谐振腔参数对激光输出的影响

吴荣琴，杨文琴，苏宝玺

(福建师范大学闽南科技学院，福建泉州 362332)



谐振腔参数对激光输出的影响

吴荣琴，杨文琴，苏宝玺

(福建师范大学闽南科技学院，福建泉州 362332)

[摘要]光学谐振腔作为激光器的重要组成部分，为激光振荡提供正反馈。谐振腔的参数直接影响激光的输出特性，如输出功率、频率特性、光强分布(模式)以及光束发散角等。本文通过实验分别对不同激光器的谐振腔参数进行改变，利用实验数据和结果进行分析，得出激光器最佳输出的谐振条件。

[关键词]谐振腔参数；激光；最佳输出

本文分别改变LD泵浦固体激光器和He-Ne激光器的谐振腔参数，包括输出镜透过率、谐振腔长度、泵浦功率。

1LD泵浦固体激光器谐振腔变化对输出影响的讨论

采用实验装置如图1所示，泵浦源为半导体激光器，最大输出约为1.7W，工作物质采用Nd∶YAG晶体，输出波长为808nm的光，与Nd∶YAG的吸收峰相吻合。泵浦光经耦合系统注入Nd∶YAG晶体，与输出镜构成谐振腔，当腔内的增益大于损耗时便输出1064nm激光。

图1　半导体泵浦固体激光器实验装置图

实验步骤：根据实验装置图1设置输出镜与晶体之间的距离。缓慢调节LD电流至1.0A，微调输出镜倾斜和俯仰使系统出光，然后微调激光晶体、耦合系统，使激光输出到最大值。

实验内容：将LD电流由小调大，从1.0A开始，每隔0.1A测量一组固体激光器系统的泵浦功率和输出功率；分别采用透过率为T1=3%和T2=8%的输出镜测试实验数据。得出泵浦功率与输出功率的测量数据如表2所示，其关系曲线如图2所示。

LD电流(A)LD快轴压缩后功率(泵浦功率,W)T1=3%输出功率(W)T2=8%输出功率(W)1.20.7670.1980.1151.30.8630.2200.1371.40.9470.2420.1631.51.0340.2640.1921.61.1100.2830.2211.71.1940.3130.2521.81.2720.3390.2861.91.3440.3590.3162.01.4210.3880.3452.11.5040.4110.3712.21.5900.4400.3992.31.6490.4690.425

图2　输入输出功率曲线图

由实验结果可以看出：第一，当泵浦功率大于阈值时，激光腔内便建立起振荡。激光的输出功率随着泵浦功率的增大呈近似线性增大。从理论上来看，输出功率不会一直增大，激光器输出功率的进一步增大有可能出现增益饱和现象，使输出曲线弯曲，限制激光器输出功率的进一步提高。第二，T1的输出功率明显比T2大，即透过率较小的输出镜有利于提高激光的输出功率。从理论上看，激光输出功率会随输出镜透射率的降低而增加，但是当透过率达到最大值时激光的输出反而会下降。这是由于透过率增大，在提高输出功率的同时也使激光阈值增加，导致腔内的光强下降。

2He-Ne激光器谐振腔变化对输出的影响

光在光学谐振腔内多次往返传播中形成稳定持续的振荡，才有激光输出的可能。而形成持续振荡的条件是，光在谐振腔中往返一周的光程差应是波长的整数倍，即

2μL=qλq.

(1)

其中，μ是折射率，气体μ≈1，L是腔长，q是正整数，每一个q对应纵向一种稳定的电磁场分布λq，叫一个纵模，q称作纵模序数。有几个不同的q值，即表示激光器有几个不同的纵模。从式(1)可以看出，这是驻波形成的条件，腔内的纵模是以驻波形式存在的，q值反映的恰是驻波波腹的数目。纵模的频率为

(2)

则相邻两个纵模的频率间隔

(3)

从式(3)可以看出，相邻纵模频率间隔和激光器的腔长成反比。即腔越长，Δv纵越小，满足振荡条件的纵模个数越多；相反腔越短，Δv纵越大，在同样的增宽曲线范围内，纵模个数就越少。本文通过在实验中改变He-Ne激光器的腔长观察实际激光纵模的变化，从而验证这一理论。

本实验在激光出光口连接扫描干涉仪，通过调节使得出射光束与扫描干涉仪的光轴基本重合，然后将放大器的接受部位对准扫描干涉仪的输出端。接通放大器、锯齿波发生器、示波器开关，观察示波器上展现的频谱图。利用共焦球面扫描干涉仪将彼此频率差异甚小(几十至几百MHz)、用眼睛和一般光谱仪器都不能分辨的纵模展现成频谱图来进行观测。

图3　He-Ne激光器模式分析实验装置图

实验中不断改变腔长，记录不同腔长的频谱图从而分析腔长变化对模式的影响。调节He-Ne激光器腔长，使L=330mm、350mm、370mm、390mm、410mm，仔细调试后在示波器显示屏上出现如图4、图5、图6、图7所示频谱图。

图4　L=330mm，Δv纵=189Hz

图5　L=350mm，Δv纵=181Hz

图6　L=370mm　Δv纵=119Hz

图7　L=390mm　Δv纵=111Hz

3结语

在LD泵浦固体激光器的实验中，我们分析了泵浦功率对输出功率的影响。得到的结论：激光的输出功率随着泵浦功率的增大呈近似线性增大。当泵浦功率达到1.649W时，得到0.469W的输出。另外，对比了平凹腔输出镜透过率为3%和8%的输出结果，分析了透过率的改变对输出功率的影响，得出透过率较小的输出镜比透过率较大的获得的输出功率较高的结论。最终在实验中泵浦功率达到1.649W，采用透过率T=3%的输出镜时，获得0.469W的最佳输出，因此，适当提高泵浦功率以及选择较低透过率的输出镜有利于获得最佳激光输出。

在He-Ne激光器的实验中，我们对比了不同腔长所对应的纵模间距，得出腔长与相邻纵模频率间距成反比的结论，与理论结论一致。因此，若要获得单纵模运行激光器，可以通过适当缩短腔长来实现。

[参考文献]

[1]周建华,兰岚,余学才.LD泵浦Nd∶YAG激光器综合实验建设[J].实验技术与管理,2014(8):78-81.

[2]阎吉祥.激光原理与技术[M].北京:高等教育出版社,2004:39-41.

[3]康平,赵绥堂,陈天杰.共焦球面扫描干涉仪在激光模式分析中的应用[J].激光,1979(8):44-49.

[4]卢秉嵩.激光器模式分析实验教学探讨[J].阜阳师范学院学报,1996(3):89-91.

[5]曲艳玲,张萍,王丽梅,等.基于He-Ne激光器模式分析实验研究[J].德州学院学报,2010(4):19-21.

The Influence of Cavity Parameters on the Laser Output

WU Rong-qin, YANG Wen-qin, SU Bao-xi

(Minnan Science and Technology Institute, Fujian Normal University, Quanzhou Fujian 362332, China)

Abstract:Optical resonator is an important part of the laser, it provides a positive feedback for lasing. Cavity parameters directly affect the output characteristic of laser, such as output power, frequency, intensity distribution (model) and the beam divergence Angle, etc. Respectively through the experiment of different laser resonator parameters change, by using the experimental data and results analysis, we get the optimum output laser resonance conditions.

Key words:the resonator parameters; laser; the best output

[中图分类号]O43

[文献标识码]A

[文章编号]2095-7602(2016)04-0022-04

[作者简介]吴荣琴(1990- )，女，助理实验师，从事光学研究。

[收稿日期]2015-12-24