频率选择技术

1、1激光器输出频率选择激光器输出频率选择2015-04-13一、激光器输出频率选择一、激光器输出频率选择 激光的优点：具有良好的激光的优点：具有良好的单色性、方向性和相干性单色性、方向性和相干性； 一般激光输出是多模的，有些情况需要单模输出；一般激光输出是多模的，有些情况需要单模输出； 含有高阶横模的激光束含有高阶横模的激光束光强分布不均匀，发散角大光强分布不均匀，发散角大； 含有多纵模及多横模的含有多纵模及多横模的激光器单色性和相干性差激光器单色性和相干性差； 在激光准直、激光加工、非线性光学激光远程测距等在激光准直、激光加工、非线性光学激光远程测距等应用中需要应用中需要基横模激光束基横模激光

2、束； 在精密干涉测量、光通讯以及大面积全息照相等应用在精密干涉测量、光通讯以及大面积全息照相等应用中需要中需要单横模和单纵模激光束单横模和单纵模激光束。2 激光器输出的选模技术：激光器选频技术激光器输出的选模技术：激光器选频技术 目的：获得单模、单频的激光输出目的：获得单模、单频的激光输出 选模技术：选模技术： 激光纵模的选取：激光纵模的选取：提高相干性提高相干性 激光横模的选取：激光横模的选取：输出光强均匀性输出光强均匀性34非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。单纵模的选取单纵模的选取(1) 短腔法：短腔法： 两相邻纵模间的频率差两相邻纵模间的

3、频率差 ，要想得到单，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使一纵模的输出，只要缩短腔长，使 的宽度大的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度于增益曲线阈值以上所对应的宽度 缺点：缺点：腔长受到限制，从而限制输出功率；当谱腔长受到限制，从而限制输出功率；当谱线荧光宽度很宽时，势必使腔长缩到很短。线荧光宽度很宽时，势必使腔长缩到很短。)2(Lcqq5（2）用法布里波罗标准具选纵模）用法布里波罗标准具选纵模在激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个在激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里波罗标准具，可以进行纵模的选取。法布里波罗标准具，可以进行纵模的选取。图(4-2) 法布里-珀罗标准具法示

4、意图6法布里波罗标准具用透射率很高地材料制成，法布里波罗标准具用透射率很高地材料制成，两个端面平行且镀有高反射率地反射膜。由于多两个端面平行且镀有高反射率地反射膜。由于多光束干涉的结果，只允许若干个很窄的频率带宽光束干涉的结果，只允许若干个很窄的频率带宽的光通过，其透过光的频率函数为的光通过，其透过光的频率函数为获得最大透射率的两相邻频率间隔获得最大透射率的两相邻频率间隔适当的调整适当的调整 角，就可以达到选频的目的角，就可以达到选频的目的222( )(1)4 sin (/ 2)TRR（1-R）22cosmccdd7（3）三反射镜法选纵模）三反射镜法选纵模激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所

5、代替，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中其中M3和和M4为全反射镜，为全反射镜，M2是具有适当透射率是具有适当透射率的部分透射部分反射镜的部分透射部分反射镜图4-3 三反射镜法8这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组组成，其腔长为成，其腔长为L1+L2；另一个由；另一个由M3、M4组成，其组成，其腔长为腔长为L2+L3。两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：两个谐振腔的纵模频率间隔分别为： c/2 (L1+L2)和和c/2 (L2+L3)只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要故只要L2+L3足

6、够小就可以获得单纵模输出。足够小就可以获得单纵模输出。9u单横模的选取单横模的选取u 所谓横模的选择，就是从谐振腔可能产生的许多所谓横模的选择，就是从谐振腔可能产生的许多模式中，模式中，选出基模选出基模，而其他的模式被抑制，不能而其他的模式被抑制，不能产生震荡；产生震荡；u 在稳定腔中，在稳定腔中，基模衍射损耗基模衍射损耗小小，随着横模阶次的，随着横模阶次的增高，衍射损耗迅速增加，增高，衍射损耗迅速增加，谐振腔中不同的横模谐振腔中不同的横模具有不同的损耗具有不同的损耗是横模选择的物理基础；是横模选择的物理基础；u 为了提高模式的鉴别能力，应该尽量为了提高模式的鉴别能力，应该尽量增大高阶模增大高

7、阶模式和基模的衍射损耗比。式和基模的衍射损耗比。10图4-4 腔的衍射损耗1、衍射损耗和菲涅耳数、衍射损耗和菲涅耳数(1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。 (2) 如如图图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的所示的球面共焦腔，镜面上的基基横模高斯光束横模高斯光束光强分布可以表示为光强分布可以表示为)2exp()(2120 II11图4-4 腔的衍射损耗(3) 单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率 与射向镜面的总光功率与射向镜面的总光功率 之比之比(4) 分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓分析衍射

8、损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数菲涅尔数”的参量，它定义为的参量，它定义为2122expaD21020212002)2exp(2)(IdIdI)2exp(22)(212210aIdIaNLLaND2exp12122、衍射损耗曲线、衍射损耗曲线高阶模衍射损耗与菲涅耳数高阶模衍射损耗与菲涅耳数N的关系一般是比较的关系一般是比较复杂的，往往写不出解析的表达式而需要用计算复杂的，往往写不出解析的表达式而需要用计算机进行数字计算。因此，通常都是将计数结果画机进行数字计算。因此，通常都是将计数结果画成曲线，这就是所谓的衍射损耗曲线成曲线，这就是所谓的衍射损耗曲线图示为圆截面共焦腔图示为圆截面共焦

9、腔 和圆截面平行平面腔和圆截面平行平面腔 的的 曲线曲线ND图4-5 不同腔的衍射损耗曲线133、高阶横模的抑制、高阶横模的抑制抑制高阶横模需要两方面的条件：抑制高阶横模需要两方面的条件：一方面是要求一方面是要求基横模光束的衍射损耗小，使得基横模不仅满足基横模光束的衍射损耗小，使得基横模不仅满足振荡的阈值条件，而且有较大的功率输出；另一振荡的阈值条件，而且有较大的功率输出；另一方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大。下面介方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大。下面介绍两种常用的抑制高阶横模的方法。绍两种常用的抑制高阶横模的方法。14（1）光阑法选取单横模：）光阑法选取单横模：高阶横模的光束截面比高阶

10、横模的光束截面比基横模大，故减小增益介质的有效孔径基横模大，故减小增益介质的有效孔径a，从而，从而减小菲涅耳数减小菲涅耳数N，就可以大大增加高阶横模的，就可以大大增加高阶横模的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。最简单的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。最简单的办法就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光办法就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光阑（用于增益较低的气体激光器）。阑（用于增益较低的气体激光器）。15（2）聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模）聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模聚焦光阑法聚焦光阑法：如：如 图图4-6所示，在腔内插入一组透镜所示，在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，组，使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率以提高输出功率。图4-6 聚焦光阑法16腔内加望远镜系统的选横模方法腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如，其结构如图图4-7所示。所示。优点优点：一是能充分利用激光工作物质，获：一是能充分利用激光工作物质，获得较大功率的基模输出；二是可通过调节望远镜得较大功率的基模输出；二是可通过调节望