激光器单元技术学习教案

1、会计学1激光器单元激光器单元(dnyun)技术技术第一页，共74页。第1页/共74页第二页，共74页。二二.振幅振幅(zhnf)调制方式调制方式光载波的振幅分量随调制信号的规律(gul)而变化,简称调幅. 激光光电场: 调制信号: 调制波： ( )cos()ccccE tAt( )cos()mma tAt)cos()cos1 ()(ccmacttmAtE第2页/共74页第三页，共74页。第3页/共74页第四页，共74页。( )cos()cos()2acccccmcmE tAtAt频谱分布频谱分布(fnb):与载波相比与载波相比较较(bjio)，调幅波多了调幅波多了两个边频分两个边频分量量cos

2、()2accmcmAt第4页/共74页第五页，共74页。三、相位(xingwi)调制方式u光载波的相位分量随调制光载波的相位分量随调制(tiozh)信号的规信号的规律变化。律变化。u调相波：调相波：u调相就是光载波的总相角随着调制信号调相就是光载波的总相角随着调制信号(xnho)的规律而变化的振荡。的规律而变化的振荡。第5页/共74页第六页，共74页。第6页/共74页第七页，共74页。四、强度调制(tiozh)方式u由于起解调作用的光探测接受器一般都由于起解调作用的光探测接受器一般都是平均光强直接响应（光频波段光场振是平均光强直接响应（光频波段光场振幅变化幅变化(binhu)太快太快Hz，尚不

3、能直接，尚不能直接探测），所以强度调制是激光调制的主探测），所以强度调制是激光调制的主要方式。要方式。第7页/共74页第八页，共74页。u光载波的强度光载波的强度(qingd)（功率）随调制信号的规律变化。（功率）随调制信号的规律变化。u在激光调制的实际过程中，振幅、相位和强在激光调制的实际过程中，振幅、相位和强度调制是相互联系的，主要利用光电场振幅度调制是相互联系的，主要利用光电场振幅分量的相位差调制导致的偏振态的变化或相分量的相位差调制导致的偏振态的变化或相干叠加条件干叠加条件(tiojin)实现光强度调制的效果实现光强度调制的效果。第8页/共74页第九页，共74页。五、脉冲调制方式 脉冲

4、调制就是用一种断续的周期性脉冲序列作为(zuwi)载波，这种载波受到调制信号的控制，使脉冲的幅度或位置、频率等随之发生变化。脉冲调制方式具有较强的抗干扰能力，光通信中得到广泛的应用。 第9页/共74页第十页，共74页。第10页/共74页第十一页，共74页。u利用电光、声光和磁光等物理效应，通过调利用电光、声光和磁光等物理效应，通过调制器来控制和改变激光的振幅、相位、偏振制器来控制和改变激光的振幅、相位、偏振(pinzhn)态和光强以及传播方向等参量，态和光强以及传播方向等参量，是激光调制的主要方法。激光调制技术在能是激光调制的主要方法。激光调制技术在能量和信息光电子领域有着广泛而重要的应用量和

5、信息光电子领域有着广泛而重要的应用。第11页/共74页第十二页，共74页。在外界强电场的作用下在外界强电场的作用下, ,某些本来是各向同性的介质会产某些本来是各向同性的介质会产生双折射现象生双折射现象, ,而本来有双折射性质的晶体而本来有双折射性质的晶体(jngt),(jngt),其其双折射性质也会发生变化双折射性质也会发生变化, ,这就是电光效应这就是电光效应. .1.1.一级电光效应一级电光效应( (泡克耳斯效应泡克耳斯效应) )外加电场引起的双折射只与电场的一次方成正比外加电场引起的双折射只与电场的一次方成正比. .常用电光晶体常用电光晶体(jngt):ADP(jngt):ADP(磷酸二

