譚中奇，吳素勇，于旭東，肖光宗

(國防科學技術大學，湖南 長沙 410073)

氦氖激光器的橫模選擇實驗

譚中奇，吳素勇，于旭東，肖光宗

(國防科學技術大學，湖南 長沙 410073)

衍射作為激光器腔內(nèi)損耗的重要來源，是決定激光器模式的重要因素。本文以氦氖激光器為例，針對其模式選擇實驗內(nèi)容，搭建起全外腔氦氖激光器實驗系統(tǒng)，進行了橫模觀察和選擇實驗，并結(jié)合衍射場理論和模式競爭等相關概念對實驗結(jié)果進行了分析和討論。相關問題的研討對于學員理解和掌握有關激光橫模相關概念和選模基本理論具有一定參考價值。

衍射；氦氖激光器；選模；增益管

所謂衍射[1-2]是波所特有的一種屬性，它是指波在傳播過程中，因遇到障礙物而出現(xiàn)的一種偏離直線傳輸?shù)奈锢憩F(xiàn)象；衍射有兩個基本特點，即非直線傳播以及能量的非均勻分布[3]；眾所周知，光是一種電磁波，因此它同樣具有波的衍射基本特征。光的衍射效應最早是由費朗西斯科格里瑪?shù)谟?665年發(fā)現(xiàn)并加以描述。其實，就其本質(zhì)而言，衍射其實是光的干涉的一種特殊現(xiàn)象，兩者都是波的相干疊加結(jié)果，但不同于通常所了解的雙光束或者多光束干涉現(xiàn)象，形成衍射的干涉的光束為無窮多子波源所發(fā)出的次波干涉疊加的后果。

激光作為20世紀人類四大發(fā)明之一，對人類科學技術的發(fā)展和生產(chǎn)生活都產(chǎn)生了深刻的影響。激光產(chǎn)生需要三個基本要素：諧振腔、增益介質(zhì)和泵浦源，其中諧振腔的主要作用是光放大和選模。衡量一個光學諧振腔性能的重要參數(shù)是Q值，它與諧振腔的損耗密切相關，即：腔的損耗越小，其Q值越大。光學諧振腔的損耗主要來源于幾部分：反射鏡損耗(包括透射、表面散射和膜片吸收等)、幾何損耗、衍射損耗、腔內(nèi)介質(zhì)的吸收及散射損耗等等[4]。其中衍射損耗主要是由于諧振腔內(nèi)反射鏡、工作物質(zhì)、腔內(nèi)光闌等尺寸有限所致，它不同于其它類型的腔損耗，在垂直于腔內(nèi)諧振光束傳播方向的橫截面內(nèi)各點的損耗量不同，因此它將在影響激光諧振能量的空間分布(即橫模)方面發(fā)揮主要作用。激光器腔內(nèi)形成諧振后，光波場在腔內(nèi)來回往返時，每次都會因腔內(nèi)衍射效應的存在而使得光場分布發(fā)生變化，但當經(jīng)過足夠次時間渡越后，諧振光場的能量分布不再發(fā)生改變，僅僅是幅值的衰減，這種穩(wěn)定場分布被稱為自再現(xiàn)模。

氦氖激光器作為一種最早研制成功的氣體激光器，因具有良好的光束質(zhì)量和單色性，在準直、定位、全息照相、測量和精密計量等眾多領域均得到廣泛應用，號稱“測量之王”。通常而言，氦氖激光器因為毛細小孔的選模作用而常工作于基橫模(TEM00)狀態(tài)。但當采取一些手段主動改變腔內(nèi)的衍射損耗時就可以發(fā)現(xiàn)激光器的工作模式也將隨之變化，即腔的結(jié)構(gòu)一旦確定，其模式也隨之確定，這也就是腔與模的關系。為分析激光器腔內(nèi)衍射與其模式之間的關系，下面，將建立全外腔氦氖激光器實驗系統(tǒng)進行研究，并基于橫模選擇理論和模式競爭有關概念對實驗結(jié)果進行分析討論。

1 實驗研究

如下圖1所示，基于德國Micros公司研制的氦氖激光器系統(tǒng)，搭建如下全外腔氦氖激光實驗系統(tǒng)：

圖1 全外腔氦氖激光實驗系統(tǒng)示意圖

圖1中，實驗所搭建的全外腔氦氖激光器采用平凹腔結(jié)構(gòu)，其中輸出鏡為平面鏡，其拋光表面鍍制有中心波長為632.8 nm的多層介質(zhì)高反膜，透射率T=2.4%；另一腔鏡采用曲率為r=700 mm的球面鏡，其拋光表面鍍制的多層介質(zhì)高反膜反射率R1≈1； 根據(jù)光學諧振腔穩(wěn)定性條件可知，當設定兩腔鏡之間的距離(即腔長L)為L=600 mm，兩腔鏡g參數(shù)的乘積滿足0

圖2 實驗得到的不同橫模(TEM00和TEM10)光斑圖像

正如前面所言，激光器橫模主要取決于腔內(nèi)衍射損耗，若采取措施改變腔內(nèi)衍射，理論上而言，即可影響氦氖激光器諧振模式。實驗中，采取向氦氖激光器腔內(nèi)諧振光路中插入頭發(fā)絲的辦法來影響和改變腔內(nèi)衍射場分布。在腔內(nèi)諧振光路中增加頭發(fā)此時實驗表面激光器諧振光場模式發(fā)生明顯變化，具體如圖2(右)。可以看出，激光橫模由原來的TEM00已經(jīng)變化為TEM01模。同時，利用光電探測器測量相同增益情況下氦氖激光器不同橫模的功率，得到與激光功率呈比例關系的探測器輸出電壓分別為9.05 V和2.75 V，這表明在同樣增益電流情況下，TEM00模相比TEM01模功率更大。

