第五章模式选择技术

1、第五章,模式选择技术 Mode-Selection Techniques,1）概述 2）横模选择技术 3）纵模选择技术 4）模式测量方法,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 概述,选模的目的： 1、减少激光的模式数 2、改善激光的方向性 3、提高单色性。,5.1 概述,激光器的模式： 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：可能区分的光子态。 量子电动理论：电磁场的可能区分的量子态。 腔内：纵模和横模,5.1 概述,横模： 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,5.

2、1 概述,纵模： 沿谐振腔轴线方向上的激光广场（电磁场）分布。 改善激光的单色性。,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：TEMmn TEM：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 不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同,基横模,为什么要选出基横模？ 基横模特点：1、光强是高斯形 2、发散角最小 随着横模序数的增加： 1、光场的范围加大 2、分布不均匀 3、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。

3、,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？ 从实际应用需求来看： 1、激光打孔 2、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

4、，衍射损耗不同； g=1-L/R a、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，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1000 2、N一定时，g 00 10 3、g一定时，N 00 10,横模的选择理论,不同对称腔的10/00值与N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 和的选择法,小孔

5、光阑法选模,在谐振腔中加一小孔光栏 原理 方法,腔内插入透镜选横模,聚焦光栏法： 透镜+小孔光栏 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,一 纵模选择原理 二 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,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

6、成振荡。,图5.3-1所示是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。,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：,2tan0,2 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,上图所示为F-P标准具法选纵模,优点：

7、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,复合腔的频率间隔为：,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

8、转。,（2）福克斯-史密斯(Fox-Smith)干涉仪复合腔,复合腔的两相邻的频率间隔为：,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,某些模的光

9、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()=1,2nd 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,1、横模选择原理 2、横模选择方法：,谐振腔参数g和N的选择法 小