第五章模式选择技术

1、 第五章 模式选择技术模式选择技术 Mode-Selection Techniques 1）概述）概述2）横模选择技术）横模选择技术3）纵模选择技术）纵模选择技术4）模式测量方法）模式测量方法主要内容主要内容 5.1 概述 5.3 纵模选择技术 5.4 模式测量 5.2 横模选择技术 5.1 5.1 概述选模的目的：选模的目的： 1、减少激光的模式数减少激光的模式数2、改善激光的方向性改善激光的方向性3、提高单色性。提高单色性。 5.1 5.1 概述激光器的模式：激光器的模式： 模式：模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态-模式。（本征态是指聚合物未经任何物质掺杂）量子理论：量子理论：可能区分

2、的光子态。量子电动理论：量子电动理论：电磁场的可能区分的量子态。腔内：腔内：纵模和横模 5.1 5.1 概述横模：横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态改善激光的方向性改善激光的方向性5.1 5.1 概述概述纵模：纵模：沿谐振腔轴线方向上的激光广场（电磁沿谐振腔轴线方向上的激光广场（电磁场）分布。场）分布。改善激光的单色性。改善激光的单色性。横模横模横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向z的横向x-y面内存在的稳定场分布激光的模式表示激光的模式表示：TEMmnTEM：横向电磁场; m、n：横模的序数m=n=0的模式（TEM00）称为基模，光斑最简单的结构不同的横

3、模，光场分布不同同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同光束的发散角不同基横模为什么要选出基横模？为什么要选出基横模？基横模特点：基横模特点：1、光强是高斯形、光强是高斯形 2、发散角最小、发散角最小随着横模序数的增加：随着横模序数的增加： 1、光场的范围加大、光场的范围加大 2、分布不均匀、分布不均匀 3、发散角越来越大。、发散角越来越大。为什么要选出基横模一般激光器中有很多模式振荡，实际的光场分布是复合模。为了改善激光的方向性，必须选出基横模。不同横模的光场强度分布改善激光方向性、提高单色性为什么要改善激光方向性、提高单色性？为什么要改善激光方向性、提高单色性？从实际应用需求来看：从实际应

4、用需求来看：1、激光打孔、激光打孔2、激光全息、激光全息横模的形成横模的选择基本原理： 不同横模的衍射损耗不同腔的总损耗：=d+i 激光振荡的条件是 G（单程增益大于单程损耗）横模的选择要选出基横模而使其他高阶模不能振荡两条原则： 高阶模与基横模的衍射损耗之比要大，10/00大,即增大横模间的衍射损耗差别。（ 10要大） 衍射损耗与总损耗之比d/要大，即总损耗主要由衍射损耗决定。影响衍射损耗的因素衍射损耗的大小是选横模的关键，衍射损耗与哪些因素有关？(1) 与腔型，即g参数有关， 不同腔型，衍射损耗不同； g=1-L/Ra、稳定腔b、准稳腔 c、非稳腔 影响衍射损耗的因素(2) 与模序数有关，

5、同一腔型不同横模，衍射损耗不同TEM00模00最小，随着模序数增加，d增大影响衍射损耗的因素(3) 与菲涅耳数（ N=a2/(L)）有关，同一腔型不同N，衍射损耗不同影响衍射损耗的因素1、g、N一定时10002、N一定时，g 00 103、g一定时，N 00 10 横模的选择理论 不同对称腔的不同对称腔的10/00值与值与N的关系的关系 横模的选择理论横模的选择方法1.谐振腔参数g 和的选择法2.小孔光阑法选模3.腔内插入透镜选横模4、非稳腔的选模谐振腔参数g g 和的选择法小孔光阑法选模在谐振腔中加一小孔光栏在谐振腔中加一小孔光栏原理原理方法方法腔内插入透镜选横模 聚焦光栏法： 透镜+小孔光

