长春理工大学 激光器件与技术第四章-3讲

第4章

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模式选择技术§4.3纵模选择技术一.纵模选择原理激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡主要取决于这一个纵模的增益与损耗值的相对大小。使谐振腔中可能存在的纵模中只有一个满足振荡的条件，则激光器即可实现单纵模运转

。对同一个横模的不同纵模之间，其损耗一样的，但不同纵模之间的增益存在差异。利用不同纵模之间的增益差异，在腔内引入一定的选择性损耗（如插入标准具），使欲选的纵模损耗最小，而其余纵模的附加损耗较大，即增大各纵模间净增益差异，使得只有中心频率附近的少数增益大的纵模建立起振荡。

模式竞争机制！§4.3纵模选择技术1.均匀增宽型谱线的纵模竞争(1)当强度很大的光通过均匀增益型介质时，由于受激辐射，粒子数反转分布值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。(2)多纵模的情况下，如图4-1所示，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件。随着腔内光强逐步增强，增益系数降到阈值以下，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光强继续增长，最后变为曲线3的情形。(3)若此时的光强为Iq，则有G(vq

,Iq)=G阈，于是振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模的振荡。这种现象叫做“纵模的竞争”，竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来。(4)在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较强时，也可能有比较弱的其他纵模出现，这种现象称为模的“空间竞争”。图4-1均匀增宽型谱线纵模竞争每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献§4.3纵模选择技术2.非均匀增宽型谱线的多纵模振荡(1)对于非均匀增宽型介质来说，某一纵模的光强增强时，增益的饱和并不引起整个增益曲线下降，而是在该纵模对应的频率处形成一个凹陷，即“烧孔效应”。每个发光粒子只对整个光谱线型中与它的中心频率相应的部分有贡献(2)如果一个非均匀增宽激光器有多个纵模的小信号增益系数都大于阈值的话，那么这些纵模就都可以建立自己的振荡。(3)非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。非均匀增宽型增益饱和曲线频率为v1、强度为I的光波通过非均匀增益介质时，由于受激辐射，反转粒子数下降，导致增益也下降。由于各个发光粒子对光谱线型的贡献不同，因此，只在v1附近宽度约为v1+Δv的范围内有增益饱和作用，在增益曲线上产生“烧孔”。§4.3纵模选择技术普通激光器的输出（多横模、多纵模）不同横模具有不同的谐振频率，故参与振荡的横模数越多，总的振荡频谱结构就越复杂；当腔内只存在单横模TEM00振荡时，其振荡频谱结构才比较简单，为一系列分立的振荡频率，间隔为c/(2nL)。激光器的振荡频率范围由工作物质的增益曲线宽度决定，而产生多纵模振荡数则是由增益线宽和谐振腔两相邻纵模的频率间隔决定的，即在增益线宽内，只要有几个纵模同时达到振荡阈值，一般都能形成振荡。因此，对于一台普通激光器，要实现单纵模运转：频率粗选法抑制不需要的谱线；横模选择法选出TEM00模；纵模选择。§4.3纵模选择技术二.纵模选择方法色散腔粗选频率1短腔法2F-P标准具法3复合腔法4其他方法5§4.3纵模选择技术1.色散腔粗选频率激光介质的谱线常常不止一条，在选单一频率之前，如果先使激光处在单一的谱线上,对选纵模有利。例如：He-Ne激光器：632.8nm，1.15μm，3.39μm

Nd:YAG激光器：0.9μm，1.06μm，1.3μm原理：在腔中加入一色散元件，使不同波长的光在空间分离，其中只有较窄波长范围的光振荡，其他波长的光偏离腔外。选出一条谱线,谱线的宽度可以达到10nm色散元件：棱镜、光栅。§4.3纵模选择技术棱镜光通过棱镜时，由于棱镜的色散效应(介质的折射率n与光的波长有关)，不同波长的光出射角不同，则损耗不同，能够振荡的光只有一范围Δλ(缺点：引入腔内光束的透射损耗)

