氦氖激光器谐振腔调试实验的改进及研究

摘 要：简单介绍了氦氖激光器激发原理、光谐振腔的损耗：几何损耗、衍射损耗、腔镜反射不完全引起的损耗、非激活吸收散射等引起的损耗，以及氦氖激光器谐振腔调试的方法。获得了氦氖激光器输出功率随腔长变化的规律。

关键词：谐振腔；阈值增益系数；半内腔式激光管；布儒斯特窗

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

1 引言

氦氖激光器由于结构简单、便于制造、造价低廉、体积小、输出的激光相干性好等优点，使氦氖激光器很快实现了商业化。现在氦氖激光器已经广泛应用于准直定位、全息技术、精密计量、光盘刻放、光学教学等方面。但氦氖激光器也有缺点，就是这种激光器效率比较低，功率不够大。因此，通过改变谐振腔的腔长来影响氦氖激光器的输出功率也越来越受关注了。

2 实验仪器及其实验原理

2.1 实验装置

F-HX1012氦氖激光器谐振腔实验仪器一套，包括氦氖激光管（带布儒斯特窗的半内腔式激光管）一支、氦氖激光稳流电源一台、半导体激光器一台、光探头、功率计一台、模片（输出反射镜）、小孔、白屏、光具座、滑块若干。结构如图1所示：

2.2 实验原理

氦氖激光器是充有He、Ne混合气体的器件，其中Ne为产生激光的物质，而He是提高其泵浦效率的浦助气体。在Ne原子2S、3S能级和2P、3P能级之间可以产生上百条谱线，但是要获得激光的输出，得到光的放大，就要在原子的两个特定能级间形成粒子数反转分布。对于四能级系统的氦氖激光器来说，反转分布应满足的阈值条件为

式中，R2、R3为激光上下能级E3和E2的激发速率；g3和g2是这两个能级的统计权重；τ2和τ3为粒子在相应能级的平均寿命；A32是原子由跃迁到能级的自发辐射概率。

其中小信号增益大于阈值增益是形成激光的充分条件。阈值增益取决于激光谐振腔的损耗，形成激光振荡时，小信号增益系数应满足：

gt是阈值增益系数，l是工作物质的长度，δ是激光谐振腔的平均单程损耗因子，在激励一定的情况下，能否产生振荡取决于损耗的大小。谐振腔的损耗大致包含以下几个方面：

（1）几何损耗。是光线在腔内往返传播时，一些不平行于光轴的光线有可能从腔的侧面偏折出去，即使平行于光轴的光线也乃然存在有偏折出腔外的可能，其大小取决于腔的类型和几何尺寸，其次几何损耗的高低依横模阶次的不同而异。

（2）几何损耗。由腔镜边缘的衍射效应而产生的损耗，如果在腔内插入其他光学元件，还应考虑其边缘或孔径的衍射引起的损耗，其大小与腔的菲涅耳数N有关，与腔的几何参数g有关，与横模的阶数有关系。菲涅耳数N越大，腔的衍射损耗越小，菲涅耳数N为：

可见腔长L增大，N减小，损耗增大。

（3）腔镜反射不完全引起的损耗。它包括镜中的吸收、散射以及镜的透射损耗，与输出镜的透射率T有关。

（4）非激活吸收散射等引起的损耗。这类损耗是因为激光通过腔内插入物（如布儒斯特窗，调Q元件、调制器等）和反射竟发生非激活吸收、散射等引起的。

上述前两种损耗又常称为选择损耗，不同模式的几何损耗与衍射损耗各不相同，它随不同的横模而异；后两种损耗称为非选择性损耗，通常情况下它们对各个模式大体一样。

3 实验过程

（1）将氦氖激光管、半导体激光器固定于光学轨道两端，并把小孔放在中间，连接半导体激光器电源；（2）调整半导体激光器和小孔，使半导体激光与光学轨道基本平行，并进入氦氖激光管毛细管入口；（3）调整F-HX1012氦氖激光管，使全反射镜的反射光斑回到小孔，与小孔中心重合；（4）放入模片，调节它和氦氖激光管使其反射光斑回到小孔，与小孔中心重合；（5）连接氦氖激光器电源，观察氦氖激光器的输出；（6）连接激光探头和功率计，测量输出功率。

在这里需要说明，一是在放入模片移到激光管布氏窗的附近时绝不能碰到布氏窗；二是调整模片和F-HX1012氦氖激光管使氦氖激光器有输出并使输出功率达到最大，才能记录模片位置。

4 实验数据记录和实验报告（见表1）

5 结论

谐振腔长度L=26.8cm时，其输出功率最大为1.03mW，随着谐振腔长度L的增大，输出功率逐渐减小，谐振腔长度L=76.5cm时，其输出功率为0.0002mW，既小信号增益恰好大于阈值增益，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持震荡。当谐振腔长度L〉76.5cm时激光器一般就不会工作了，即受激辐射的光不能够在谐振腔内维持震荡。

这里需要说明的是，可能由于氦氖激光管型号的不同，其参数就不同，就会造成数据有所变化。

参考文献：

[1][美]R.H.金斯顿著，孙培等译.光学和红外辐射探测[M].北京：科学出版社，1984.

[2]雷玉堂，王庆友.光电检测技术[M].北京：中国计量出版社，2000.

作者简介：汪峰（1978-），男，江苏徐州人，工程师，主要从事：电子科学与技术专业实验教学工作。