激光原理与技术-第六章、激光器的模式选择和

第六章、激光器的模式选择和调制技术激光模式选择极其意义横模选择技术纵模选择技术激光模式测量技术激光调制的基本概念激光调制技术1、激光模式选择极其意义 激光的优点在于功率高、方向性好、单色性和相干性好，一个理想的激光器输出光应按需要控制输出模式，大多情况下我们希望只输出单横摸和单纵模输出。 因此产生了，以控制输出光束发散角、光强分布为主要目的的横模选择技术，以及以获得窄线宽为主要目的纵模选择技术。横模选择极其意义激光器的横模决定了输出光束的光强分布和发散角从工业的钻孔、焊接到光通信，从激光医疗到激光测距，基横模输出都非常重要TEM00模TEM10模TEM20模TEM11模TEM02模TEM01模TEM21模TEM00模TEM01模TEM10模TEM11模纵模选择极其意义在激光器纵模频率间隔小于增益曲线宽度的情况下，如果不加任何控制激光器一般将产生多纵模输出激光的很多应用中需要单色性很好的窄线宽光源，纵模选择在这时就是必不可少的技术增益损耗实际振荡的纵模

2、横模选择技术 激光振荡的建立条件是增益G大于损耗

G=

i+m+d

其中i为激光在腔内传输由于散射、吸收产生的损耗，m为反射镜产生的损耗；d为谐振腔中由衍射产生的损耗。选择横模的两个原则必须尽量增大高阶模与基模的衍射损耗比必须尽量减少腔内其他损耗

i和镜面损耗

m，从而相对增大衍射损耗

d在总损耗

中的比例球面镜谐振腔的两个重要参数g参数g=（1-L/R）其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。菲涅尔数N=a2/L其中a为腔内有效孔径的半径，L为腔长。

衍射损耗是谐振腔参数g和菲涅尔数N的函数光阑法选横模在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜尺寸，即减小了谐振腔的菲涅耳数N。菲涅耳数越小，衍射损耗就越大。适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能够振荡。小孔光阑方法最简单易行，且有效。但同时须考虑模体积问题。设计腔参数g、N选择横模在增益较小的激光器件中，可以通过适当的腔参数设计选择基横模N一定时g参数绝对值越小，各模式的

d也越小，比值

10/00增大。因此，考虑各模式的

d，以及

10/00，同时考虑模体积，适当选择g和N就可以选出基模。如He-Ne激光器。介稳腔和非稳腔选模介稳腔和非稳腔由于模式衍射损耗增加，高阶模起振比较困难，所以只要适当控制腔参数就可以实现基模输出。非稳腔还有模体积大，可以充分利用增益介质实现大功率输出的优点。0非稳区非稳区非稳区非稳区g1g211-1-1特殊腔镜选模1、高斯镜选模 腔镜反射率呈高斯分布，使腔镜选择性对基模提供反馈，而对高阶模损耗很大，由此实现基模振荡。 此技术可以有效选择模式输出，并实现大模体积运转，提高激光器的单模输出功率。RD2、相位供轭反射镜谐振腔选横模a(x,y)=A(u,v)exp[j2(xu+yv)]dudv式中exp[j2(xu+yv)]是方向余弦=

u =v =1-

2-2设腔内为自由空间腔长为l，傅立叶传输方程为H=exp[j（2/）l1-

2-2]全反镜一端复振幅可写为B(x’,y’)=A(u,v)exp[j2(xu+yu)]exp[j（2/）l1-

2-2]dudv如果我们制作一个反射镜，反射系数R可以表示为

R2（x’,y’)=b*(x’,y’)/b(x’,y’)

其中*代表共轭在一个激光谐振腔内设输出镜一端的光厂分布为：反射波则由下式表示b(x’,y’)R2（x’,y’)=b*(x’,y’)=A*(u,v)exp[-j2(xu+yu)]exp[-j（2/）l1-

2-2]dudv当其通过距离l的自由空间传播回输出镜时有a’(x,y)=A*(u,v)exp[-j2(xu+yv)]dudv=a*(x,y)将输出镜系数选择为 R1(x,y)=a(x,y)/a*(x,y)这样经过一次往返 a(x,y)=R1(x,y)a*(x,y)实现了自在现。实际上我们可以设计任意强度分布和形状的光场作为我们希望的振荡模式，制造一对符合要求的相位共轭镜，以达到选模目的。3、纵模选择技术色散腔法粗选波长短腔法选纵模F-P标准具法复合腔法选纵模行波腔选纵模其他纵模选择方式色散腔粗选波长当激光工作物质中有多个能级间可以发生激光跃迁，从而可以产生多波长激光辐射的情况下或者工作物质有相当宽的增益线宽如果在应用中，需要选出对应某一波长附近的一组纵模时利用色散腔选择纵模是最为实用且有效的方法棱镜色散腔光栅色散腔短腔法选纵模谐振腔模间隔=C/2nL如果设计腔长L使模间隔增益曲线宽度

