金属薄膜边缘诱导改变谐振激光模式实验

陈书行，苗 玉，徐 俊，张庆立，高秀敏

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

激光所产生的光束在激光发展中扮演重要的角色，近几年，激光光束的产生和传播已经成为激光领域的主要研究课题，且谐振腔结构能够决定激光的光强分布[1]，因此，激光谐振腔用于产生各种光束成为研究热点[2]。Ngcobo等通过实验证明了在激光谐振腔中能产生高阶径向拉盖尔-高斯模式[3]。Kim等在二极管激光泵浦Nd：YAG激光谐振腔中选择性生成拉盖尔-高斯模式[4]。Kim等在单频Nd:YVO4激光谐振腔中直接产生光学涡旋光束[5]。Zhang等研究了气体激光谐振腔产生的可调激光演变模式的原则[6]。Zhang等用激光谐振腔形成具有不同轨道角动量的高质量涡旋激光束[7]。Bell等基于高阶激光模式生成了腔内二次谐波[8]。Naidoo等通过激光谐振腔产生了高阶庞加莱球面光束[9]。许多要求较高的激光表面改性应用需要各种激光模式叠加出射的形状特殊的激光光束，因此特殊形状的激光强度分布的研究吸引了很多激光材料加工研究者[6,10-13]。Roemer等利用不同几何形状的半导体激光光斑进行陶瓷表面处理，发现某些特殊形状的光斑，能够避免热裂纹的产生[11]。 Duocastella等将贝塞尔环形光束用于材料加工[13]。Birnbaum等证明用入射光束的特定形状沉积体素。通过这种方式，可以将任意形状的波束直接打印复杂的模式，减少处理时间，并支持高吞吐量并行化，且高斯光束被广泛应用于材料加工，在加工过程中保留其形状，通过采用光学元件引导激光辐射到工件上[14]。本文通过金属薄膜边缘干扰产生的丰富高阶模式的光束在材料加工上有着广阔的应用前景。

通过对激光谐振腔进行干扰，会产生丰富的激光模式。冯禹等发现激光照射在粗金属丝上时，在垂直于金属丝的屏幕上会出现环形的光，这是激光发生明显衍射现象的结果[15]。Ciornea等通过干涉效应控制谐振腔的输出电磁场[16]。Xu等用不规则钢丝在氦氖激光谐振腔内干扰产生出丰富的高阶高斯光束[17]。Zhang等用铜丝在氦氖激光谐振腔内干扰得到丰富罕见的激光模式[6]。秦应雄分别从理论和实验上研究了方形光阑、矩形光阑和三角形光阑附加于激光谐振腔的光束特性，分别获得了TEM99模方形光斑、TEM011模矩形光斑和六边形光斑[10]。小孔光阑可以放置在傅里叶频域进行滤波，作为空间滤波器进行选模。当小孔光阑的直径太小时，过多消耗基模的衍射损耗，谐振腔的输出功率过度降低，使输出的光斑有衍射环；当小孔光阑直径过大时，使高阶横模获得过强增益而发生振荡，从而影响输出模式的丰富程度[18]。目前没有人研究过金属薄膜边缘在氦氖激光谐振腔内进行单边切入诱导改变激光器出射的激光模式的实验。这种操作方便、实验效果显著的研究为生产应用和进一步的科学研究提供了方法。

本实验展示了一种氦氖激光谐振腔实验系统，在腔内加上不同方向上位移的金属薄膜边干扰，影响激光器出射的激光模式，用CCD作为探测器采集激光模式，对激光模式的演化原则进行了分析。

1 实验探究

1.1 激光输出模式的理论分析

当受激辐射产生的光子与引起受激辐射的外来光子具有相同的频率、相位、振动方向及传播方向时，受激辐射产生的光子与外来光子属于同一光子态，于是产生了相干光。对于He-Ne激光管，氖原子的自发辐射中心为632.8 nm，只有光的频率在一定范围内传播时，谐振腔才能对其进行光学反馈，形成稳定、持续的振荡，激光才可能输出[15]。激光模式一般是指光学谐振腔内电磁场存在的本征态，不同的模式对应不同的光场分布和振荡频率[6]。横模是指腔内电磁场在垂直于传播方向的横向稳定光场分布和频率，由光在放电毛细管反馈多次形成的衍射光斑叠加形成[19]。基于这一原理，在光的衍射过程中加入金属薄膜边干扰观察实验现象。