6、氢铵磷酸二氢铵)KDP()KDP(磷酸二氢磷酸二氢钾钾) )纵向电光效应纵向电光效应: :外加电场的方向与光的传播方向外加电场的方向与光的传播方向( (光轴光轴Z)Z)一一致致. .横向电光效应横向电光效应: :外加电场的方向外加电场的方向( (光轴光轴Z)Z)与光的传播方向垂与光的传播方向垂直直. .6.2电光调制电光调制(tiozh)（ElectroOpticModulation）一、一、电光效应电光效应(EOEffect)第12页/共74页第十三页，共74页。xyzUxxyy0nxnyn302n U第13页/共74页第十四页，共74页。zxylh3002elnn lnUh第14页/共74

7、页第十五页，共74页。2.2.平方平方(pngfng)(pngfng)电光效应电光效应( (克尔效应克尔效应) ) 电光液体电光液体l222UKlh第15页/共74页第十六页，共74页。二、纵向与横向电光调制器二、纵向与横向电光调制器1纵向运用：外加纵向运用：外加(wiji)电场方向与入电场方向与入射光波矢共线平平行称为纵向方式射光波矢共线平平行称为纵向方式第16页/共74页第十七页，共74页。系统系统(xtng)的透的透过率为过率为T:调制光强与调制光强与调制信号的调制信号的关系关系(gunx)曲线如图曲线如图所示所示第17页/共74页第十八页，共74页。u线性调制线性调制u选取选取T=50

8、%处为静态工作点，在光路中插入一个处为静态工作点，在光路中插入一个1/4波波片，其主轴与电光晶体的感应片，其主轴与电光晶体的感应(gnyng)主轴平行，相主轴平行，相当于引入固定相移。当于引入固定相移。u对于适当大小对于适当大小(dxio)的电压信号，调制光强与其有线性关系。的电压信号，调制光强与其有线性关系。第18页/共74页第十九页，共74页。2.横向的运用横向的运用外加电场方向外加电场方向E与入射光波矢垂直正交称为与入射光波矢垂直正交称为横向方式横向方式(fngsh)，电极在通光方向容，电极在通光方向容易形成均匀电场。易形成均匀电场。第19页/共74页第二十页，共74页。3.电光相位(x

9、ingwi)调制电光相位调制器由起偏器和电光晶体组成。起偏器的偏振轴平行于晶体的感应主轴电光相位调制器由起偏器和电光晶体组成。起偏器的偏振轴平行于晶体的感应主轴(zhzhu)，此时入射晶体的线偏振光不再分解，而是沿着一个方向偏振，故外加电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，出射光电场为：，此时入射晶体的线偏振光不再分解，而是沿着一个方向偏振，故外加电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，出射光电场为：第20页/共74页第二十一页，共74页。6.3 6.3 声光调制声光调制 一、声光效应一、声光效应 声光调制的物理基础是声光效应。声光效应是声光调制的物理基础是声光效应。声光效应是指光波在介

10、质中传播时，按超声波场衍射或指光波在介质中传播时，按超声波场衍射或散射的现象。由于声波是一种弹性波，声波散射的现象。由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应力或应变，这种在介质中传播会产生弹性应力或应变，这种现象称为弹光效应，介质弹性形变导致介质现象称为弹光效应，介质弹性形变导致介质的密度产生疏密交替的密度产生疏密交替(jiot)(jiot)的变化，从而的变化，从而引起介质折射率的周期变化，并形成折射率引起介质折射率的周期变化，并形成折射率光栅。当光波在介质中传播时，就会发生衍光栅。当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随射现象，衍射光的强度、频率和方向

11、等将随着超声场的变化而变化。声光调制就是基于着超声场的变化而变化。声光调制就是基于这种效应来实现其光调制或偏转的。这种效应来实现其光调制或偏转的。第21页/共74页第二十二页，共74页。1、弹光效应、弹光效应(xioyng)当晶体材料受外应力的作用产生形变当晶体材料受外应力的作用产生形变(xngbin)时，分子间时，分子间的相互作用力发生改变会导致介质密度的变化，从而引起的相互作用力发生改变会导致介质密度的变化，从而引起介电常数介电常数(折射率折射率)的改变，这就是弹光效应的物理起因。的改变，这就是弹光效应的物理起因。2、声波在介质、声波在介质(jizh)中的中的传播传播 声波是一种弹性波声波