g

则可以实现单纵模工作例如：He-Ne10cm CO2 3m VCSEL损耗

F-P标准具选模

复合腔法选纵模迈克尔逊式复合腔=C/2n(l1-l2)Fox-Smith式复合腔=C/2n(l1+l2)l1l2l1l2行波腔选纵模法在均匀加宽工作物质中，以行波方式产生激光振荡，消除空间烧孔效应就可以实现单纵模输出4、激光模式测量技术横模测量技术小孔扫描法CCD射象法激光器激光器CCD衰减片纵模测量技术扫描干涉仪光谱分析仪匹配透镜隔离器光栏压电陶瓷探测器5、激光调制的基本概念把欲传输的信息加载于激光载波的过程为激光调制激光调制根据其与激光器的关系，可分为内调制和外调制内调制是指加载调制信号在激光振荡过程中进行，即以调制信号的规律去改变激光振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制外调制是指加载信号在激光输出后进行，通常是在激光谐振腔外，光路上放置调制器。激光调制有调幅、调频、调相和脉冲调制等方式6、激光调制技术内调制外调制电光调制声光调制磁光调制干涉调制其他调制技术内调制主要用于半导体激光器通过改变驱动电流实现对输出光的调制一般通信采用强度调制也可进行频率调制即可进行数字通信，也可传输模拟信号一般直接调制速率很难超过5G外调制电光调制纵向电光调制nx’=no–1/2no3

63Ezny’=no+1/2no3

63Eznz’=ne横向电光调制xyy’zx’V起偏器检偏器

/4x’zy’检偏器V纵向电光调制原理在x＇方向折射率比原来减小了1/2n03γ63Ez，而y＇方向的折射率则增加了1/2n03γ63Ez，如图20－18（b）所示。当沿z轴方向入射的线偏振光进入晶体后，即沿x＇、y＇方向分解为两个互相垂直的偏振分量。由于它们的折射率不同，则沿x＇方向振动的光传播速度快，称为“快光”；而沿y＇方向振动的光传播速度慢，称为“慢光”。则两束光经晶体（长度为L）后，将产生位相差Δψ，则有：

Δψ=2π/λ(nx＇-ny＇)L=2π/λn03γ63Ez＇L =2π/λn03γ63V，当晶体上所加电压在0-Vλ／2之间连续变化时，其Δψ也就随着从0-π，则其合成振动的轨迹不断经历着从直线－椭圆－圆－椭圆－直线周而复始的连续变化。这种变化的偏振光通过检偏器A，即可得光强度的周期变化（强度调制）。光强与相位差的关系如图曲线所示。

透射率（I/Ii）随外加电压变化的光强调制特性曲线I/Ii=sin2(1/2·2π/λ·n03γ63V)=sin2(π/2·V/Vπ)

Δψ=2π/λ[(nx＇-nz)·L]=2π/λ[(n0-ne)·L-1/2n03γ63(L/d)V]（20－48）

由上式可知，在横向运用时，光通过晶体后的相位差包括两部分：第一部分是与外电场无关，由晶体本身的自然双折射所引起的相位延迟，即上式中的第一项。它对调制器的工作没有什么作用，当温度变化时，还会带来不利影响，应设法消除。第二部分是外加电场作用产生的相位延迟，它与外加电压V和晶体的尺寸(L/d)有关，所以适当选择晶体的尺寸，可降低其半波电压。一般横向调制器横向运用时其半波电压要低于纵向运用。横向电光调制器（磷酸氢钾类晶体第一种运用方式）的组成如图所示。主要由起偏器、调制晶体（45°-z切割）、检偏器等组成。因为沿z轴方向外加电场，所以Ex=Ey=0,Ez=E，但因通光方向与z轴相垂直，并沿着y＇方向入射，则进入晶体后，将分解为沿x＇、z方向振动的二分量，由式可知有：

nx＇-nz=n0-1/2n03γ63Ez-ne

（20－47）

当通光方向上晶体长度为L，厚度为d，外加电压V=Ezd,则从晶体出射时的相位差为横向电光调制原理组合调制器进行温度补偿自然双折射引起的相位差随温度改变调制器一般需要做温度控制为更好的减小温度漂移的影响常用组合调制器进行温度补偿zz..yxz.yzxx/2.EE.2、声光调治超声波在声光介质中传播会引起介质密度呈疏密交替的变化，其折射率也发生相应变化。超声波作用的这部分介质即可视为一个相位光栅，其周期等于声波波长。声波在介质中传播分为行波和驻波两种形式，行波形成的光栅是移动的驻波光栅是静止的n距离平均折射率入射光I1I2I0I-1I-2

i2

i喇曼衍射布喇格衍射声光调制原理图20－31(b)表示为不同超声波面上的衍射情况。其衍射干涉极大值条件为：

Δ＝FE＝EG＝mλ

即λs(sinθi+sinθd)=mλ

FE实用声光调制器声光介质。声光介质是声光相互作用的场所，常用的声光材料有液体、玻璃和无晶体等声光介质材料的性能对调制器的质量有直接的影响。因此合理选择声光材料是很重要的。主要应考虑以下几方面因素：

提高调制效率，减小声功率。η=I/Ii=sin2(v/2)调制器应有较大调制带宽电声换能器（