Dλ为角色散率θ为腔内光束允许的发散角(1)§4.3纵模选择技术光栅:根据光栅方程:α1为光线在光栅上的入射角，α2为光线在光栅上的衍射角。m为衍射级次通常光栅工作在自准直情况下，即α1=α2=α0，α0为光栅闪耀角，即光栅的平面法线与每条缝的平面法线之间的夹角。光栅方程简化为:可见：当光栅常数d和衍射级次m一定时，波长是α0的正弦函数。旋转光栅时，就可将所需要的波长选出。

(3)(2)(4)光栅色散所能允许的最小分离波长范围为:

§4.3纵模选择技术棱镜选模vs光栅选模只能选出具有一定宽度的谱线，不能选出单一的频率。光栅的选择能力比棱镜高；光栅法不存在光束的透射损耗，可适用于较宽广的光谱区域的激光器。

§4.3纵模选择技术2.短腔法激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽Δv0和谐振腔的纵模间隔Δvq决定。纵模间隔Δvq=c/(2nL)与腔长成反比。原理：利用减少腔长的办法增加纵模频率间隔，当Δvq>Δv0时，实现单模振荡。特点：①结构简单，无插入损耗，只需缩短腔长即可实现单模。②输出功率减小，腔长短，工作物质尺寸小，模体积小，输出功率小。③比较适用于增益介质线宽Δv0窄的气体激光器中。§4.3纵模选择技术举例：对于He-Ne激光器，当腔长L=1m时，纵模间隔Δvq=c/(2nL)=150MHz，在增益线宽Δv0=1500MHz范围内可能有10个纵模振荡；当腔长L缩短到10cm时，Δvq=1500MHz，此时就可能只有一个纵模振荡。对于Nd:YAG激光器，增益线宽Δv0=200GHz范围，若要求单纵模振荡，就要求腔长为0.4mm。太短腔长限制激光器输出功率，因此短腔法只适用于增益线宽较窄的激光器。§4.3纵模选择技术3.法布里－珀罗标准具(F-P)法F-P原理：由两块平行板玻璃组成，它是利用多光束的干涉原理做成的。它对光的透过率和反射率均是波长(频率)的周期函数.标准具的精细度：R为标准具的反射率；d为标准具的厚度φ为标准具中参与多光束干涉效应的相邻两光束的相位差α’为光束进入标准具后的折射角(5)当R>0.5时，该式才适用，而R值较小时，F的值就接近于2！§4.3纵模选择技术标准具的几个参数：标准具的厚度：nd标准具的反射率：R(6)标准具的自由光谱区：（有最大透过率的相邻两频率的间隔）§4.3纵模选择技术F-P选模原理：当把标准具放在腔内时，除了处于标准具最大透过率频率的光之外，其他频率的光由于反射损耗大，不能振荡，激光的振荡频率受到限制。实现单一纵模的条件：通过F-P标准具的采用，使其决定的自由光谱区与激光工作物质的增益线宽相当，标准具只有一个最大透过率频宽落在介质的增益线宽之内；§4.3纵模选择技术双标准具选单纵模气体激光器的荧光线宽比较窄，只用一个标准具容易实现单纵模选取；对于固体激光器，由于荧光线宽很宽，腔内纵模数非常多，只用一个标准具往往难以实现。同时受工艺的限制，标准具的精细度不可能有很大数值。当激光器腔长较长时，纵模间隔较小，如果标准具的自由光谱区很大，则它的带宽也很宽，难以保证单纵模振荡，所以需插入第二个自由光谱区较小的标准具才能获得单纵模输出。§4.3纵模选择技术输出功率比较大。通过改变标准具参数的方法适用于各类激光器选模。存在插入损耗。腔内激光能量不能太高，否则损害标准具。F-P标准具选单纵模的特点：§4.3纵模选择技术4.复合腔法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。组合反射率R随频率作周期性变化；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。a)迈克尔逊干涉仪式b)福克斯-史密斯干涉仪式迈克尔逊干涉仪式复合腔，它由一个迈克尔逊干涉仪取代谐振腔的一个反射镜构成。该腔可看做由两个子腔组合而成，全反镜M和M1组成一子腔，腔长为L+l1，谐振频率为：§4.3纵模选择技术而且第一个子腔的光束经过N个频率间隔后的频率正好和第二个子腔的光束经过N+1个频率间隔的频率再次相等。由此可得到复合腔的频率间隔为另一个腔由全反镜M和M2构成，腔长为L+l2，谐振频率为：激光器的谐振频率必须同时满足上面两个条件，即：可见：适当选择l1和l2，使复合腔的频率间隔足够大，与增益线宽相比拟时，即可实现单纵模运转。

