氦氖激光器的横模选择实验

第29卷第6期2016年12月

大学物理实验

PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE

V〇1.29No.6

Dec.2016

文章编号：1007-2934(2016)06-0015-03

氦氖激光器的横模选择实验

谭中奇，吴素勇，于旭东，肖光宗

(国防科学技术大学，湖南长沙410073)

摘要：衍射作为激光器腔内损耗的重要来源，是决定激光器模式的重要因素。本文以氦氖激光 器为例，针对其模式选择实验内容，搭建起全外腔氦氖激光器实验系统，进行了横模观察和选择实验，并 结合衍射场理论和模式竞争等相关概念对实验结果进行了分析和讨论。相关问题的研讨对于学员理解 和掌握有关激光横模相关概念和选模基本理论具有一定参考价值。

关键词：衍射;氦氖激光器;选模;增益管

中图分类号：TN 248 文献标志码：A DOI: 10.14139/22-1228.2016.006.004

所谓衍射[1-2]是波所特有的一种属性，它是 指波在传播过程中，因遇到障碍物而出现的一种 偏离直线传输的物理现象;衍射有两个基本特点，即非直线传播以及能量的非均匀分布[3];众所周 知，光是一种电磁波,因此它同样具有波的衍射基 本特征。光的衍射效应最早是由费朗西斯科格里 玛第于1665年发现并加以描述。其实，就其本质 而言，衍射其实是光的干涉的一种特殊现象，两者 都是波的相干叠加结果，但不同于通常所了解的 双光束或者多光束干涉现象，形成衍射的干涉的 光束为无穷多子波源所发出的次波干涉叠加的 后果。

激光作为20世纪人类四大发明之一,对人类 科学技术的发展和生产生活都产生了深刻的影 响。激光产生需要三个基本要素:谐振腔、增益介 质和泵浦源,其中谐振腔的主要作用是光放大和 选模。衡量一个光学谐振腔性能的重要参数是Q 值,它与谐振腔的损耗密切相关，即：腔的损耗越 小，其Q值越大。光学谐振腔的损耗主要来源于 几部分:反射镜损耗（包括透射、表面散射和膜片 吸收等）、几何损耗、衍射损耗、腔内介质的吸收 及散射损耗等等[4]。其中衍射损耗主要是由于 谐振腔内反射镜、工作物质、腔内光阑等尺寸有限 所致,它不同于其它类型的腔损耗，在垂直于腔内 谐振光束传播方向的横截面内各点的损耗量不 同，因此它将在影响激光谐振能量的空间分布(即横模）方面发挥主要作用。激光器腔内形成 谐振后，光波场在腔内来回往返时，每次都会因腔 内衍射效应的存在而使得光场分布发生变化，但 当经过足够次时间渡越后,谐振光场的能量分布 不再发生改变，仅仅是幅值的衰减，这种稳定场分 布被称为自再现模。

氦氖激光器作为一种最早研制成功的气体激 光器，因具有良好的光束质量和单色性，在准直、定位、全息照相、测量和精密计量等众多领域均得 到广泛应用，号称“测量之王”。通常而言，氦氖 激光器因为毛细小孔的选模作用而常工作于基横 模(TEM。。）状态。但当采取一些手段主动改变腔 内的衍射损耗时就可以发现激光器的工作模式也 将随之变化,即腔的结构一旦确定，其模式也随之 确定，这也就是腔与模的关系。为分析激光器腔 内衍射与其模式之间的关系，下面，将建立全外腔 氦氖激光器实验系统进行研究，并基于横模选择 理论和模式竞争有关概念对实验结果进行分析 讨论。

1实验研究

如下图1所示，基于德国Micros公司研制的 氦氖激光器系统，搭建如下全外腔氦氖激光实验 系统：

收稿日期：2016-06-28

基金项目：国防科学技术大学光电科学与工程学院教育教学改革研究课题（2015XY 05)