1.2 实验平台搭建

实验采用定制的带有布鲁斯特窗的氦氖激光管和曲率半径R=1 000 mm的平凹镜，在没有任何附加条件的情况下，能产生稳定、清晰和丰富的高阶激光模式， 且结构简单，方便实验操作，实验装置如图1所示。

图1 实验装置图Fig. 1 Experimental device diagram

实验装置由氦氖激光腔、平凹镜、金属薄膜和CCD相机组成。其中，激光管带有布鲁斯特窗。激光管、金属薄膜及平凹镜是安装在调节支架上的，平凹镜的曲率半径R=1 000 mm，且它的平面为输出镜，凹面为全反镜；透镜支架用于透镜的细调，通过调节透镜支架上的两个旋钮，微调节输出镜与全反镜之间平行度，进而改变输出激光模式[17]。调节得到的激光模式的光强分布在白纸上就能看清。CCD相机对激光模式进行拍摄采集。

1.3 激光实验操作

将激光器固定好，启动激光器电源，调节输出镜、全反镜和放电管使氦氖激光谐振腔出光，待激光器稳定后，微调输出镜与反射镜的平行度及放电管的直度，使激光器调制出射各种不同高阶模式。选择复杂的具有代表性的激光模式用金属薄膜的边缘进行干扰。用金属薄膜的上方边缘和左侧边缘对激光谐振腔分别进行干扰，固定金属薄膜的支架，采用带有可微调左右位移的螺旋测微杆的水平位移台和可微调上下位移的螺纹的竖直支架。如图1所示，第一步，微调金属薄膜支架的螺纹，使得金属薄膜的上方边缘向Y轴方向缓慢移动，将所得到的激光模式用CCD采集记录。第二步，微调金属薄膜支架的水平螺旋测微杆，用金属薄膜中间方形孔的左侧边缘向X轴方向缓慢移动，将所得到的激光模式用CCD采集记录。第三步，调节透镜支架，变换出射激光模式，再重复第一步和第二步的操作。第四步，对实验结果进行详细记录和对谐振腔的出射激光模式在金属薄膜边缘干扰情况下的演变原则进行总结分析。

2 结果与分析

图2是用金属薄膜的上方边缘沿Y轴方向缓慢移动所得到的激光模式演化图。微调透镜支架得到图2（a）的激光模式，图2（a）的激光模式是没有经过金属薄膜边缘干扰的由氦氖激光谐振腔直接输出的，是带有两个暗焦点的近似圆形的激光模式。随着金属薄膜向Y轴正向移动产生的干扰，带有两个暗焦点的近似圆形的激光模式逐渐演化为带有两个暗焦点的沿X轴分裂的椭圆形，如图2（b）所示。随着金属薄膜的向下逐渐移动，出射光场演化为沿X轴分裂的三点激光模式，并逐渐变弱，如图2（c）和图2（d）所示。

图3是用金属薄膜的左侧边缘向X轴正向缓慢移动进行干扰得到的激光模式演化图。图3（a）的激光模式是没有经过金属薄膜边干扰的由氦氖激光谐振腔直接输出的，是带有两个暗焦点的近似圆形的激光模式，且与图2（a）是相同的激光模式。随着金属薄膜的左侧边缘向X轴正向移动产生的干扰，激光模式逐渐演化成两个沿Y轴上下分裂的峰，并逐渐变弱，最后消失，如图 3（b）～（e）所示。

图4是用金属薄膜的上方边缘向Y轴正向缓慢移动进行干扰所得到的激光模式演化图。微调透镜支架得到图4（a）的激光模式，图4（a）的激光模式是没有经过金属薄膜边干扰的由氦氖激光谐振腔直接输出的，此时呈现的是复杂的高阶模式，相互重叠的多点阵列。随着金属薄膜的上方边缘向Y轴正向缓慢移动产生的干扰，不规则点由从上下往中心逐渐融合，激光由高阶向低阶模式演变，如图4（b）和图4（c）所示，最后演变成一个基模，如图4（d）所示。