12、是一种弹性波(纵向应力波纵向应力波)，在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分介质如同一个光学的，在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分介质如同一个光学的“相位光栅相位光栅”，该光栅间距，该光栅间距(光栅常数光栅常数)等于声波波长。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场

13、的变化而变化。等于声波波长。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。第22页/共74页第二十三页，共74页。第23页/共74页第二十四页，共74页。二、声光二、声光(shnun)衍射衍射声光声光(shnun)互作用的两种类型互作用的两种类型当超声被频率当超声被频率(pnl)较低，光波平行于声波面入射较低，光波平行于声波面入射(即垂直于声即垂直于声场传播方向场传播方向)时，声光互作用长度时，声光互作用长度L较短，产生喇曼较短，产生喇曼纳斯衍纳斯衍射。由于声速比光速小得多，故声光介质可视为一个静止的射。由于声速比光速小得多，故声光介质可视为一个静

14、止的平面相位光栅。而是声波长比光波长大得多，当光波平行通平面相位光栅。而是声波长比光波长大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，于是过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，于是通过声光介质的平面被被阵面将出现凸凹现象，变成一个折通过声光介质的平面被被阵面将出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作皱曲面，由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成于入射方向对称分布的多级衍射光，这就是喇曼用，形成于入射方向对称分布的多级衍射光，这就是喇曼纳斯衍射。纳斯衍射。1、喇曼、喇曼纳斯衍射纳斯衍射(ynsh)第24页/共74页

15、第二十五页，共74页。2、布喇格、布喇格(Bragg)衍射衍射当声波频率较高，声光作用长度较大，当声波频率较高，声光作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光在介质中要穿过多个声波面入射时，光在介质中要穿过多个声波面。故介质具有。故介质具有“体光栅体光栅”的性质。当入射的性质。当入射光与声波面夹角满足一定关系时，介质光与声波面夹角满足一定关系时，介质内各级衍射会相互干涉。在一定条件下内各级衍射会相互干涉。在一定条件下，各高级次衍射光将互相抵消，只出现，各高级次衍射光将互相抵消，只出现零级和零级和+1级级(或或-l级级)(视入射光的方向而视入射光

16、的方向而定定)衍射光，即产生布喇格衍射。若能衍射光，即产生布喇格衍射。若能合理选择参数，超声足够强，可使入射合理选择参数，超声足够强，可使入射光能量几乎全部转移到十光能量几乎全部转移到十1级或一级或一1级衍级衍射圾值上。因而光束能量可以得到充分射圾值上。因而光束能量可以得到充分利用，即利用布剂格衍射效应制成的声利用，即利用布剂格衍射效应制成的声光器件可以获得光器件可以获得(hud)较高的效率。较高的效率。第25页/共74页第二十六页，共74页。衍射零级和一级光强度衍射零级和一级光强度(qingd)分别为：分别为：2021cos22;cossin2iiIILnII第26页/共74页第二十七页，共

17、74页。三、声光三、声光(shnun)调制器调制器1、声光、声光(shnun)调制器的组成调制器的组成声光调制器是由声光介质、电声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声声换能器、吸声(或反射或反射)装置及驱动电源装置及驱动电源(dinyun)等所组成。等所组成。第27页/共74页第二十八页，共74页。在泵浦开始激励时，使光腔具有高损耗值，高能级在泵浦开始激励时，使光腔具有高损耗值，高能级上的粒子积累到较高的水平，即：使反转粒子数密上的粒子积累到较高的水平，即：使反转粒子数密度达到一定度达到一定(ydng)(ydng)的值；在适当的时刻，使腔的值；在适当的时刻，使腔的损耗突的损耗突 然降低，阈值

