第五章 模式选择技术.ppt

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1、激光技术及控制基础,第五章 模式选择技术,第五章 模式选择技术,横模选择原理和方法纵模选择原理和方法模式的测量方法,目的：减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。纵模：沿腔轴线方向电磁场的本征态。纵模数表示激光振荡频率数，纵模数多，单色性差。单一纵模单色性最好。横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同。基横模光强是高斯形，光场分布均匀，发散角最小。随着横模序数的增加，光场的范围加大，分布不均匀，发散角越来越大。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

2、出基横模。改善激光的方向性，提高单色性是实际应用的要求。 激光打孔。激光全息、精密干涉计量要求单色性好。,横模选择技术,有关理论:在稳定腔中，采用衍射理论选 模 1.两条原则 模的衍射损耗 要大。必须尽量增大 和 模衍射损耗的比值 。总之：原则上是采取一定的办法加大基模和高阶横模衍射损耗的差别，使高阶横模的损耗大于增益不能振荡，而基模满足阈值条件，保存下来，达到选出基横模的目的。,2.影响衍射损耗的因素与腔型和g参数有关，不同的腔型和g，衍射损耗不同。同一种腔型，不同横模，衍射损耗不同。 模 最小，随着模序数增加， 越来越大。同一种腔型，菲涅尔数 不同，衍射损耗不同。,在不同N，g下， 和 模

3、的衍射损耗曲线，这是选模的设计依据。,3.基模体积模体积表示某一模式在腔内所扩展的空间范围。一个模式体积的大小表示了对该模的振荡有贡献的反转粒子数的多少，因而输出功率大小。为了使选出的基模获得大的输出功率，必须考虑基模体积和哪些因素有关。基模体积和腔型有关：增大腔镜的曲率半径，基模体积增大(R增大 大)。当R一定时，L有最佳值，R=L时，模体积最大。在选模中，不但选出单一基模，而且应尽可能使选择的腔型增大模体积输出功率增大。,横模选择方法1.稳定腔中的模式选择 (1)腔参数g、N选择法-利用衍射损耗来进行选模。 (2)元件选模法 小孔光栏法-在腔中加一小孔光栏使 来实现选模。 聚焦光栏法-加入

4、聚焦透镜，在焦点处放小孔光栏。 (3)长腔法-增加腔长(适当的增加)，能改善激光的模式。2.介稳腔的选模 平行平面腔- 模的光束沿轴向传播，无偏折损耗，只有透射损耗；而高阶模偏离轴向传播，有偏折损耗和透射 损耗。 为偏折损耗和透射损耗之比，它大则偏折损耗大即 高阶模的损耗大，对选模有利。在平平腔中利用提高 的方法进行选模。,3.非稳腔的横模选择(几何光学方法分析)非稳腔中任何傍轴光线经过有限次往返传播必将逸出腔外。因为非稳腔N大，衍射损耗小可以忽略，主要表现横向逸出腔外；各模的光束在腔内是不稳定的，因此光束偏折损耗比介稳腔大。它是高损耗腔，是一种选模方法。4.可饱和染料选模在腔中放入有机染料，

5、利用它的可饱和吸收特性选模。 模功率密度高，染料易于饱和,损耗小，能振荡。高阶模功率密度低，染料不能饱和,损耗大，不能振荡。5.腔内加远望镜选模,纵模选择技术,选单纵模即是选出单一的频率，单色性好。在多横模的腔中，光的频率很复杂，各频率间隔小，在增益线宽中振荡的频率多，从中选出单个频率很困难，因此在选纵模之前先选横模-基模。纵模选择方法1.色散腔粗选频率 激光介质的谱线常常不止一条，在选单一频率之前，如果先使激光处在单一的谱线上,对选纵模有利。原理：在腔中加入一色散元件，使不同波长的光发生分离，其中只有较窄波长范围的光振荡，其他波长的光偏离腔外。选出一条谱线,谱线的宽度可以达到10nm。,色散

