利用开腔氦氖激光器纵模拍频测量光速

我们描述了一个本科实验，该实验结合了光速的精确测量、对基本激光系统的深入探究以及统计分析的非平凡应用。学生在改变可调腔长氦氖激光器的腔长并调谐腔体以产生TEM$_{00}$模激射的过程中，探讨激光腔中纵模的存在。对于合适的激光腔长，氦氖激光器的增益曲线允许多个纵模同时振荡。使用自外差检测法，通过光电二极管探测器和射频频谱分析仪测量模式间的差频。通过同时监测和调整法布里-珀罗干涉仪观察到的模式结构，最小化由频率推斥和频率牵引以及横模引起的不对称效应。纵模的频率间隔与腔长的倒数成正比，比例常数等于光速的一半。通过改变腔长（而不改变氦氖气体内的光程长度），测得空气中的光速为($2.9972 \pm0.0002) \times 10^{8}$ m/s，其精度足以区分空气中的光速与真空中的光速。