18、随之突然下降，然降低，阈值随之突然下降， 此时反转此时反转粒子数密度大大超过阈值，受激辐射迅速增加；在粒子数密度大大超过阈值，受激辐射迅速增加；在极短的时间内，强的激光巨脉冲输出。极短的时间内，强的激光巨脉冲输出。第28页/共74页第二十九页，共74页。动态损耗：动态损耗：Q开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证Q开关打开之前没有激光产生；开关打开之前没有激光产生；插入损耗：插入损耗：Q开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最小，一般会引入反射及散射损耗；小，一般会引入反射及散射损耗；

19、开关时间，开关时间，Q开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间，开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间，将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭；将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭；同步同步(tngb)性能，性能，Q开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步(tngb)。u调调Q Q技术技术(jsh)(jsh)关键关键: :第29页/共74页第三十页，共74页。u调调Q Q激光器结构激光器结构(jigu)(jigu)示意图示意图第30页/共74页第三十一页，

20、共74页。机械机械(jxi)调调Q技术技术转镜调转镜调Q技术主动式技术主动式Q开关开关电光调电光调Q技术技术主动式主动式Q开关开关声光调声光调Q技术技术主动式主动式Q开关开关染料调染料调Q技术技术被动式被动式Q开关开关能够能够(nnggu)使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作Q开关开关二、实现二、实现Q Q开关开关(kigun)(kigun)的方法的方法第31页/共74页第三十二页，共74页。转镜调转镜调Q激光器示意图激光器示意图旋转镜面的角度，以改变旋转镜面的角度，以改变Q值。当旋转镜面与谐振腔的另值。当旋转镜面与谐振腔的另一端面平行时，一端面平行时，Q值最大

21、，产生值最大，产生(chnshng)激光脉冲激光脉冲输出。旋转速度：每秒输出。旋转速度：每秒10,000-60,000转，相当与每秒转，相当与每秒166-1,000个脉冲。个脉冲。1.转镜调转镜调Q技术技术(jsh)原理原理第32页/共74页第三十三页，共74页。机械机械(jxi)(jxi)调调Q Q技术适用于连续式激光器的调技术适用于连续式激光器的调Q Q机械调机械调Q技术技术(jsh)的劣势：的劣势： 较低的开关转换率，即开关时间过长；较低的开关转换率，即开关时间过长；机械调机械调Q技术技术(jsh)的优势：的优势： 机械调机械调Q技术的优缺点技术的优缺点开关元件本身无损耗；开关关闭时可以

22、达到开关元件本身无损耗；开关关闭时可以达到100的最大损的最大损耗；简单的运行机制；较高的可靠性；耗；简单的运行机制；较高的可靠性；第33页/共74页第三十四页，共74页。利用晶体的电光效应实现利用晶体的电光效应实现Q的突变的突变一般来讲，电光调一般来讲，电光调Q激光器的激光器的Q开关开关(kigun)由起偏器和一个电由起偏器和一个电光晶体组成：光晶体组成：2.电光电光(dingung)调调Q技术技术第34页/共74页第三十五页，共74页。Q开关开关(kigun)开状态：开状态： Q开关开关(kigun)关状态：关状态： 电光电光(dingung)调调Q技术原理技术原理若在某一时刻突然撤去电光

23、晶体两端的电压，此时，谐振腔的损耗很低，处于高若在某一时刻突然撤去电光晶体两端的电压，此时，谐振腔的损耗很低，处于高Q状态，形成巨脉冲；状态，形成巨脉冲；激光器产生的激光，经过起偏器后，变成线偏振光，若给电光晶体一适当电压，分之一波电压，则经反射镜反射回的偏振光将垂直偏振器的偏振方向，无法通过偏振器，此时，谐振腔的损耗很大，处于低激光器产生的激光，经过起偏器后，变成线偏振光，若给电光晶体一适当电压，分之一波电压，则经反射镜反射回的偏振光将垂直偏振器的偏振方向，无法通过偏振器，此时，谐振腔的损耗很大，处于低Q状态，激光器不振荡；状态，激光器不振荡；第35页/共74页第三十六页，共74页。有较高的