6、栏 原理腔内插入透镜选横模 改进： 正+负透镜=望远镜非稳腔的选模什么是非稳腔？特点5.3 纵模选择技术纵模选择技术一一 纵模选择原理纵模选择原理二二 纵模选择方法纵模选择方法一 纵模选择原理 （1）实现单纵模选择的过程： 减少荧光谱线 选出基模 纵模选择 qn0振荡的纵模数：（2）纵模选择的基本思想二 纵模选择方法特点：只能选出具有一定宽度的谱线， 不能选出单一 的频率。1 色散腔粗选频率方法: 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，不同波长的光束在空间分离，然后设法仅使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡。 图5.3-1所示是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。AccTBCDO

7、图 5.3-1 色散棱镜粗选原理示意图1 = 2 = ddnnD)(sin2sin12222 设腔内之光束所允许的发散角为，则由于色散棱镜的分光作用，腔内激光波长所能允许的最小波长分离范围为 另一种色散腔是用一个反射光栅代替谐振腔的一个反射镜，如下图所示： 设腔内之光束所允许的发散角为，则光栅色散所能允许的最小分离波长范围是： 2tan02 F-P标准具法 （1） F-P标准具的原理F-P对不同波长的光束具有不同的透过率： 相邻两透过率极大值的间隔（自由光谱区）为：除最大透过率外， 其他频率处的透过率与R有关透过率曲线特点：R越大， 峰越细锐透射峰频率间隔相等（2）选模 法线C/(2nL)腔谐

8、振频率C/(2nL)腔谐振频率C/(2nd)腔谐振频率单振荡频率上图所示为F-P标准具法选纵模 优点： 在于标准具平行平面板间的厚度可以做得很薄，由于腔长没有缩短，输出功率仍可很大。 固体激光器增益线宽较宽， L大使纵模间隔小，精细度受工艺限制，需用双标准器选模。 气体激光器增益线宽较窄，一个标准具即可；3 复合腔法 原理： 用一个反射干涉仪系统取代谐振腔中的一个反射镜，则其组合反射率是光波长(频率)的函数。 特点： 组合反射率R随频率做周期性变化，在某些特定频率处R具有极大值。极大值之间的频率间隔是可以通过调整复合腔长来改变的。（1）迈克耳孙干涉仪式复合腔）迈克耳孙干涉仪式复合腔复合腔的频率

9、间隔为： 适当选择l1及l2，可以使复合腔的频率间隔足够 大，即两相邻纵模间隔足够大，与增益线宽相比拟时，即可实现单纵模运转。 （2）福克斯-史密斯(Fox-Smith)(Fox-Smith)干涉仪复合腔复合腔的两相邻的频率间隔为：)(221llc 选择适当的l1及l2，使 与增益线宽相比拟时，即可获得单纵模输出。5.4 模式测量方法 一 直接观测法 二 光点扫描法 三 扫描干涉仪法 四 F-P照相法 一 、直接观测法 不同的横模光场分布不同。 对于连续的可见光波段的中、小功率激光器，这种方法比较适用；中等功率的激光采用烧蚀法观测。 中小功率的红外激光器，还可用变像管或CCD摄像机观测横模。变

10、像管结构示意图二、光点扫描法 利用光点扫描记录出光强分布曲线，从曲线上找出对应的横模。 适用于连续激光器的横模测量。图所示为光点扫描法装备图所示为光点扫描法装备某些模的光强分布和对应的模式图样某些模的光强分布和对应的模式图样扫描干涉仪主要由一个无源腔构成， 腔的谐振频率： 下图为扫描干涉仪测横模原理图：三、扫描干涉仪法四、F-P照相法 F-P照相法来观测脉冲激光。 F-P照相法原理图F-P标准具的透过率为：投射最强时：T()=12nd cos=m m=0,1,2,. 满足上式的是同心圆环亮纹。若激光束的谱宽为，则 有一宽度 -圆环宽度。 若待测光只有一个频率， 则产生圆环清晰。 如二个模式， 由于不同角不同， 条纹不重合。 根据干涉条纹的套数来判定激光的模式。特点： 不但能测定模式数， 而且可以测出激光谱宽。 适用于连续和脉冲的激光器。小结一、选模的目的： 减少腔内的模式数横模： 基横模方向性最好。纵模： 单纵模单色性最好二、横模选择技术