16氮氖激光器的横模选择实验

图1全外腔氦氖激光实验系统示意图

图1中，实验所搭建的全外腔氦氖激光器采 用平凹腔结构，其中输出镜为平面镜，其拋光表面 镀制有中心波长为632.8 nm的多层介质高反膜，透射率卜2.4% ;另一腔镜采用曲率为r= 700 m m

的球面镜，其拋光表面镀制的多层介质高反膜反 射率^=1;根据光学谐振腔稳定性条件可知，当

设定两腔镜之间的距离（即腔长L)为L= 600

爪以，两腔镜8参数的乘积满足0<^1^2<1(^=1-

L/r)，此时谐振腔为稳定腔结构。将长度约为400 mm的氦氖增益管放置在光学谐振腔内，该增 益管两端均有布鲁斯特窗，其中心开有毛细小孔，孔径约为和mm。增益管两端有阴阳两级，阴极 米用铝箔材料，其电子发射效率较高，激光器电源 开启瞬间，其电压数千伏，将氦氖气体击穿后，实 现气体放电泵浦。根据激光原理相关知识可知，圆形镜谐振腔不同的横模具有不同的光斑分布，在通常应用中，特别是在精密测量和计量领域，要 求氦氖激光器工作于基模状态，因为它光斑最小、能量最为集中、发散角最小[5]。基于所述实验系 统，在将激光器调节至理想谐振状态后，因毛细小 孔的存在而产生选模效应，氦氖激光器发出的激 光通常为基模状态，具体如图2(左)所示。

图2实验得到的不同横模（TEM^D TEM1())光斑图像

正如前面所言，激光器横模主要取决于腔内 衍射损耗，若采取措施改变腔内衍射，理论上而 言，即可影响氦氖激光器谐振模式。实验中，采取 向氦氖激光器腔内谐振光路中插入头发丝的办法 来影响和改变腔内衍射场分布。在腔内谐振光路 中增加头发此时实验表面激光器谐振光场模式发生明显变化，具体如图2(右）。可以看出，激光横 模由原来的TEM。。已经变化为TEM01模。同时，利用光电探测器测量相同增益情况下氦氖激光器 不同横模的功率，得到与激光功率呈比例关系的 探测器输出电压分别为9.05 V和2.75 V，这表明 在同样增益电流情况下，TEM。。模相比TEM01模功 率更大。

2分析讨论

在具备激光产生的三大要素（即谐振腔、增益 介质和泵浦源）的基础上，激光器谐振出光还需 满足的一个基本条件：阈值条件，即增益大于损 耗。利用该特征，进行激光器模式选择的核心思 想可归纳为:一个模式能否起振和维持振荡主要 取决于该模式处的损耗和增益值相对大小，控制 其中一个参数(如增益或损耗），既可以实现特定 模式选择[6]。激光器不同的横模具有不同的光 斑大小和能量分布，这为区分和选择不同的模式 创造了条件，这也成为是横模选择的物理基础。在上述氦氖激光器横模选择实验中，模式选择实 施的方式是控制腔内损耗值，具体而言是指腔内 衍射损耗值，这是因为衍射是决定激光器模式的 主要因素。在氦氖激光器自由谐振时，由于毛细 小孔的存在，相对于其它高阶模式而言，基模因为 其光斑最小、能量最集中而使得其衍射损耗最小，因此其在模式竞争中获得优势，最终稳定存在;而 其它高阶横模的光场，由于尺寸较大，衍射损耗远 大于基横模，在与基横模竞争中处于劣势，最终因 不满足增益大于损耗条件而消失。

实验中，向腔内插入头发丝（直径约几十微 米)后，腔内衍射场发生显著变化，激光器腔内产 生衍射的主要因素除了小孔外，还有头发丝。如 图3所示，若将头发丝放置于激光输出光路时，可 以看到明显的衍射图像，可以想象，放置于激光器 谐振腔内时，

情况类似:激光器腔内单程光束在通