激光原理与激光技术 完整第七章

第七章模式选择与测量 概述 激光的许多应用领域要求激光束具有好的光束质量 光束质量 方向性 横模 单色性 纵模 横模 激光束横截面内激光光场的分布 方形镜稳定球面腔横模示意图 圆形镜稳定球面腔横模示意图 实际中的激光器如不采取特殊措施 往往有多个横模及多个纵模同时在腔内振荡 导致光束质量差 为了提高光束质量 就要采用横模及纵模选择技术 从众多的模式中选出模和单纵模 纵模 沿谐振腔轴线上的激光光场分布 单横模 单纵模激光具有极好的相干性和单色性 基模的发散角最小 径向强度分布均匀 7 1横模选择技术 一 横模选择原理 一台激光器的谐振腔中可能有若干个稳定的振荡模 考虑由两个反射镜构成的谐振腔 反射率分别为 单程损耗 单程增益系数 工作物质长 初始光强在腔内往返一周后 光强度变为 如果满足下式 由阈值条件 现考虑最低阶次的两个横模 单程损耗分别为 则激光器可实现单横 运转 横模选择的物理基础是 利用谐振腔对不同阶横模具有不同衍射损耗的性能 基模的衍射损耗最低 随着横模阶次的增高 衍射损耗增加 从而通过设计谐振腔 使上式满足 实现选模 二 横模选择的方法 两类 1 改变谐振腔的结构 气体激光器常用这类方法 和参数以获得各模衍射损耗的较大差别 2 在一定的谐振腔内插入附加的选模元件 固体激光器 1 谐振腔参数g和N的选择法 从选基模的角度 希望选择较小的g和N值 但是N值太小 模体积小 输出功率低 因此 为了既能获得基模振荡 又能有较高的输出功率 应适当增大N值 这时 衍射损耗的绝对值降低 为了增大衍射损耗 就需要选择值 使腔处于稳定区边缘 即临界工作状态 当谐振腔由稳区向非稳区过渡时 各阶模的衍射损耗迅速增加 基模增加慢 高阶模增加快 当工作点移到某个位置时 所有高阶模受到高的衍射损耗被抑制掉 最后只剩下基模运转 实际中对于常用的大曲率半径的双凹球面稳定腔来说 N通常取0 5 2之间 这时模 腔长为1m量级 的损耗约为2 在此基础上增大值 使得模的损耗大于增益 抑制模 2 小孔光阑法选模 特点 结构简单 调整方便 缺点 受小孔限制 腔内基模体积小 导致输出功率小 在腔内插入合适尺寸的小孔光阑 可使高阶横模被遮挡掉一部分 降低谐振腔的菲涅耳数 增加衍射损耗 而基模顺利通过 从而抑制高阶横模振荡 3 腔内插入透镜选模 之所以要把光斑聚焦到很小才加光阑 使因为这样的话对高阶横模的损耗会增大 而对基模影响不大 4 非稳腔选模 一 纵模选择原理 我们知道 激光器的振荡频率范围由工作物质的增益曲线宽度决定 如果以表示增益曲线高于阈值部分的宽度 相邻纵模的频率间隔为 则激光器内可能同时振荡的纵模数为 假设单横模 7 2纵模选择技术 一系列分立等间隔 如果激光工作物质有多条激光谱线 首先用频率粗选法抑制不需要的谱线 其次用横模选择法选出模 使频谱结构较简单 最后再进行纵模选择 纵模选择的基本思想 控制各纵模的增益与损耗的相对大小 使其中只有一个纵模满足振荡的条件 从而实现单纵模的运转 对于同一横模的不同纵模损耗相同 但增益不同 因此在腔内引入一定的选择性损耗 使欲选择的纵模损耗最小 而其余纵模的附加损耗加大 在激光形成的过程中 通过多纵模间的模竞争机制 最终形成振荡的是增益最大 损耗最小 的单纵模 由衍射理论知 不同的横模 具有不同的谐振频率 相同的纵模而言 这样当多个横模振荡时 振荡频谱结构就越复杂 当腔内只有单横模振荡时频谱结构才较简单 1 色散腔粗选频率 如果激光工作物质具有多条发射不同波长的激光谱线 如He Ne激光器可发射632 8nm 1 15um 3 39um三条谱线 那么 在纵模选择之前 必须将频率进行粗选 抑制不需要的频率 通常是利用腔镜反射膜的光谱特性 或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件 将不同波长的光束在空间分离 使我们需要的较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡 其它波长的光不被反馈而被抑制掉 二 纵模选择的方法 设入射出射角相等 腔长波长所允许的最小分离范围 利用玻璃材料制成的棱镜和可见光波段来说 光栅色散腔 光栅衍射主极大值条件 衍射级次 光栅的角色散率为 当 光栅的闪耀角 特点 色散选择能力比棱镜更高 光栅法不存在光束的透过损耗 透明的光谱区域宽 设腔内允许的发散角为 则最小分离波长范围 2 短腔法缩短谐振腔长度 可增大相邻纵模间隔 以致在荧光谱线有效宽度内 只存在一个纵模 从而实现单纵模振荡 特点 只适合增益线宽窄的激光器 对于增益宽的激光器 要求的腔长极短 不可能实现 同时短腔长限制了输出功率 对于大功率单纵模场合不适用 3 F P标准具法 F P标准具对不同波长具有不同的透射率 特点 标准具的厚度可以做得很薄 自由光谱区比腔谐振频率大得多 对于增益线宽很宽的物质均能获得单纵模振荡 并且腔长没有缩短 输出功率不受影响 调节标准具倾角使透射峰与不同纵模的频率重合 就可以获得调谐输出 当激光工作物质增益线宽很大时 一个标准具难以奏效 往往采用双标准具选模 迈克耳孙干涉仪式复合腔 4 复合腔法 复合腔的频率间隔 适当选择使得足够大 与增益线宽相比拟时 可实现单纵模运转 5 其它选纵模方法 1 环形腔 行波 选纵模 在均匀加宽激光器中 由于驻波效应 容易形成空间烧孔效应 从而形成多纵模荡 采用如左图所示的环形行波腔 消除空间烧孔效应 由于增益饱和 在各纵模的竞争中 最靠近中心频率处的单纵模占优势 最终获得单纵模的激光输出 2 Q开关选单纵模 开始时 开关处于不完全关闭状态 中心频率附近的少数增益大的纵模建立起振荡 其余增益小达不到阈值的不能起振 另一方面 这少数纵模是在临界振荡条件下进行振荡的 激光形成过程长 竞争较为充分 最终能形成激光的是增益最大的中心频率处的纵模 7 3模式测量方法 可见光 屏红外 上转换材料做成的薄片 红外可见光 变像管 CCD摄像机特点 简单直观 鉴别能力不高 一 直接观测法 主要用于连续激光器的观测 一台激光器到底是什么模式 横模 纵模 需要进行测量 原理 不同横模的光强在横截面上具有不同的分布状况 二 光点扫描法 由谐振腔理论知 不同的模式 横模 纵模 具