2 分析討論

在具備激光產(chǎn)生的三大要素(即諧振腔、增益介質(zhì)和泵浦源)的基礎上，激光器諧振出光還需滿足的一個基本條件：閾值條件，即增益大于損耗。利用該特征，進行激光器模式選擇的核心思想可歸納為：一個模式能否起振和維持振蕩主要取決于該模式處的損耗和增益值相對大小，控制其中一個參數(shù)(如增益或損耗)，既可以實現(xiàn)特定模式選擇[6]。激光器不同的橫模具有不同的光斑大小和能量分布，這為區(qū)分和選擇不同的模式創(chuàng)造了條件，這也成為是橫模選擇的物理基礎。在上述氦氖激光器橫模選擇實驗中，模式選擇實施的方式是控制腔內(nèi)損耗值，具體而言是指腔內(nèi)衍射損耗值，這是因為衍射是決定激光器模式的主要因素。在氦氖激光器自由諧振時，由于毛細小孔的存在，相對于其它高階模式而言，基模因為其光斑最小、能量最集中而使得其衍射損耗最小，因此其在模式競爭中獲得優(yōu)勢，最終穩(wěn)定存在；而其它高階橫模的光場，由于尺寸較大，衍射損耗遠大于基橫模，在與基橫模競爭中處于劣勢，最終因不滿足增益大于損耗條件而消失。

實驗中，向腔內(nèi)插入頭發(fā)絲(直徑約幾十微米)后，腔內(nèi)衍射場發(fā)生顯著變化，激光器腔內(nèi)產(chǎn)生衍射的主要因素除了小孔外，還有頭發(fā)絲。如圖3所示，若將頭發(fā)絲放置于激光輸出光路時，可以看到明顯的衍射圖像，可以想象，放置于激光器諧振腔內(nèi)時，情況類似：激光器腔內(nèi)單程光束在通過頭發(fā)絲時，其能量沿著垂直于頭發(fā)絲放置方向按照級次進行展開。此時對于基橫模而言，其腔內(nèi)衍射損耗驟然增大，以至于因無法滿足增益大于損耗條件而消失；相反，腔內(nèi)頭發(fā)絲的存在使得原本處于劣勢的TEM01模式受益：由于其特殊的光場分布，能自動降低頭發(fā)絲的存在對其損耗特性產(chǎn)生的影響，從而在與其它模式的競爭中獲得優(yōu)勢，最終因滿足閾值條件而穩(wěn)定存在下來。

圖3 頭發(fā)絲衍射圖像

除此以外，從頭發(fā)絲插入諧振光路前后激光器不同模式功率測試結(jié)果可以看出，決定激光器模式輸出光功率大小的因素主要是增益和損耗。本實驗中，頭發(fā)絲的出現(xiàn)之所以導致的激光器輸出光功率出現(xiàn)顯著變化，其主要原因是TEM01的光腰半徑是TEM00模的1.5倍，通過氦氖激光器毛細小孔時，衍射損耗較TEM00大，這導致了激光輸出光功率相對于無頭發(fā)絲衍射時的基模激光功率小。

3 總 結(jié)

在上述氦氖激光器中腔內(nèi)衍射損耗選模研究中可發(fā)現(xiàn)，頭發(fā)絲放置于腔內(nèi)和腔外效果截然不同。分析其原因可知，當頭發(fā)絲放置于腔內(nèi)時，其衍射為腔內(nèi)損耗，是諧振光束在腔內(nèi)來回往返無窮多次的干涉疊加后果，再加上毛細小孔的選模作用，影響的是激光諧振過程，產(chǎn)生了模式選擇效應；而放置于腔外時，其衍射屬于腔外損耗，是激光的單次衍射的結(jié)果，并不影響激光諧振過程。此外還可知，不同橫模衍射損耗的差別是模式選擇的依據(jù)，若需選擇某特定橫模，需采取措施使得其他橫模損耗增大無法諧振，而需選擇的橫模損耗少受影響，并滿足閾值條件而穩(wěn)定諧振。

致謝：本文受國防科學技術大學光電科學與工程學院教育教學改革研究課題資助(2015XY05)，全體作者在此致謝。

[1] 唐亞茹，胡光，張俊. 從雙縫實驗看干涉和衍射的本質(zhì)[J].大學物理實驗，2011(3)：35-38.

[2] 劉春平，宋漢閣.光柵衍射實驗現(xiàn)象引發(fā)的新思考[J].大學物理實驗，2004(1)：22-25.

[3] 姚啟均. 光學教程[M].北京：高等教育出版社，1989.

[4] 周炳琨，高以智，陳倜嶸，等.激光原理 [M].6版.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[5] 藍信鉅，激光技術[M].三版.北京：科學出版社，2009.

[6] 楊國光，近代光學測試技術[M].杭州：浙江大學出版社，1997.

Experiment of Transverse Mode Selection in He-Ne Laser

TAN Zhong-qi,WU Su-yong,YU Xu-dong,XIAO Guang-zong

(National University of Defense Technology,Hunan Changsha 410073)

As an important source of the laser’s cavity loss,the diffraction is an important factor to determine the laser mode.Using Helium-Neon gas laser as an example,an experimental system of external cavity He-Ne laser is established to carry on the observing and selection study of laser’s transverse mode,and the results are analyzed and discussed based on the diffraction field theory and the mode of competition concepts.The study of related issues has a certain reference value for students to understand and master the relevant concepts of laser transverse mode and the basic theory of selecting mode.

diffraction；Helium-Neon laser；mode selection；gain tube

2016-06-28

國防科學技術大學光電科學與工程學院教育教學改革研究課題(2015XY05)

1007-2934(2016)06-0015-03

TN 248

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.004