激光技术之模式选择.ppt

1、激光技术-模式选择，总结，基本横向模式的选择，单一纵向模式的选择，总结在7.1中，要求良好的激光方向性或单色性。要求选择激光谐振腔的模式。模式选择技术可分为两类：一是横向模式选择技术；二是纵向模式选择技术。根据激光原理，横模是指激光光场在谐振腔横截面上的分布。如图5.1-1所示，显示了几种低阶横模的光场强度分布照片。横模阶数越高，光强分布越复杂，分布范围越大，光束发散角越大。不同横模的光场强度、Tem00 Tem10 Tem20 Tem30、Tem40 Tem50 Tem21 Tem22、Tem01 Tem02 Tem03、Tem00 Tem10 Tem20、图7.1-1不同横模的光场强度相反

2、，基模(Tem00)的光场强度分布图形为圆形，分布范围小，其光束发散角最小，其功率密度最大，因此其亮度也最高，其径向强度分布虽然横模很容易观察到，但其原因是复杂的，例如离轴光束的增强干涉、工作物质的色散和散射效应以及腔内光束的衍射效应等。本文仅对第一个原因进行了简单分析，认为除了严格平行于腔轴外，还有一些光束稍微偏离了“Z”形，经过多次反射后可以满足2nLcos=k的条件，所以在某个方向上有一个波长来加强干涉，让Z代表腔轴方向，垂直于Z的截面就是XY平面。该截面产生的部分横向模式如图所示。TEMmn中的TEM代表电磁横波，图上的符号取自微波技术，m代表x方向的节点数，n代表y方向的节点数。以轴

3、为基准，TEM00代表单模或基模。TEM10代表m=1，n=0，依此类推。相邻横向模式之间的波长差与特定的腔结构和反射器的调节非常不一致。此外，虽然相邻横模的偏振方向相同，但也有一些不同，如图中箭头所示。根据应用光学，光斑直径d=f (f是透镜的焦距和光束的发散角)。在模式选择之后，输出功率可以降低，但是由于发散度的改善，亮度可以提高几个数量级。横向模式选择技术是为了使激光发散角小。例如， n是折射率，l是腔长，因此微分后=c/2nL的纵模选择技术是单频激光器工作的必要手段。纵向模式是指激光场沿谐振腔轴向的分布。对于一般腔长的激光器，通常会同时产生几个甚至数百个纵模振荡。纵向模式的数量取决于激

4、光增益曲线的宽度和两个相邻纵向模式之间的频率间隔。本章简要介绍了这两种模式的原理。5.2横向模式选择技术。根据激光原理，激光谐振腔中可能存在几种稳定的振荡模式。只要某一模式的单向增益大于其单向损耗，即满足激光振荡条件，该模式就可能被激发和振动。假设谐振腔两端的反射镜的反射率为r1和r2，单向损耗为，单向增益系数为G，激光工作物质的长度为L，由于增益和损耗的影响，在谐振腔中来回走动后，某一横模(TEMmn)的光强与初始光强I0的比值将变为33，360。# #。首先，激光器可以实现单横模(TEM00，(5.2-1)，阈值条件为II0，即I/I0=1，因此获得r1r 2(1)-2 exp(2GL)1

5、(5.2-2)。研究了下面两个最低阶横模TEM00和TEM10，认为有源介质对每个横模的增益系数是相同的，下面两个不等式是从图中可以看出，在相同的菲涅耳数N下，对称稳定腔的衍射损耗随着|g|的减小而减小。谐振腔对于不同阶横模具有不同衍射损耗的性能是实现横模选择的物理基础，通过适当选择菲涅耳数N满足方程(5.2-3)和(5.2-4)可以实现单横模选择的目的。考虑到模式之间的竞争，可以放宽选择单一横向模式的条件。当满足条件(5.2-5)时，首先，衍射损耗必须在模式的总损耗中占据重要位置，这可以与其他非选择性损耗相比较。因此，有必要最小化腔中每个元件的吸收和散射损耗，以便相对增加衍射损耗在总损耗中的

