諧振腔參數對激光輸出的影響

吳榮琴，楊文琴，蘇寶璽

(福建師范大學閩南科技學院，福建泉州 362332)

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諧振腔參數對激光輸出的影響

吳榮琴，楊文琴，蘇寶璽

(福建師范大學閩南科技學院，福建泉州 362332)

[摘要]光學諧振腔作為激光器的重要組成部分，為激光振蕩提供正反饋。諧振腔的參數直接影響激光的輸出特性，如輸出功率、頻率特性、光強分布(模式)以及光束發散角等。本文通過實驗分別對不同激光器的諧振腔參數進行改變，利用實驗數據和結果進行分析，得出激光器最佳輸出的諧振條件。

[關鍵詞]諧振腔參數；激光；最佳輸出

本文分別改變LD泵浦固體激光器和He-Ne激光器的諧振腔參數，包括輸出鏡透過率、諧振腔長度、泵浦功率。

1LD泵浦固體激光器諧振腔變化對輸出影響的討論

采用實驗裝置如圖1所示，泵浦源為半導體激光器，最大輸出約為1.7W，工作物質采用Nd∶YAG晶體，輸出波長為808nm的光，與Nd∶YAG的吸收峰相吻合。泵浦光經耦合系統注入Nd∶YAG晶體，與輸出鏡構成諧振腔，當腔內的增益大于損耗時便輸出1064nm激光。

圖1　半導體泵浦固體激光器實驗裝置圖

實驗步驟：根據實驗裝置圖1設置輸出鏡與晶體之間的距離。緩慢調節LD電流至1.0A，微調輸出鏡傾斜和俯仰使系統出光，然后微調激光晶體、耦合系統，使激光輸出到最大值。

實驗內容：將LD電流由小調大，從1.0A開始，每隔0.1A測量一組固體激光器系統的泵浦功率和輸出功率；分別采用透過率為T1=3%和T2=8%的輸出鏡測試實驗數據。得出泵浦功率與輸出功率的測量數據如表2所示，其關系曲線如圖2所示。

LD電流(A)LD快軸壓縮后功率(泵浦功率,W)T1=3%輸出功率(W)T2=8%輸出功率(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

圖2　輸入輸出功率曲線圖

由實驗結果可以看出：第一，當泵浦功率大于閾值時，激光腔內便建立起振蕩。激光的輸出功率隨著泵浦功率的增大呈近似線性增大。從理論上來看，輸出功率不會一直增大，激光器輸出功率的進一步增大有可能出現增益飽和現象，使輸出曲線彎曲，限制激光器輸出功率的進一步提高。第二，T1的輸出功率明顯比T2大，即透過率較小的輸出鏡有利于提高激光的輸出功率。從理論上看，激光輸出功率會隨輸出鏡透射率的降低而增加，但是當透過率達到最大值時激光的輸出反而會下降。這是由于透過率增大，在提高輸出功率的同時也使激光閾值增加，導致腔內的光強下降。

2He-Ne激光器諧振腔變化對輸出的影響

光在光學諧振腔內多次往返傳播中形成穩定持續的振蕩，才有激光輸出的可能。而形成持續振蕩的條件是，光在諧振腔中往返一周的光程差應是波長的整數倍，即

2μL=qλq.

(1)

其中，μ是折射率，氣體μ≈1，L是腔長，q是正整數，每一個q對應縱向一種穩定的電磁場分布λq，叫一個縱模，q稱作縱模序數。有幾個不同的q值，即表示激光器有幾個不同的縱模。從式(1)可以看出，這是駐波形成的條件，腔內的縱模是以駐波形式存在的，q值反映的恰是駐波波腹的數目。縱模的頻率為

(2)

則相鄰兩個縱模的頻率間隔

(3)

從式(3)可以看出，相鄰縱模頻率間隔和激光器的腔長成反比。即腔越長，Δv縱越小，滿足振蕩條件的縱模個數越多；相反腔越短，Δv縱越大，在同樣的增寬曲線范圍內，縱模個數就越少。本文通過在實驗中改變He-Ne激光器的腔長觀察實際激光縱模的變化，從而驗證這一理論。

本實驗在激光出光口連接掃描干涉儀，通過調節使得出射光束與掃描干涉儀的光軸基本重合，然后將放大器的接受部位對準掃描干涉儀的輸出端。接通放大器、鋸齒波發生器、示波器開關，觀察示波器上展現的頻譜圖。利用共焦球面掃描干涉儀將彼此頻率差異甚小(幾十至幾百MHz)、用眼睛和一般光譜儀器都不能分辨的縱模展現成頻譜圖來進行觀測。

圖3　He-Ne激光器模式分析實驗裝置圖

實驗中不斷改變腔長，記錄不同腔長的頻譜圖從而分析腔長變化對模式的影響。調節He-Ne激光器腔長，使L=330mm、350mm、370mm、390mm、410mm，仔細調試后在示波器顯示屏上出現如圖4、圖5、圖6、圖7所示頻譜圖。

圖4　L=330mm，Δv縱=189Hz

圖5　L=350mm，Δv縱=181Hz

圖6　L=370mm　Δv縱=119Hz

圖7　L=390mm　Δv縱=111Hz

3結語

在LD泵浦固體激光器的實驗中，我們分析了泵浦功率對輸出功率的影響。得到的結論：激光的輸出功率隨著泵浦功率的增大呈近似線性增大。當泵浦功率達到1.649W時，得到0.469W的輸出。另外，對比了平凹腔輸出鏡透過率為3%和8%的輸出結果，分析了透過率的改變對輸出功率的影響，得出透過率較小的輸出鏡比透過率較大的獲得的輸出功率較高的結論。最終在實驗中泵浦功率達到1.649W，采用透過率T=3%的輸出鏡時，獲得0.469W的最佳輸出，因此，適當提高泵浦功率以及選擇較低透過率的輸出鏡有利于獲得最佳激光輸出。

在He-Ne激光器的實驗中，我們對比了不同腔長所對應的縱模間距，得出腔長與相鄰縱模頻率間距成反比的結論，與理論結論一致。因此，若要獲得單縱模運行激光器，可以通過適當縮短腔長來實現。

[參考文獻]

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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

[中圖分類號]O43

[文獻標識碼]A

[文章編號]2095-7602(2016)04-0022-04

[作者簡介]吳榮琴(1990- )，女，助理實驗師，從事光學研究。

[收稿日期]2015-12-24