人为控制输出不同阶次的高阶横模。
仪器功能包括：(a)可实际演示十几种横模模式，如：TEM00, TEM12，TEM02，TEM22, TEM04, TEM13，等;(b)该仪器不仅可以演示矩形横模模式，通过调整猫眼的离轴量还可以演示圆形横模图样，方便学生比较两种横模命名方式的异同;(c)该仪器还可观察多种混合横模，通过旋转偏振片可清楚地区分不同横模的偏振态。
该仪器主要帮助学生认识激光横模的产生，掌握通过控制腔内损耗调节不同横模模式的方法，并且，帮助学生建立横模的偏振态的概念。对于有兴趣钻研的学生，还可以对猫眼腔结构激光器做一些理论分析和尝试，求解激光腔内的损耗和猫眼结构参数之间的关系，以及由此产生的相应的高阶横模模式。总之，通过理论和实践相互印证，互为支撑的方式，增强了教学效果，弥补了理论课枯燥的不足。
(2)激光纵模频率分裂与模竞争系统
该系统由半外腔激光器和腔内插入的石英晶体或应力双折射元件构成，即一个双折射双频激光器，其输出频率差从几十MHz到1个纵模间隔连续可调。激光器的一个腔镜固定在一个压电陶瓷上，由压电陶瓷推动腔镜在微米量级范围内调谐激光腔长。激光器输出纵模模式，由扫描干涉仪观测，并经过信号处理和采集后由计算机显示，完成各种测量功能。
仪器功能有：(a)该仪器可以展示激光纵模的偏振态。由于腔内有双折射元件，激光纵模分裂成o光和e光两个正交线偏振频率，通过偏振片可以清楚地展示o光和e光的偏振面相互垂直;(b)演示激光器内的频率分裂过程。即随着石英晶体的转角或者应力片上的加力改变，o光和e光之间的频率差逐渐增大，从而在频率轴上逐渐拉开的过程，并动态显示腔调谐过程中两模式的光强互相转移和交换过程;(c)可清楚地显示激光腔内的模竞争现象，先进入出光带宽获得振荡的模式(如o光)会抑制后来模式(如e光)的振荡，导致o光在频率轴上的振荡区间远大于两者之间频率差的大小。在此基础上，还可以显示频率分裂激光振荡的偏振三态和四态等;(d)可展示并测量激光器的出光带宽，扫描干涉仪的自由光谱区，以及频率分裂量等。
该仪器帮助学生认识激光纵模及其偏振态，频率分裂的产生原理，以及首次图像化的形象展示模竞争这一重要的激光物理概念，这是在很多教科书中介绍的经典现象，以往只有物理概念，一直没有一个清晰的实验图像能够展示这一过程。我们的仪器首次展示了模竞争，给学生一个清晰的图像，帮助他们加深理解。最后该仪器让学生实际动手操作，测量激光器的出光带宽，频率分裂量，扫描干涉仪的自由光谱区等，把原来书本上枯燥，干巴巴的文字转化成形象，生动的实验图像，方便记忆和深入理解，极大地增强了教学效果。
(3)激光腔长调谐和激光回馈系统
该系统由半外腔的双折射双频激光器和外部回馈镜构成。在回馈外腔中放入一个可调衰减片，控制激光回馈水平。激光器的其中一个腔镜以及外部回馈镜上都固定压电陶瓷，用以调谐激光内、外腔长。激光器输出的两个分裂模o光和e光强度由光电探测器探测并采集到计算机显示。
该系统的功能有：(a)实验并观察腔长周期变化时，激光器模式对应的输出强度的变化规律;(b)回馈镜周期运动时，外部反馈光对激光器输出强度的影响。
该系统使学生了解腔调谐的具体过程，激光器输出功率和频率改变之间的对应关系，并初步了解外部反馈光如何影响激光器的输出功率。
作品名称：激光基本物理效应实验系统
学校或单位：清华大学