6、元件: 棱镜，光栅棱镜:光通过棱镜时，不同的光出射角不同，则损耗不同，能够振荡的光只有一范围 。 角色散率 最大偏离角 光栅利用炫耀光栅方程：满足上式的光才能在腔中振荡(入射光线和反射光线重合)。偏离此式的光损耗大，偏离的多，光不能振荡。光沿槽法线方向入射，出射光沿此方向。特点：上述两种色散腔粗选法只能选出具有一定宽度的谱线，不能选出单一的频率。,2.短腔法选纵模 原理:利用减少腔长的办法增加纵模频率间隔当 时，实现单模振荡。特点：结构简单，无插入损耗，只需缩短腔长即可实现单模。输出功率减小，L小，工作物质尺寸小，模体积小，输出功率小。只适用于增益介质线宽 窄的气体激光器中。3.法布里珀罗标准

7、具选纵模把法布里珀罗标准具放到腔内选纵模,是目前应用最广的方法。,(1)法布里珀罗标准具(F-P) F-P原理：由两块平行板玻璃组成，它是利用多光束的干涉原理做成的。它对光的透过率和反射率均是频率的周期函数。 -标准具的反射精细度, -标准具的自由光谱区, -标准具的带宽 具有最大透过率的相邻二频率的间隔 (自由光谱区),(2)选模原理当把标准具放在腔内时，除了处于标准具最大透过率频率的光之外，其他频率的光由于反射损耗大，不能振荡，激光的振荡频率受到限制，实现单一纵模的条件：a.标准具只有一个最大透过率频宽落在介质的增益线宽之内 b.最大透过率的谱宽 ,要求越小越好(3)应注意的问题：a.入射

8、角要适当, 易于产生寄生振荡。b.改变腔长，使选出的频率 为激光器的中心频率。(4)特点： a.输出功率比较大。 b.通过改变标准具参数的方法适用于各类激光器选模。c.存在插入损耗。d.腔内激光能量不能太高，否则损害标准具。,4.行波腔选纵模适用于均匀加宽的工作物质，行波腔结构只允许光束在腔内单方向通过，因此消除了光束在腔内形成的驻波场和空间非均匀效应，利用模式的竞争效应实现单模振荡。 结构：在腔中加一光学隔离器，一般采用法拉第旋转器。5.复合腔选纵模 利用F-P标准具的反射特性进行选模, FP既作选模又作激光器输出镜。FP反射率是 的函数，不同频率的光反射率不同。透射率较高的那部分频率的光，

9、由于损耗很大不能在腔内振荡，只有反射率较高的那部分光才能在腔内振荡，FP起到了选模的作用。是否选单纵模，决定于反射率极大值之间频率间隔和极大值的频谱宽度。6.可饱和染料选纵模利用染料的吸收率是光频率的函数这一特性。,要得到单一的模式，除了合适的方法之外，还需要注意以下几个问题：1.光泵均匀2.固体工作物质的光学均匀性好3.腔镜调整：尽量对称使轴线重合,否则模式畸变。4.光学表面清洁 5.动态比静态困难6.破坏问题只有合理的选模方法，并克服种种不利因素，才能得到高质量的激光模。,横模测量,直接测量： 1.直接观测(适合连续激光器)2.照相（适合连续、脉冲激光器）3.观测远场图：对于脉冲激光器,时

10、间短，无法直接进行观察，利用在相纸上打点的办法，观察远场图，判定模式。4.目前广泛应用的采用摄像管或电荷耦合器件（CCD）来测量模式并能测出光斑大小及发散角的大小。,光电扫描法把输出激光光强的x、y方向上逐点扫描在示波器上显示出来，或用函数记录仪把光强的分布直接接收下来划出曲线，根据曲线的形状，判定模式。适用于连续激光器的横模测量。相干性判别法 从模式的概念出发，模式是光子存在的状态，指在相空间能不能区分，不能区分是一个状态，否则不同状态。单一状态是相干的，从时空相干性来判断是否单模。时间相干反映纵模结构是否单一，空间相干反映横模结构是否单一。全息照相法利用扫描法再现底片，重现图中可得到横模的场结构。,纵模测量,分光计测频谱 应用狭缝分光计（衍射光栅或棱镜）或者干涉分光计能大致观察到振荡光谱。有局限性，纵模频率间隔大扫描干涉仪对连续激光器的模式进行测量，主要测纵模也可判定横模。法布里珀罗照相法利用法布里珀罗的标准具的透射特性，根据干涉条纹的套数来判定激光的模式：如一个频率的激光则产生圆环清晰。如二个模式则条纹不重合。,