图5是用金属薄膜的左侧边缘向X轴正向缓慢移动进行干扰所得到的激光模式演化图。图5（a）的激光模式是没有经过金属薄膜边缘干扰的由氦氖激光谐振腔直接输出的，此时呈现的是复杂的高阶模式，相互重叠的多点阵列，与图4（a）是同一种激光模式。随着用金属薄膜的左侧边缘向X轴正向移动产生的干扰，不规则点从左右向中心逐渐融合，激光模式由高阶向低阶模式演变，如图5（b）和图5（d）所示，逐渐演变成一个扭曲的基模，如图5（e）所示，最后演变成基模，如图5（f）所示。

图6是用金属薄膜的上方边缘向Y轴正向缓慢移动进行干扰所得到的激光模式演化图。微调透镜支架得到图6（a）的激光模式，图6（a）的激光模式是没有经过金属薄膜边缘干扰的由氦氖激光谐振腔直接输出的，此时呈现的是复杂的高阶模式，由多个峰重叠产生，形成带有多个暗焦点的整体椭圆形的激光模式。随着用金属薄膜的上方边缘向Y轴正向移动产生的干扰，不规则点沿Y轴向原点逐渐融合，激光模式由高阶向低阶演变，椭球度提高，如图6（b）所示。当金属薄膜继续移动，激光模式变为扭曲S形，如图6（c）所示。随着金属薄膜移动的位移增加，激光模式演化成沿X轴分裂的多点模式 ,如图6（d）所示。最后激光模式演变成基模，如图 6（e）所示。

图2 金属薄膜的上方边缘沿Y轴干扰的激光模式图Fig. 2 Laser fields under the interference of the upper edge of the metal film moving along the Y-axis

图3 金属薄膜的左侧边缘沿X轴干扰的激光模式图Fig. 3 Laser fields under the interference of the left edge of the metal film moving along the X-axis

图4 金属薄膜的上方边缘沿Y轴干扰的激光模式图Fig. 4 Laser fields under the interference of the upper edge of the metal film moving along the Y-axis

图5 金属薄膜的左侧边缘沿X轴干扰的激光模式图Fig. 5 Laser fields under the interference of the left edge of the metal film moving along the X-axis

图7 是用金属薄膜的左侧边缘向X轴正向缓慢移动进行干扰所得到的激光模式演化图。图7（a）的激光模式是没有经过金属薄膜边干扰的由氦氖激光谐振腔直接输出的，此时呈现的是复杂的高阶模式，由多个光斑重叠产生，形成带有多个暗焦点的整体椭圆形的激光模式，与图6（a）是同一种激光模式。随着金属薄膜的左侧边缘向X轴正向移动产生的干扰，不规则点沿着X轴向中心逐渐融合，激光模式由高阶向低阶模式演变，演变成没有亮焦点的四个峰，如图7（b）所示。当金属薄膜继续移动，激光模式演化成沿Y轴分裂的四点模式，如图7（g）所示。

图8是用金属薄膜的上方边缘向Y轴正向缓慢移动进行干扰所得到的激光模式演化图。微调透镜支架得到图8（a）的激光模式，图8（a）的激光模式是没有经过金属薄膜边缘干扰的由氦氖激光谐振腔直接输出的，此时呈现的是多点矩形阵列的高阶模式。用金属薄膜的上边缘向Y轴正向移动进行干扰，组成矩形阵列的点沿Y轴向中心逐渐融合，激光模式由高阶向低阶模式演变，如图8（b）所示。当金属薄膜继续向Y轴正向缓慢移动，激光模式变为沿着轴分裂的多点模式，如图8（c）所示。随着金属薄膜沿Y轴正向的位移增加，激光模式演化成沿着Y轴分裂的多点模式。最后激光模式演变成沿Y轴分裂的三点模式，如图8（f）所示。

图6 金属薄膜的上方边缘沿Y轴干扰的激光模式图Fig. 6 Laser fields under the interference of the upper edge the metal film moving along the Y-axis

图7 金属薄膜的左侧边缘沿X轴干扰的激光模式图Fig. 7 Laser fields under the interference of the left edge of the metal film moving along the X-axis

