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1、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
2、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
3、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0.52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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、。,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
9、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）具有不同的频率谱。可采用频率可调的F-P扫描干涉仪测出各频率分布，并判别出激光模式。,三、扫描干涉仪法,和理论值 作比较，即可判断出高阶模式。,扫描干涉仪得到的频谱图,进行横模观测时，应使干涉仪的自由光谱区大于激光工作物质的增益线宽。,用来测量脉冲激光的模式。,四、F-P照相法,