24、动态损耗（）和插入损耗（）有较高的动态损耗（）和插入损耗（）; ; 开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到(d (d do)do)秒秒 ，典型的，典型的Nd:YAGNd:YAG电光调电光调Q Q激光器的输出光脉冲宽度激光器的输出光脉冲宽度 约为约为- -nsns，峰值功率达到，峰值功率达到(d do)(d do)数兆瓦至数兆瓦至数十兆瓦数十兆瓦; ; 适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损 耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器. .电光调电光调Q技术技

25、术(jsh)特点特点910第36页/共74页第三十七页，共74页。声光调声光调Q技术原理图技术原理图声光调声光调Q Q技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q Q任任务。在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔务。在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔具具 有很低的有很低的Q Q值，值，Q Q开关处于开关处于(chy)(chy)关状态；在某一关状态；在某一特定时间，撤去特定时间，撤去 超声，光束则顺利通过均匀的声光介质超声，光束则顺利通过均匀的声光介质， 此时此时Q Q开关处于开关处于(chy) (chy) 开状态；开状态；3.3.声光声光(sh

26、n un)(shn un)调调Q Q技术原理技术原理第37页/共74页第三十八页，共74页。有低的动态损耗和低的插入损耗有低的动态损耗和低的插入损耗;可以实现重复连续的激光可以实现重复连续的激光(jgung)脉冲输出；脉冲输出；声光调声光调Q技术技术(jsh)特点特点同步性能同步性能(xngnng)好；开关速度较慢，开关时间在好；开关速度较慢，开关时间在ns以上以上;第38页/共74页第三十九页，共74页。利用利用(lyng)有机材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性有机材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性来达到调来达到调Q的目的。的目的。染料调染料调Q技术原理图技术原理图4.4.染料染料(

27、rnlio)(rnlio)调调Q Q技术原理技术原理有极高的动态损耗（有极高的动态损耗（）和插入损耗）和插入损耗;与外界信号与外界信号(xnho)无同步特性，属被动调无同步特性，属被动调Q；染料调染料调Q技术的特点技术的特点第39页/共74页第四十页，共74页。6.5 6.5 激光器的锁模技术激光器的锁模技术(jsh)(jsh)调调Q技术是压缩激光脉宽、提供峰值功率的有效方法，技术是压缩激光脉宽、提供峰值功率的有效方法，但是受到光子平均驻腔寿命的限，利用调但是受到光子平均驻腔寿命的限，利用调Q技术只能获技术只能获得脉宽为毫微秒量级的激光脉冲得脉宽为毫微秒量级的激光脉冲(michng)；利用锁；

28、利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉冲模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉冲(michng)。第40页/共74页第四十一页，共74页。无锁模激光器的输出功率与频率无锁模激光器的输出功率与频率锁模技术锁模技术(jsh)的基本原理的基本原理u为什么要锁模？为什么要锁模？第41页/共74页第四十二页，共74页。瞬时输出功率是这些模式瞬时输出功率是这些模式(msh)无规则的叠加无规则的叠加，输出功率随时间无规则起伏。，输出功率随时间无规则起伏。无锁模激光器的输出功率与时间无锁模激光器的输出功率与时间第42页/共74页第四十三页，共74页。 经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔保持一定，并具

29、有(jyu)确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲，这种技术称为锁模技术。第43页/共74页第四十四页，共74页。一、锁模的基本原理一、锁模的基本原理通常情况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个模式通常情况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个模式(msh)的振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是互不相干的。的振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是互不相干的。由于由于(yuy)各纵模间是不相干，输出平均光强可表示为诸模光强的简单和各纵模间是不相干，输出平均光强可表示为诸模光强的简单和.假如假如(jir)各振荡纵模的相位被锁定，即振荡模的频率间隔保持一定，初始相位关系亦保持一定，

