摘 要：簡(jiǎn)單介紹了氦氖激光器激發(fā)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(diào)試的方法。獲得了氦氖激光器輸出功率隨腔長(zhǎng)變化的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：諧振腔；閾值增益系數(shù)；半內(nèi)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造、造價(jià)低廉、體積小、輸出的激光相干性好等優(yōu)點(diǎn)，使氦氖激光器很快實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。現(xiàn)在氦氖激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)直定位、全息技術(shù)、精密計(jì)量、光盤刻放、光學(xué)教學(xué)等方面。但氦氖激光器也有缺點(diǎn)，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(zhǎng)來影響氦氖激光器的輸出功率也越來越受關(guān)注了。

2 實(shí)驗(yàn)儀器及其實(shí)驗(yàn)原理

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

F-HX1012氦氖激光器諧振腔實(shí)驗(yàn)儀器一套，包括氦氖激光管（帶布儒斯特窗的半內(nèi)腔式激光管）一支、氦氖激光穩(wěn)流電源一臺(tái)、半導(dǎo)體激光器一臺(tái)、光探頭、功率計(jì)一臺(tái)、模片（輸出反射鏡）、小孔、白屏、光具座、滑塊若干。結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

氦氖激光器是充有He、Ne混合氣體的器件，其中Ne為產(chǎn)生激光的物質(zhì)，而He是提高其泵浦效率的浦助氣體。在Ne原子2S、3S能級(jí)和2P、3P能級(jí)之間可以產(chǎn)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(gè)特定能級(jí)間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。對(duì)于四能級(jí)系統(tǒng)的氦氖激光器來說，反轉(zhuǎn)分布應(yīng)滿足的閾值條件為

式中，R2、R3為激光上下能級(jí)E3和E2的激發(fā)速率；g3和g2是這兩個(gè)能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重；τ2和τ3為粒子在相應(yīng)能級(jí)的平均壽命；A32是原子由躍遷到能級(jí)的自發(fā)輻射概率。

其中小信號(hào)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(shí)，小信號(hào)增益系數(shù)應(yīng)滿足：

gt是閾值增益系數(shù)，l是工作物質(zhì)的長(zhǎng)度，δ是激光諧振腔的平均單程損耗因子，在激勵(lì)一定的情況下，能否產(chǎn)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(gè)方面：

（1）幾何損耗。是光線在腔內(nèi)往返傳播時(shí)，一些不平行于光軸的光線有可能從腔的側(cè)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(yīng)而產(chǎn)生的損耗，如果在腔內(nèi)插入其他光學(xué)元件，還應(yīng)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(shù)N有關(guān)，與腔的幾何參數(shù)g有關(guān)，與橫模的階數(shù)有關(guān)系。菲涅耳數(shù)N越大，腔的衍射損耗越小，菲涅耳數(shù)N為：

可見腔長(zhǎng)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(guān)。

（4）非激活吸收散射等引起的損耗。這類損耗是因?yàn)榧す馔ㄟ^腔內(nèi)插入物（如布儒斯特窗，調(diào)Q元件、調(diào)制器等）和反射竟發(fā)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(duì)各個(gè)模式大體一樣。

3 實(shí)驗(yàn)過程

（1）將氦氖激光管、半導(dǎo)體激光器固定于光學(xué)軌道兩端，并把小孔放在中間，連接半導(dǎo)體激光器電源；（2）調(diào)整半導(dǎo)體激光器和小孔，使半導(dǎo)體激光與光學(xué)軌道基本平行，并進(jìn)入氦氖激光管毛細(xì)管入口；（3）調(diào)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(diào)節(jié)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(jì)，測(cè)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(shí)絕不能碰到布氏窗；二是調(diào)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(dá)到最大，才能記錄模片位置。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和實(shí)驗(yàn)報(bào)告（見表1）

5 結(jié)論

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

這里需要說明的是，可能由于氦氖激光管型號(hào)的不同，其參數(shù)就不同，就會(huì)造成數(shù)據(jù)有所變化。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：汪峰（1978-），男，江蘇徐州人，工程師，主要從事：電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。