6、比例。这也可以通过减少腔的菲涅耳数n来实现。你可以的。为了有效地选择横向模式，必须考虑两个问题。其次，除了每个横模的衍射损耗的绝对值之外，还应该考虑横模的分辨能力，即基模和较高横模的衍射损耗之间的差必须足够大(即1000的比值大)，从而可以有效地区分这两种模式，并且可以容易地实现模式选择。图5.2-2显示了10/00和各种对称腔的n之间的关系。横模的分辨力随着n的增加而增加，但衍射损耗随着n的增加而减小；如果适当选择n(折衷值：一般为0.5-2)，横模衍射损耗的差异不仅与不同类型的谐振腔结构有关，还与谐振腔的菲涅耳数n有关。图5.2-2显示了各种G因子对称腔的1000值与菲涅耳数n之间的关系。

7、图5.2-2显示了各种对称腔的10/00与n之间的关系，图5.2-3显示了平凹腔的1000与n之间的关系。横模的分辨力随n的增加而增加，但衍射损耗随n的增加而减小，因此必须适当选择n的值(0.5-2)才能有效地选择横模。(矛盾)横向模式选择方法可分为两类：一类是改变谐振腔的结构和参数，以获得各模式衍射损耗的较大差异，提高谐振腔的模式选择性能；另一种是将附加的模式选择元件插入到某个谐振腔中，以提高模式选择性能。气体激光器采用前一种方法，固体激光器采用后一种方法。第二，横向模式选择的方法。图5.2-2显示了共焦腔1000的比值与菲涅耳数之间的关系。从图中可以看出，当|g|参数小而1000大时，00

8、和10的值也小，因此为了选择基模和抑制高阶模，只能通过减少菲涅耳数来增加模损耗值。但是当该值太小时，模式音量非常小，输出功率非常低。对于常用的大曲率半径双凹球面稳定腔，选择0.5-2.0之间的菲涅耳数更为合适。1.谐振器参数g的选择方法，以及适当选择谐振器参数r，并使它们工作在稳定区域的边缘，即，在临界工作状态，有利于模式选择，因为在所有顺序横向模式中最低顺序模式(TEM00模式)的衍射损耗最小。图5.2-4示出了以TEM00模式和TEM01模式为例，在不同值，g=1-L/R时模式衍射损耗|g|之间的关系，图5.2-4示出了这两种模式的单程衍射损耗差与不同菲涅耳数时|g|之间的关系。在固态激光

9、器中，插入小孔径光阑作为模式选择元件是一种常见的模式选择方法，如图5.2-7所示。这种方法对同心空腔特别有效。由于高阶横模的腰比基模的腰大，如果适当选择光阑的孔径，高阶横模的光束可以被部分阻挡，基模可以顺利通过。从衍射理论可以看出，在腔中插入一个小孔相当于减小腔镜的横模截面，从图中可以看出，当孔径的孔径r非常小时，两种模式的损耗非常大，并且两种模式之间的差异也非常小。随着r的增加，两种模式的(10/00)值增加，当=0.3 (A为圆镜半径)时达到最大值。此时，TEM10模式的损耗约为20%，而基模的损耗仅为1%，因此孔径最好。当为0.5时，模式损耗与无振膜时基本相同。图5.2-9显示了同一谐振

10、器中两个最低阶模式的衍射损耗比(10/00)与菲涅耳数之间的关系。从图中可以看出，对于固体的值，10/00的值对于特定的光阑孔径具有最大值，并且将该孔径用于模式选择是最有利的。对于2.5 20的同心腔，0.280.36更合适。图5.2-9同心腔10/00与光阑孔径的关系，图5.2-10聚焦光阑法选模，将透镜或透镜组插入谐振腔，与小孔径光阑配合选模，光阑置于透镜焦点上。这样，当光束在空腔中传播时，可以经历更大的空间。图5.2-10是模具选择腔的示意图，腔内有两个透镜。当光束通过光阑时，由于光阑阻挡的损失，光束边缘的高阶模被抑制，这不仅保持了光阑的模式选择，而且扩大了基模体积，增加了激光输出功率。

11、3.通过将透镜插入空腔来选择横向模式。虽然这种方法扩大了基本模式的尺寸，但是它增加了两个透镜，这增加了腔的插入损耗，并且给调节带来困难。为了简化系统和减少损耗，可以用凹面镜代替右透镜和平面镜，如图5.2-11所示。然而，凹面镜的曲率中心需要与透镜的焦点重合。在插入透镜和光阑选择模式的基础上，提出了在腔内增加望远镜的方法和“猫眼谐振腔”的模式选择方法。激光器的振荡频率范围由工作物质的增益谱线的宽度决定，多纵模振荡的次数由增益线宽和谐振腔两个相邻纵模之间的频率间隔决定，即在增益线宽内，只要几个纵模同时达到振荡阈值，它们一般都能形成振荡。如果0表示增益曲线的宽度高于阈值，并且相邻纵向模式之间的频率间