30、那么激光器的输出光强由于诸模相干叠加的结果将发生很大的变化。各振荡纵模的相位被锁定，即振荡模的频率间隔保持一定，初始相位关系亦保持一定，那么激光器的输出光强由于诸模相干叠加的结果将发生很大的变化。02maxINI可见锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的提高了可见锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的提高了N倍。倍。第44页/共74页第四十五页，共74页。n 主动锁模主动锁模 n 振幅调制锁模振幅调制锁模 n 位相调制锁模位相调制锁模 n 被动锁模被动锁模 n 同步泵浦锁模同步泵浦锁模 n 注入注入(zh r)(zh r)锁模锁模 n 对撞锁模对撞锁模二、实现二、实现(shxin)锁模的方法锁模的方法

31、第45页/共74页第四十六页，共74页。6.6激光器的稳频激光器的稳频u为什么要稳频为什么要稳频 ？激光频率激光频率(pnl)的自然不稳定度的自然不稳定度:qqddLdnLn 由于温度由于温度(wnd)等其它条件的变化，腔长和介质折射率将发生变化，等其它条件的变化，腔长和介质折射率将发生变化，从而造成纵模频率的不稳定。从而造成纵模频率的不稳定。nLCqq2q q阶纵模频率阶纵模频率(pnl)(pnl)可以可以表达为：表达为：第46页/共74页第四十七页，共74页。 单模输出功率兰姆凹陷兰姆凹陷(oxin)方法方法(fngf)一：兰姆凹陷法稳频一：兰姆凹陷法稳频对非均匀加宽单模激光器，当输出光的

32、频率与介质跃迁中心频率相同时，激光器输出功率下降，在输出功率对频率的关系曲线上出现一个对非均匀加宽单模激光器，当输出光的频率与介质跃迁中心频率相同时，激光器输出功率下降，在输出功率对频率的关系曲线上出现一个(y)凹陷，称为兰姆凹陷。凹陷，称为兰姆凹陷。第47页/共74页第四十八页，共74页。 光电接 前置 选频 收器 放大 放大稳频激光器 音频振荡(zhndng) 相敏检波 直流放大 I I I f f t 2f t 1 0 2 t t t f压电陶瓷(toc)0ff音频(ynpn)相敏音频相敏第48页/共74页第四十九页，共74页。方法方法(fngf)二：饱和吸收法稳频二：饱和吸收法稳频第4

33、9页/共74页第五十页，共74页。)(G)(A)()()(AGG净0 第50页/共74页第五十一页，共74页。1.激光的优点在于它具有良好的单色性、方向性和相干性激光的优点在于它具有良好的单色性、方向性和相干性2.理想的激光器输出光束应该只有一个模式，但是理想的激光器输出光束应该只有一个模式，但是(dnsh)对于实际的激光器，如果不采取模式选择，它对于实际的激光器，如果不采取模式选择，它们的工作状态往往是多模的。们的工作状态往往是多模的。3.含有高阶模式横模的激光束光强分布不均匀，光束发散含有高阶模式横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角大。角大。4.含有多纵模及多横模的激光器单色性及相干性差

34、。含有多纵模及多横模的激光器单色性及相干性差。6.7 6.7 选模技术选模技术(jsh)(jsh)第51页/共74页第五十二页，共74页。1.在激光准直、激光加工、非线性光学、激光远程测距在激光准直、激光加工、非线性光学、激光远程测距等领域都需要基横模激光束。等领域都需要基横模激光束。2.在精密干涉在精密干涉(gnsh)测量，光通讯及大面积全息照相测量，光通讯及大面积全息照相等应用中更要求激光是单横模和单纵模光束。等应用中更要求激光是单横模和单纵模光束。3.因此，设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是因此，设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是一个重要课题。一个重要课题。第52页/共74页

