He-Ne激光器光回馈输出功率特性的研究 
孙贯成　陈新邑　高　勋
（长春理工大学理学院，吉林 长春130022） 
　　摘　要：提出了一种He-Ne激光回馈实验系统，并在理论和实验两方面进行了研究。当回馈反 射镜的位置变化或固定时，分别对激光输出功率进行了测量，得到了实验结果并对实验结果 进行了分析。
　　关键词：光回馈；  He-Ne激光器；  输出功率 
　　中图分类号：O57　文献标识码：A　文章编号：1008-7508（ 2009）06-0099-03
　　引言

　　随着人们对各种光回馈现象的深入研究，发现可以利用光回馈现象进行位移的测量，并 把用回馈现象进行位移测量的激光系统叫自混合干涉系统。而激光自混合干涉是指在激光应 用系统中，激光器输出光被外部物体反射或散射后，其中部分光又回馈到激光谐振腔，回馈 光携载外部物体信息，与腔内光相混合后，调制激光器的输出功率，因输出信号特点与传统 的双光束干涉信号有相似之处，故被称为自混合干涉，同时也可以称为光回馈，即 激 光器自身输出光回馈自身的谐振腔中，改变激光器的结构，形成一个具有内外腔的新的复合 腔谐振激光器，当外部谐振腔长度变化时，将导致激光输出功率的变化。

　　 一、光回馈干涉的理论模型

　　工作在光回馈状态下的激光器可用图1所示的三镜腔 模型描述。 
为推导带有外腔的激光器的理论模型,将三镜模型等效为腔长为d的双镜腔结构,如图2所示。 经过推导，近似处理后可解得
υ=υ0-〖SX(〗c〖〗2π〖SX)〗△k=υ0-υmsin［2πυτ+arctan(α)］〖J Y〗(1)
△N=Nmcos(2kL)〖JY〗(2)
式中,△υm=〖SX(〗cξ〖〗4πn0d〖SX)〗〖KF(〗1＋α2〖KF)〗,α=χ/ρ为激光 器线宽展宽因子;△Nm=-〖SX(〗ξ〖〗2ρk0d〖SX)〗;υ及υ0分别为有、无反馈时 的激光振荡频率。
〖BG(〗〖BHDWG35mm，WK80mmW〗〖BG)W〗
〖JZ〗图1三镜F-P腔
〖BG(〗〖BHDWG35mm，WK80mmW〗〖BG)W〗
〖JZ〗图2双镜等效F-P腔

　　激光器阈值增益被反馈光调制;由于激光输出功率比例于激光阈值增益,因此,激光输出 功率也就被反馈光调制, 输出光功率可表示为
I=I0［1+μcos(2πυτ)］〖JY〗(3)
式中I0为无反馈时激光器输出光功率,υ为比例于参数ξ的常数。
　　式(1)和(3)即为自混合干涉的基本理论模型。式(1)决定了激光振荡频率,表明激光振荡 频率υ是外腔长度的非线性函数,且依赖于参数ξ; 当外腔长度连续变化时,激光振荡频率将 呈周期性的非线性变化;式(2)表明输出光功率也随外腔长度变化而呈周期性变化, 且其相 位变化由式(12)表示的频率特性决定。

〖SM（〗〖ＨＴ５”，６〗〖ＳＸ（Ｂ－３〗〖〗〖ＨＴ５”〗〖ＦＫ（ＷＢ８００１ １２／５。８〗〖ＹＹ（〗改革与探讨〖ＹＹ）〗〖ＦＫ）〗〖ＳＸ） 〗〖ＨＺ（〗
孙贯成陈新邑高勋
〖ＨＴ５”Ｙ１〗He—Ne激光器光回馈输出功率特性的研究
〖ＨＺ）〗〖SM）〗 〖DM（〗〖ＨＴ５”，６〗 〖ＨＺ（〗
孙贯成陈新邑高勋
〖ＨＴ５”Ｙ１〗
He—Ne激光器光回馈输出功率特性的研究
〖ＨＺ）〗 〖HT5”，6〗

