模式选择技术讲解

（优选）第五章模式选择技术现在是1页\一共有47页\编辑于星期六主要内容

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

现在是2页\一共有47页\编辑于星期六5.1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。现在是3页\一共有47页\编辑于星期六

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

现在是4页\一共有47页\编辑于星期六5.1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现在是5页\一共有47页\编辑于星期六5.1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。现在是6页\一共有47页\编辑于星期六横模横模：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，光束的发散角不同现在是7页\一共有47页\编辑于星期六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。现在是8页\一共有47页\编辑于星期六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。现在是9页\一共有47页\编辑于星期六不同横模的光场强度分布现在是10页\一共有47页\编辑于星期六改善激光方向性、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、激光全息现在是11页\一共有47页\编辑于星期六横模的形成现在是12页\一共有47页\编辑于星期六现在是13页\一共有47页\编辑于星期六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：δ=δd+δi激光振荡的条件是

G>δ（单程增益大于单程损耗）现在是14页\一共有47页\编辑于星期六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：①高阶模与基横模的衍射损耗之比要大，δ10/δ00大,即增大横模间的衍射损耗差别。（δ10要大）②衍射损耗与总损耗之比δd/δ要大，即总损耗主要由衍射损耗决定。现在是15页\一共有47页\编辑于星期六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、非稳腔现在是16页\一共有47页\编辑于星期六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δ00最小，随着模序数增加，δd增大现在是17页\一共有47页\编辑于星期六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，衍射损耗不同现在是18页\一共有47页\编辑于星期六影响衍射损耗的因素1、g、N一定时δ10<δ002、N一定时，gδ00δ103、g一定时，Nδ00δ10

现在是19页\一共有47页\编辑于星期六横模的选择理论

不同对称腔的δ10/δ00值与N的关系

现在是20页\一共有47页\编辑于星期六横模的选择理论现在是21页\一共有47页\编辑于星期六横模的选择方法1.谐振腔参数g

和Ｎ的选择法2.小孔光阑法选模3.腔内插入透镜选横模4、非稳腔的选模现在是22页\一共有47页\编辑于星期六谐振腔参数g

和Ｎ的选择法现在是23页\一共有47页\编辑于星期六小孔光阑法选模在谐振腔中加一小孔光栏原理方法现在是24页\一共有47页\编辑于星期六腔内插入透镜选横模聚焦光栏法：透镜+小孔光栏原理现在是25页\一共有47页\编辑于星期六腔内插入透镜选横模改进：正+负透镜=望远镜现在是26页\一共有47页\编辑于星期六非稳腔的选模什么是非稳腔？特点现在是27页\一共有47页\编辑于星期六5.3纵模选择技术一纵模选择原理二纵模选择方法现在是28页\一共有47页\编辑于星期六一纵模选择原理

（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现在是29页\一共有47页\编辑于星期六二纵模选择方法特点：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。现在是30页\一共有47页\编辑于星期六

图5.3-1所示是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。AccTBCDO图5.3-1色散棱镜粗选原理示意图α1=α2=αφ设腔内之光束所允许的发散角为θ，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现在是31页\一共有47页\编辑于星期六

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θ，则光栅色散所能允许的最小分离波长范围是：

2tanθ0θ现在是32页\一共有47页\编辑于星期六2F-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：现在是33页\一共有47页\编辑于星期六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现在是34页\一共有47页\编辑于星期六（2）选模

法线C/(2nL)腔谐振频率C/(2nL)腔谐振频率C/(2nd)腔谐振频率单振荡频率上图所示为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。现在是35页\一共有47页\编辑于星期六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；现在是36页\一共有47页\编辑于星期六3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。现在是37页\一共有47页\编辑于星期六（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。

现在是38页\一共有47页\编辑于星期六（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。现在是39页\一共有47页\编辑于星期六5.4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

现在是40页\一共有47页\编辑于星期六一、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。变像管结构示意图现在是41页\一共有47页\编辑于星期六二、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现在是42页\一共有47页\编辑于星期六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、扫描干涉仪法现在是43页\一共有47页\编辑于星期六四、F-P照相法F-P照相法来观测脉冲激光。

F-P照相法原理图现在是44页\一共有47页\编辑于星期六F-P标准具的透过率为：投射最强时：T(λ)=12ndcosθ=mλm=0,±1,±2,.......满足上式的θ是同心圆环亮纹。若激光束的谱宽为∆λ，则∆θ有一宽度--圆环宽度。

现在是45页\一共有47页\编辑于星期六若待测光只有一个频率，则产生圆环清晰。如二个模式，由于λ不同θ角不同，