35、第五十三页，共74页。1.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(xdu)模式中，选出基模，而其他的模式被抑制，不能产生振荡模式中，选出基模，而其他的模式被抑制，不能产生振荡2.在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，随着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，随着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。谐振腔中不同的横模具有不同的衍射损耗是横模选择的物理基础。谐振腔中不同的横模具有不同的衍射损耗是横模选择的物理基础。3.为了提高模式的鉴别能力，应该尽量增大高阶模式和基模的衍射损耗比。为了提高模式的鉴别能力，应该尽量增大高阶模式和基

36、模的衍射损耗比。横模的选择横模的选择(xunz)(xunz)第53页/共74页第五十四页，共74页。选择选择(xunz)横模的方法一：腔内加光阑横模的方法一：腔内加光阑在谐振腔内设置小孔光阑和限制工作物质横截面面积可以增加高阶模衍射损耗，使激光器单模运行。在谐振腔内设置小孔光阑和限制工作物质横截面面积可以增加高阶模衍射损耗，使激光器单模运行。 这一方法这一方法(fngf)实际是使光斑尺寸较小的基模无阻拦地通过小孔光阑，而光斑尺寸较大的高阶横模却受到阻拦而遭受较大的损耗。实际是使光斑尺寸较小的基模无阻拦地通过小孔光阑，而光斑尺寸较大的高阶横模却受到阻拦而遭受较大的损耗。第54页/共74页第五十五

37、页，共74页。 为了扩大基模体积充分利用工作物质，通常采为了扩大基模体积充分利用工作物质，通常采用用(ciyng)聚焦光阑选模聚焦光阑选模 第55页/共74页第五十六页，共74页。物理基础：基模体积最小，高阶模的体积较大，当腔镜发生倾斜时，高阶横模损耗物理基础：基模体积最小，高阶模的体积较大，当腔镜发生倾斜时，高阶横模损耗(snho)显著增大，基模受到的影响较小。显著增大，基模受到的影响较小。缺点：腔镜的倾斜导致激光的总功率输出缺点：腔镜的倾斜导致激光的总功率输出(shch)显著降低显著降低选择横模的方法选择横模的方法(fngf)二：倾斜腔镜法二：倾斜腔镜法第56页/共74页第五十七页，共74

38、页。RLg1选择横模的方法三：正确选择横模的方法三：正确(zhngqu)选择腔的结构形式选择腔的结构形式衍射损耗衍射损耗(snho)的大小及模鉴别能力的值与谐振腔的腔型有关，可适当选择腔的结构，增大高阶模式和基模的衍射损耗的大小及模鉴别能力的值与谐振腔的腔型有关，可适当选择腔的结构，增大高阶模式和基模的衍射损耗(snho)比比,提高模式的鉴别能力。提高模式的鉴别能力。第57页/共74页第五十八页，共74页。激光器的振荡频率范围和频谱：由工作物质激光器的振荡频率范围和频谱：由工作物质(wzh)(wzh)增益曲线的频率宽度来决定。增益曲线的频率宽度来决定。纵模的选择纵模的选择(xunz)(xunz)激光纵模形成激光纵模形成(xngchng)条件：条件：满足谐振条件；满足谐振条件；落在工作物质的荧光谱线宽度内；落在工作物质的荧光谱线宽度内；满足阈值条件。满足阈值条件。所谓激光纵模选择，就是通过使激光器只允许有一种频率振荡，二其余的频率则均被抑制。所谓激光纵模选择，就是通过使激光器只允许有一种频率振荡，二其余的频率则均被抑制。第58页/共74页第五十九页，共74页。缺点缺点(qudin)：腔长太短，输出功率低。：腔长太短，输出功率低。选择选择(xunz)纵模的方法一：缩短腔的长度纵模的方法一：缩短腔的长度(短短腔法腔法)Lcqqq21相邻两个纵模的频率差：相邻两个纵模的频率差