〖ＳＸ（Ｂ－３〗〖〗〖ＨＴ５”〗〖ＦＫ（ＷＢ８００１ １２／５。８〗〖ＹＹ（〗改革与探讨〖ＹＹ）〗〖ＦＫ）〗〖ＳＸ ）〗〖DＭ）〗 
　　二、光回馈输出功率特性的实验测量

　　实验装置如图3所示。
〖BG(〗〖BHDWG35mm，WK80mmW〗〖BG)W〗　　
〖JZ〗图3He-Ne激光器光回馈输出功率特性研究的实验装置图 
M1、M2为He-Ne激光器两端的反射镜,R1为99%，R2为98%，R3为95%，用于 把激光器的输出光回馈进入谐振腔内。激光管和反馈镜安装在激光准直管上，通过调节螺丝 调整反馈镜的位置，从而实现对激光束的聚焦，构成自混合激光传感头。图3中D1代表光 电探测器。D1 连接一个功率计,通过它采集数据。当He-Ne激光器固定时，移动M3，根据M3的移动位置 ，探测器D1可以探测到激光器功率的波动情况。并通过功率计记录下相应的数值变化，做 出图形以便分析。
〖BG(〗〖BHDWG55mm，WK80mmW〗〖BG)W〗　　
〖JZ〗图4He-Ne激光器反馈镜与反射镜间的
〖JZ〗距离和输出功率的关系 
　　(1)当回馈反射镜的位置变化时，测量功率的变化情况。图4是根据图3所示的实验装置测得 的实验曲线，反映的是He-Ne激光器反馈镜与反射镜间的距离和输出功率间的关系。由于功 率有起伏，在这里取功率的平均值。
　　（2）当回馈反射镜固定某一值时，测量功率起伏情况。图5到图8四组图形是反馈镜与反射 镜间的距离分别为d=32.9cm，40.9cm，48.9cm，56.9cm时，功率起伏随时间变化的情况。      
〖BG(〗〖BHDWG40mm，WK80mmW〗〖BG)W〗　
〖JZ〗图5d=32.9cm时，功率起伏随时间变化的情况
〖BG(〗〖BHDWG40mm，WK80mmW〗〖BG)W〗　
〖JZ〗图6d=40.9cm时，功率起伏随时间变化的情况
〖BG(〗〖BHDWG40mm，WK80mmW〗〖BG)W〗　
〖JZ〗图7d=48.9cm时，功率起伏随时间变化的情况
〖BG(〗〖BHDWG40mm，WK80mmW〗〖BG)W〗　
〖JZ〗图8d=56.9cm时，功率起伏随时间变化的情况

　　四、实验结果分析

　　根据上面的图形可知，激光器的 前腔表面与反射镜表面形成激光器的外腔，激光管发射光束传播到外腔反射镜表面，被反射 后，一部分光又反馈回激光器的内腔。反射镜的位移引起了外腔光相位的波动，从而使得激 光器输出光强度发生波动，当外腔长度变化引起激光输出强度波动时，观察到的图形类似于 传统的光干涉现象，即强度波动深度与传统双光束干涉系统相当。而当光回馈干涉系统处于 弱光反馈水平时，光回馈干涉输出功率信号类似于正弦波形。这一实验现象说明：
　　1、在无腔外反射镜时，He-Ne激光器处于单纵模状态，此时激光器的输出光强强度稳定。而 加入外反射镜后，使得激光器的光强强度随之发生变化。由反射镜反馈回来的激光光 束充当了Ne原子跃迁的泵浦光，使得高能粒子产生受激辐射，低能粒子产生受激吸收，因而 影响了输出光的功率和光强的稳定性。因此可知，在加入外反射镜后光强强度变得不稳定， 进而影响输出功率的稳定性。
　　2、对回馈光与输出激光的干涉情况进行分析，反射镜与输出镜间距离固定在某一位置 处时，对应的输出功率都有微小的波动，这主要是由于激光器的输出光与反馈光间产生的干 涉情况不稳定所产生的现象，也因此导致输出功率变化的规律不同。

收稿日期：2009-7-20
作者简介： 孙贯成（1971—），男，吉林长春人，在读博士，主要从事光学的研究。陈新邑（1976—） 男，长春理工大学理学院讲师，在读博士，主要从事激光技术研究。高勋（1978—）男， 长春理工大学理学院讲师，主要从事激光等离子体、超快光谱研究