图9 是用金属薄膜的左侧边缘向X轴正向缓慢移动进行干扰所得到的激光模式演化图。图9（a）的激光模式是没有经过金属薄膜边缘干扰的由氦氖激光谐振腔直接输出的，此时呈现的是多点矩形阵列的高阶模式，与图8（a）是同一种激光模式。当用金属薄膜的左边缘向X轴正向缓慢移动进行干扰，组成矩形阵列的点沿X轴向中心逐渐融合，激光模式由高阶向低阶模式演变，如图9（b）所示。随着金属薄膜向X轴正向移动的位移增加，激光模式演变成沿轴分裂的三点模式，如图9（f）所示。最后激光模式演化成基模，如图9（h）所示。

在与传播方向垂直的平面上的光场分布的改变，可以使谐振腔产生丰富的横模。在谐振腔内利用金属薄膜边缘的干扰，减小了激光腔的横截面积，使谐振腔的菲涅尔数减小，进而使得激光模式的衍射损耗增大。随着沿X轴和Y轴正方向位移的增加，使各横模的衍射损耗增大，当激光束在腔内经过一次往返，由于在谐振腔内不同横模的衍射损耗不同，如果某种横模在一次往返后增益大于损耗，而其他横模的增益小于损耗，那么经过多次往返后，其他横模将逐渐衰减而最终被抑制掉，谐振腔内将只剩下某种横模。

图8 金属薄膜的上方边缘沿Y轴干扰的激光模式图Fig. 8 Laser fields under the interference of the upper edge of the metal film moving along the Y-axis

图9 金属薄膜的左侧边缘沿X轴干扰的激光模式图Fig. 9 Laser fields under the interference of the left edge of the metal film moving along the X-axis

当金属薄膜边缘沿X轴和Y轴正方向上逐渐移动时，损耗越来越大，出射的激光模式由高阶向低阶模式演化，然后变成基模高斯光，变弱直到消失。原始激光模式的阶数越高，它的演化模式光斑形状越丰富。当用金属薄膜小孔的上边缘向Y轴正向缓慢移动干扰时，激光模式的演化规则是最后趋于沿X轴的分裂模式；当用金属薄膜小孔的左边缘向X轴正向缓慢移动干扰时，激光模式的演化规则最后趋于沿Y轴的分裂模式。

3 结论与分析

本实验研究用定制的氦氖激光谐振腔在不同方向移动的金属薄膜边的干扰情况下产生的不同的激光模式的现象。首先采用定制的氦氖激光谐振腔产生高阶高斯光束，然后分别用金属薄膜的上方边缘向下缓慢移动和左侧边缘向右缓慢移动进行干扰，激光器谐振腔产生了许多具有高稳定性和高质量的新颖的激光模式，且演化规律不同。用CCD相机采集激光模式，对光束的演变过程进行详细记录，并对演化规律进行了归纳和总结。

在与传播方向垂直的平面上的光场分布的改变，可以使谐振腔产生丰富的横模。在谐振腔内利用金属薄膜边缘的干扰，减小了激光腔的横截面积，使谐振腔的菲涅耳数减小，进而使得激光模式的衍射损耗增大。随着沿X轴和Y轴正方向位移的增加，使各横模的衍射损耗增大，当激光束在腔内经过一次往返，由于在谐振腔内的不同横模衍射损耗不同，如果某种横模在一次往返后增益大于损耗而其他横模的增益小于损耗，那么在多次往返后，其他横模将逐渐衰减而最终被抑制掉，谐振腔内将只剩下某种横模。当金属薄膜边缘沿X轴和Y轴正方向上逐渐移动，损耗越来越大，出射的激光模式由高阶向低阶模式演化，然后变成基模高斯光，变弱直到消失。原始激光模式的阶数越高，它的演化模式光斑形状越丰富。当用金属薄膜小孔的上边缘向Y轴正向缓慢移动干扰时，激光模式的演化规则是最后趋于沿X轴的分裂模式；当用金属薄膜小孔的左边缘向X轴正向缓慢移动干扰时，激光模式的演化规则最后趋于沿Y轴的分裂模式。本实验效果显著，为生产应用和进一步的科学研究提供了一种方法。