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)

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)

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。

衍射；氦氖激光器；选模；增益管

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(TEM00)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：

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，其抛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T=2.4%；另一腔镜采用曲率为r=700 mm的球面镜，其抛光表面镀制的多层介质高反膜反射率R1≈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 mm，两腔镜g参数的乘积满足0

图2 实验得到的不同横模(TEM00和TEM10)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TEM00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，TEM00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过头发丝时，其能量沿着垂直于头发丝放置方向按照级次进行展开。此时对于基横模而言，其腔内衍射损耗骤然增大，以至于因无法满足增益大于损耗条件而消失；相反，腔内头发丝的存在使得原本处于劣势的TEM01模式受益：由于其特殊的光场分布，能自动降低头发丝的存在对其损耗特性产生的影响，从而在与其它模式的竞争中获得优势，最终因满足阈值条件而稳定存在下来。

图3 头发丝衍射图像

除此以外，从头发丝插入谐振光路前后激光器不同模式功率测试结果可以看出，决定激光器模式输出光功率大小的因素主要是增益和损耗。本实验中，头发丝的出现之所以导致的激光器输出光功率出现显著变化，其主要原因是TEM01的光腰半径是TEM00模的1.5倍，通过氦氖激光器毛细小孔时，衍射损耗较TEM00大，这导致了激光输出光功率相对于无头发丝衍射时的基模激光功率小。

3 总 结

在上述氦氖激光器中腔内衍射损耗选模研究中可发现，头发丝放置于腔内和腔外效果截然不同。分析其原因可知，当头发丝放置于腔内时，其衍射为腔内损耗，是谐振光束在腔内来回往返无穷多次的干涉叠加后果，再加上毛细小孔的选模作用，影响的是激光谐振过程，产生了模式选择效应；而放置于腔外时，其衍射属于腔外损耗，是激光的单次衍射的结果，并不影响激光谐振过程。此外还可知，不同横模衍射损耗的差别是模式选择的依据，若需选择某特定横模，需采取措施使得其他横模损耗增大无法谐振，而需选择的横模损耗少受影响，并满足阈值条件而稳定谐振。

致谢：本文受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资助(2015XY05)，全体作者在此致谢。

[1] 唐亚茹，胡光，张俊. 从双缝实验看干涉和衍射的本质[J].大学物理实验，2011(3)：35-38.

[2] 刘春平，宋汉阁.光栅衍射实验现象引发的新思考[J].大学物理实验，2004(1)：22-25.

[3] 姚启均. 光学教程[M].北京：高等教育出版社，1989.

[4] 周炳琨，高以智，陈倜嵘，等.激光原理 [M].6版.北京：国防工业出版社，2010.

[5] 蓝信钜，激光技术[M].三版.北京：科学出版社，2009.

[6] 杨国光，近代光学测试技术[M].杭州：浙江大学出版社，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

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(2015XY05)

1007-2934(2016)06-0015-03

TN 248

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.004