韩定安25第六章-1模式选择

1、高阶横模激光束光强分布不均匀，高阶横模激光束光强分布不均匀，光束发散角大，空间相干性差光束发散角大，空间相干性差多纵模激光器光束单色性差，时间多纵模激光器光束单色性差，时间相干性差相干性差第七章第七章 激光器特性控制与改善激光器特性控制与改善第一节第一节 模式选择技术模式选择技术1)1 (0021000rrelg1)1 (1021010rrelg0010/一、横模选择的基础一、横模选择的基础谐振腔种不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础。谐振腔种不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础。TEM00模单横模运转的充分条件模单横模运转的充分条件同时相邻横模同时相邻横模TEM10模满足模满足增

2、大高阶横模与基模的衍射损耗比增大高阶横模与基模的衍射损耗比并提高衍射损耗在总损耗中所占的比例，有利于横模选择。并提高衍射损耗在总损耗中所占的比例，有利于横模选择。衍射损耗与菲涅耳数衍射损耗与菲涅耳数1.如图所示，设有一个腔长为如图所示，设有一个腔长为L，反射镜直径为，反射镜直径为2a的激光器，腔内传播的是一高的激光器，腔内传播的是一高斯光束，该光束在镜面处的场强分布可以写为：斯光束，该光束在镜面处的场强分布可以写为：)exp()(),(2120UUyxU由于光强的分布正比于场强的平方，故镜由于光强的分布正比于场强的平方，故镜面处的光强分布为面处的光强分布为:)2exp()(2120 II从上式

3、看出光强从上式看出光强I的分布一直弥散到的分布一直弥散到 ，但是由于反射镜尺寸的限制，但是由于反射镜尺寸的限制， 处的光能量将落到镜面外而逸出腔体，这将引起能量的损耗，这种由于衍射效应处的光能量将落到镜面外而逸出腔体，这将引起能量的损耗，这种由于衍射效应使光束向边缘处弥散而形成的光能量的损耗称为使光束向边缘处弥散而形成的光能量的损耗称为“衍射损耗衍射损耗”。a设射向镜面的总光功率为设射向镜面的总光功率为I，落在，落在 处因而损耗了的光功率为处因而损耗了的光功率为I，则我们定，则我们定义谐振腔的单程衍射损耗为义谐振腔的单程衍射损耗为aD 下面以共焦腔为例，估算一下单程衍射损耗，先计算下面以共焦腔

4、为例，估算一下单程衍射损耗，先计算I和和I：反射镜半径反射镜半径a越大，则衍射损耗越小。镜面光斑尺寸越小，则衍射损耗也越小。越大，则衍射损耗越小。镜面光斑尺寸越小，则衍射损耗也越小。下面我们把上式进一步具体化，从而引入一个在衍射理论中经常用到的参量下面我们把上式进一步具体化，从而引入一个在衍射理论中经常用到的参量菲涅耳数。由共焦腔基横模的镜面光斑尺寸菲涅耳数。由共焦腔基横模的镜面光斑尺寸)2exp(21LaLD叫做“菲涅耳数”；其中令NNLaND)2exp(2对于共焦腔的基横模来说，衍射损耗只与菲涅耳数对于共焦腔的基横模来说，衍射损耗只与菲涅耳数N有关，有关，N越大则衍射损耗越越大则衍射损耗越

5、小。菲涅耳数是表征谐振腔衍射损耗的一个特征参数。小。菲涅耳数是表征谐振腔衍射损耗的一个特征参数。22200120012( )2exp()2IIdId 2212exp()Da 2201212( )2exp()2aIaId 0010/000010/00二、横模选择的具体方法二、横模选择的具体方法 N增大，增大，增大增大减小减小大），但是大），但是越小越小N增大，增大，N相同时，相同时， g越小，模的鉴别力越高（越小，模的鉴别力越高（选模方法选模方法1：小孔光阑选模：小孔光阑选模选模方法选模方法2：谐振腔参数：谐振腔参数g、N选择法选择法选模方法选模方法3：非稳腔选模：非稳腔选模选模方法选模方法4：

6、微调谐振腔：微调谐振腔但是衍射损耗在总损耗中所占的比例但是衍射损耗在总损耗中所占的比例较小，可以增加小孔光阑较小，可以增加小孔光阑(降低腔的降低腔的菲涅耳数菲涅耳数)来提高衍射损耗所占的比来提高衍射损耗所占的比例。这时虽然取决于衍射损耗的模鉴例。这时虽然取决于衍射损耗的模鉴别力下降，但是总的损耗比却增加。别力下降，但是总的损耗比却增加。在实际使用中，加小孔往往将腔的菲在实际使用中，加小孔往往将腔的菲涅耳数降低几十到上百倍。涅耳数降低几十到上百倍。在稳定腔中，在稳定腔中，0010/ 可以较大可以较大三、纵模选择三、纵模选择oscvLcvq2qoscvv纵模频率间隔：纵模频率间隔：时，实现单纵模振

7、荡时，实现单纵模振荡适用于气体激光器等荧光线宽较窄的激光器适用于气体激光器等荧光线宽较窄的激光器1. 短腔法短腔法扩大相邻纵模增益差扩大相邻纵模增益差增益带宽增益带宽要提高光束的单色性和相干长度，就需要使激光器工作在要提高光束的单色性和相干长度，就需要使激光器工作在单一频率下。在同一个谱线振荡线宽内选择纵模：单一频率下。在同一个谱线振荡线宽内选择纵模：这种方法的缺点是由于腔长缩短，使得双程增益减少，常常得这种方法的缺点是由于腔长缩短，使得双程增益减少，常常得不到足够的输出功率，因此，这种方法常用在对激光输出功率不到足够的输出功率，因此，这种方法常用在对激光输出功率要求不高的场合。要求不高的场合

8、。2.行波腔法行波腔法消除驻波效应：驻波腔中空间烧孔的存在，当激励足够强，消除驻波效应：驻波腔中空间烧孔的存在，当激励足够强，激光器有多纵模振荡。采用环形腔，在腔内插入一个只允激光器有多纵模振荡。采用环形腔，在腔内插入一个只允许光单向通过的隔离器，可形成无空间烧孔的行波腔。许光单向通过的隔离器，可形成无空间烧孔的行波腔。3选择性损耗选择性损耗在腔内插入标准具或利用复合腔，利用多在腔内插入标准具或利用复合腔，利用多光束干涉，是谐振腔具有与频率相关的选光束干涉，是谐振腔具有与频率相关的选择性损耗。择性损耗。cos2 dCjvjcos2 dCvjrrdCv12插入标准具时，标准具的透射率对应峰值：插

9、入标准具时，标准具的透射率对应峰值：相邻透射峰间隔相邻透射峰间隔透射谱线宽度透射谱线宽度oscjvvqvv，且，且时，可得单纵模振荡。时，可得单纵模振荡。这时的产生的激光频率不仅这时的产生的激光频率不仅要符合谐振条件，还要对标要符合谐振条件，还要对标准具有最大的透射率。准具有最大的透射率。其他组合腔其他组合腔福克斯福克斯史密斯干涉仪选模装置史密斯干涉仪选模装置激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和和M4为全反射镜，为全反射镜，M2是具有适当投射率的部分透射部分反是具有适当投射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合，一个是由射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其腔长为组成，其腔长为L1+L2；另一个