(7)(8)(9)可见：适当选择l1和l2，使复合腔的频率间隔足够大，与增益线宽相比拟时，即可实现单纵模运转。

§4.3纵模选择技术福克斯-史密斯干涉仪式复合腔，谐振腔由两个子腔组合而成，全反镜M和M2组成一子腔，腔长为L+l2，谐振频率为：而且第一个子腔的光束经过N个频率间隔后的频率正好和第二个子腔的光束经过N+1个频率间隔的频率再次相等。由此可得到复合腔的频率间隔为：另一个腔由全反镜M和M1构成，腔长为L+2l2+l1，光束从B→M2→B→M1，谐振频率为：激光器的谐振频率必须同时满足上面两个条件，即：(9)(10)(11)§4.3纵模选择技术5.其他选纵模方法---环形行波腔选纵模在一般的直式谐振腔中，振荡的光场是驻波场，存在驻波效应，造成腔内光强分布的空间纵向不均匀性，从而导致反转粒子数空间分布不均匀或空间烧孔效应。为了使均匀加宽激光介质通过模式竞争以实现单纵模振荡，必须消除腔内造成的空间非均匀效应的驻波场。采用环形腔结构，并在腔中放置由起偏器、法拉第旋转器和石英晶片组成的光学隔离器，使激光器只能以行波方式单向传播。在行波腔中，光强最大值不是固定在空间某处，而是随着光波的传播而改变的，受激辐射可均匀地消耗介质反转粒子数，消除驻波效应。由于增益饱和，在各纵模间的模式竞争中，处于中心频率的单纵模占优势，最终获得单纵模激光输出。§4.3纵模选择技术5.其他选纵模方法---Q开关选单纵模基于不同纵模(同一横模)间存在的增益差异选单纵模。Q开关处于不完全关闭时，中心频率处少数增益大的纵模建立起振荡，充分纵模间的竞争后，输出中心频率的纵模；Q开关打开后，使已形成的单纵模充分放大，最后输出一个高功率的单模激光脉冲。§4.3纵模选择技术要得到单一的模式，除了合适的方法之外，还需要注意以下几个问题：1.光泵均匀-增益均匀2.固体工作物质的光学均匀性好-增益均匀3.腔镜调整：尽量对称使轴线重合,否则模式畸变。4.光学表面清洁5.动态比静态困难6.破坏问题只有合理的选模方法，并克服种种不利因素，才能得到高质量的激光模。§4.4模式测量方法1.直接观察法对于连续的可见光波段的中小功率激光器，在激光输出光路上放置一个屏，用眼睛直接观测激光的横模图样。鉴别能力差，对强光和不可见光不适用。对中等功率的红外激光，采用烧蚀法，用木块、有机玻璃、耐火砖等观测激光烧蚀出的图形。对于1.06μm的近红外激光，可采用上转换材料将近红外光转换成可见光。对于中小功率的红外激光器，可采用CCD相机观测横模。优点是灵敏度高，鉴模能力比前几种强。§4.3纵模选择技术2.光点扫描法

把输出激光光强在x、y方向上逐点扫描出，在示波器上显示出来，或用函数记录仪把光强的分布直接接收下来划出曲线，根据曲线的形状，判定模式。适用于连续激光器的横模测量。3.扫描干涉仪法根据干涉仪原理，只有与干涉仪无源腔本征模一致的那部分激光光场才能耦合输出。但是只适于连续激光器的输出模式测量。§4.3纵模选择技术4.F-P照相法主要是基于不同角度的入射光线，经标准具两平面多次反射后，变成与光轴呈不同角度的一组平行光束，经L1后的透射光在透镜L1的焦平面上形成等倾干涉条纹。借助于干涉条纹的套数，可以判别激光器的模式情况。通过照相可直接测量屏上干涉亮条纹的宽度，进而求出激光的线宽。适于连续激光器和脉冲激光器。纵模选