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第五章 模式选择技术Mode SelectionTechniques 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 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 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 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 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 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 10 002 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 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 2tan 0 2F 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 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 2ndcos 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的选择法小孔光阑法选模腔内插入透镜法选模非稳腔选模 三 纵模