氦氖激光器諧振腔調試實驗的改進及研究

摘 要：簡單介紹了氦氖激光器激發原理、光諧振腔的損耗：幾何損耗、衍射損耗、腔鏡反射不完全引起的損耗、非激活吸收散射等引起的損耗，以及氦氖激光器諧振腔調試的方法。獲得了氦氖激光器輸出功率隨腔長變化的規律。

關鍵詞：諧振腔；閾值增益系數；半內腔式激光管；布儒斯特窗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.209

1 引言

氦氖激光器由于結構簡單、便于制造、造價低廉、體積小、輸出的激光相干性好等優點，使氦氖激光器很快實現了商業化?，F在氦氖激光器已經廣泛應用于準直定位、全息技術、精密計量、光盤刻放、光學教學等方面。但氦氖激光器也有缺點，就是這種激光器效率比較低，功率不夠大。因此，通過改變諧振腔的腔長來影響氦氖激光器的輸出功率也越來越受關注了。

2 實驗儀器及其實驗原理

2.1 實驗裝置

F-HX1012氦氖激光器諧振腔實驗儀器一套，包括氦氖激光管（帶布儒斯特窗的半內腔式激光管）一支、氦氖激光穩流電源一臺、半導體激光器一臺、光探頭、功率計一臺、模片（輸出反射鏡）、小孔、白屏、光具座、滑塊若干。結構如圖1所示：

2.2 實驗原理

氦氖激光器是充有He、Ne混合氣體的器件，其中Ne為產生激光的物質，而He是提高其泵浦效率的浦助氣體。在Ne原子2S、3S能級和2P、3P能級之間可以產生上百條譜線，但是要獲得激光的輸出，得到光的放大，就要在原子的兩個特定能級間形成粒子數反轉分布。對于四能級系統的氦氖激光器來說，反轉分布應滿足的閾值條件為

式中，R2、R3為激光上下能級E3和E2的激發速率；g3和g2是這兩個能級的統計權重；τ2和τ3為粒子在相應能級的平均壽命；A32是原子由躍遷到能級的自發輻射概率。

其中小信號增益大于閾值增益是形成激光的充分條件。閾值增益取決于激光諧振腔的損耗，形成激光振蕩時，小信號增益系數應滿足：

gt是閾值增益系數，l是工作物質的長度，δ是激光諧振腔的平均單程損耗因子，在激勵一定的情況下，能否產生振蕩取決于損耗的大小。諧振腔的損耗大致包含以下幾個方面：

（1）幾何損耗。是光線在腔內往返傳播時，一些不平行于光軸的光線有可能從腔的側面偏折出去，即使平行于光軸的光線也乃然存在有偏折出腔外的可能，其大小取決于腔的類型和幾何尺寸，其次幾何損耗的高低依橫模階次的不同而異。

（2）幾何損耗。由腔鏡邊緣的衍射效應而產生的損耗，如果在腔內插入其他光學元件，還應考慮其邊緣或孔徑的衍射引起的損耗，其大小與腔的菲涅耳數N有關，與腔的幾何參數g有關，與橫模的階數有關系。菲涅耳數N越大，腔的衍射損耗越小，菲涅耳數N為：

可見腔長L增大，N減小，損耗增大。

（3）腔鏡反射不完全引起的損耗。它包括鏡中的吸收、散射以及鏡的透射損耗，與輸出鏡的透射率T有關。

（4）非激活吸收散射等引起的損耗。這類損耗是因為激光通過腔內插入物（如布儒斯特窗，調Q元件、調制器等）和反射竟發生非激活吸收、散射等引起的。

上述前兩種損耗又常稱為選擇損耗，不同模式的幾何損耗與衍射損耗各不相同，它隨不同的橫模而異；后兩種損耗稱為非選擇性損耗，通常情況下它們對各個模式大體一樣。

3 實驗過程

（1）將氦氖激光管、半導體激光器固定于光學軌道兩端，并把小孔放在中間，連接半導體激光器電源；（2）調整半導體激光器和小孔，使半導體激光與光學軌道基本平行，并進入氦氖激光管毛細管入口；（3）調整F-HX1012氦氖激光管，使全反射鏡的反射光斑回到小孔，與小孔中心重合；（4）放入模片，調節它和氦氖激光管使其反射光斑回到小孔，與小孔中心重合；（5）連接氦氖激光器電源，觀察氦氖激光器的輸出；（6）連接激光探頭和功率計，測量輸出功率。

在這里需要說明，一是在放入模片移到激光管布氏窗的附近時絕不能碰到布氏窗；二是調整模片和F-HX1012氦氖激光管使氦氖激光器有輸出并使輸出功率達到最大，才能記錄模片位置。

4 實驗數據記錄和實驗報告（見表1）

5 結論

諧振腔長度L=26.8cm時，其輸出功率最大為1.03mW，隨著諧振腔長度L的增大，輸出功率逐漸減小，諧振腔長度L=76.5cm時，其輸出功率為0.0002mW，既小信號增益恰好大于閾值增益，使受激輻射的光能夠在諧振腔內維持震蕩。當諧振腔長度L〉76.5cm時激光器一般就不會工作了，即受激輻射的光不能夠在諧振腔內維持震蕩。

這里需要說明的是，可能由于氦氖激光管型號的不同，其參數就不同，就會造成數據有所變化。

參考文獻：

[1][美]R.H.金斯頓著，孫培等譯.光學和紅外輻射探測[M].北京：科學出版社，1984.

[2]雷玉堂，王慶友.光電檢測技術[M].北京：中國計量出版社，2000.

作者簡介：汪峰（1978-），男，江蘇徐州人，工程師，主要從事：電子科學與技術專業實驗教學工作。