12、隔为q，则可能同时振荡的纵向模式，5.3纵向模式选择技术，1。纵向模式选择原理，对于一般的稳定腔，根据衍射理论，不同的横向模式(TEMmm)具有不同的共振频率数，因此横向模式参与振荡越多，整个振荡谱结构越复杂；当腔内只有一个横模(TEM00)振荡时，其振荡谱结构简单，是一系列间隔为=c/2nL的离散振荡频率。纵模选择的基本思想是：激光器中的纵模能否开始并保持振荡，主要取决于纵模的增益和损耗的相对值。对于同一横模的不同纵模，损耗是相同的，但不同纵模之间存在增益差异。因此，利用不同纵向模式之间的增益差异，某些选择性损耗被引入到腔中，这最小化了所选纵向模式的损耗，而其他纵向模式的附加损耗较大，并且只

13、有在中心频率附近具有大增益的几个纵向模式建立振荡。最终形成和放大的是对应于具有最大增益的中心频率的单纵模。如果激光工作物质发射具有不同波长的多条激光线，那么在纵向模式选择之前必须粗略地选择频率，以抑制不必要的线。例如，氦-氖激光器可以在623.8纳米、1.15米=1150纳米和3.39米=3390纳米处发射三条谱线。2.纵模选择方法(色散腔粗频率选择、短腔方法、标准具方法、复合腔方法等。)，1 .色散腔粗频率选择，通常，因为2c T=1800和T=1800，c=/2是由四边形ABCD知道的，T 2 (180- )=360是由四边形ABCO知道的，并且这两个公式结合起来得到：=()/2，所以(根

14、据折射定律，见上述公式)，(5.3-1)，让光线根据物理光学的折射定理，有(让折射角为c):(注： n0=1)，其中是是棱镜的顶角；是偏转角。棱镜的角色散定义为当波长变化0.1毫米时偏转角的变化。由公式(5.3-1)、(5.3-3)导出，其中dn/d表示不同材料的发射率对波长变化的导数。假设腔内光束允许的发散角为0，由于色散棱镜的分光效应，腔内激光波长允许的最小波长分离范围为(5.3-2)，色散率的倒数为单位偏转角波长的变化，例如，对于玻璃材料制成的棱镜和可见光波段，在1弧度时可达1毫米。这种棱镜色散方法对某些激光器的选择性振荡非常有效。例如，氩离子激光器的两个强工作谱线488纳米和514.5

15、纳米可以通过这种色散来选择。另一个色散腔是用反射光栅代替谐振腔的反射镜，如图5.3-2所示。其中m1、2和2是衍射级。如果d是光栅间距(光栅常数)，1是光在光栅上的入射角，2是光在光栅上的反射角，形成光栅衍射主最大值的条件是(5.3-4)，激光振荡的可能纵向模量主要由工作物质的增益线宽0和谐振腔的纵向模间距Q决定。纵模间距与谐振腔长度成反比，因此选择单一纵模的方法之一是缩短谐振腔长度以增加品质因数，这样在0范围内只有一个纵模，其余纵模位于0之外，如图5.3-3所示。短腔方法，即所谓的短腔方法，选择纵向模式。例如氦-氖激光器，当L=1m时，其纵模间隔=150兆赫(设n=1)。当0=1500赫兹时

16、，如果需要单纵模振荡，则要求L=0.1m米或更小。因此，短腔方法仅适用于增益线宽较窄的激光器，短腔方法的模式选择原理如图5.3.3所示。由于腔长缩短，激光输出功率必须受到限制。因此，该方法不适用于高功率单纵模输出的情况。图5.3-4显示了标准具纵向模式选择装置的示意图。法布里-珀罗标准具对不同波长的光束有不同的透射率，可以用以下公式表示：其中是标准具的细度；r是标准具对光的反射率；d是标准具的厚度(即两个平行表面之间的间隔)；是标准具中参与多光束干涉效应的两条相邻出射光线之间的相位差，即(其中n是标准具介质的折射率；是光束进入标准具后的折射角，通常很小，con 1)。(5.3-8)，3。图5.3-5荧光标准具的透射率下图显示了当R取不同值时，T()和R的变化曲线。从图中可以看出，标准的反射率r越大，透