第10讲-激光的选模技术

1第4章激光的基本技术主要内容•选模技术•稳频技术•调Q技术•锁模技术•光束变换技术•调制技术•偏转技术2直接对激光器谐振腔输出特性产生作用作用于谐振腔外32.1激光器输出的选模2.1激光器输出的选模•激光的优点：具有良好的单色性、方向性和相干性；•一般激光输出是多模的，有些情况需要单模输出；•含有高阶横模的激光束光强分布不均匀，发散角大；•含有多纵模及多横模的激光器单色性和相干性差；•在激光准直、激光加工、非线性光学激光远程测距等应用中需要基横模激光束；•在精密干涉测量、光通讯以及大面积全息照相等应用中需要单横模和单纵模激光束。42.1激光器输出的选模•激光器输出的选模技术：激光器选频技术•目的：获得单模、单频的激光输出•选模技术：激光纵模的选取（选频）：提高相干性激光横模的选取（选模）：输出光强均匀性562.1.1激光单纵模的选取（选频）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，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，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。图4-1均匀增宽型谱线纵模竞争7(3)若此时的光强为Iq，则有，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”。阈GIνGqq),(图4-1均匀增宽型谱线纵模竞争82、非均匀增宽型谱线的多纵模振荡非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。单纵模的选取(1)短腔法：两相邻纵模间的频率差，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度缺点：腔长受到限制，从而限制输出功率；当谱线荧光宽度很宽时，势必使腔长缩到很短。)2(Lcνqqν9（2）用法布里－波罗标准具选纵模在激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里－波罗标准具，可以进行纵模的选取。图(4-2)法布里-珀罗标准具法示意图10法布里－波罗标准具用透射率很高地材料制成，两个端面平行且镀有高反射率地反射膜。由于多光束干涉的结果，只允许若干个很窄的频率带宽的光通过，其透过光的频率为获得最大透射率的两相邻频率间隔适当的调整角，就可以达到选频的目的222sin2dmcm222sin2dcm11（3）三反射镜法选纵模激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜图4-3三反射镜法12这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其腔长为L1+L2；另一个由M3、M4组成，其腔长为L2+L3。两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要L2+L3足够小就可以获得单纵模输出。132.1.2激光单横模的选取（选模）所谓横模的选择，就是从谐振腔可能产生的许多模式中，选出基模，而其他的模式被抑制，不能产生震荡；在稳定腔中，基模衍射损耗小，随着横模阶次的增高，衍射损耗迅速增加，谐振腔中不同的横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础；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。14图4-4腔的衍射损耗1、衍射损耗和菲涅耳数(1)由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。(2)如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的基横模高斯光束光强分布可以表示为)2exp()(2120II15图4-4腔的衍射损耗(3)单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率与射向镜面的总光功率之比(4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的参量，它定义为2122expaD21020212002)2exp(2)(IdIdI)2exp(22)('212210aIdIaNLLaND2exp12162、衍射损耗曲线高阶模衍射损耗与菲涅耳数N的关系一般是比较复杂的，往往写不出解析的表达式而需要用计算机进行数字计算。因此，通常都是将计数结果画成曲线，这就是所谓的衍射损耗曲线图示为圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的曲线ND～图4-5不同腔的衍射损耗曲线173、高阶横模的抑制抑制高阶横模需要两方面的条件：一方面是要求基横模光束的衍射损耗小，使得基横模不仅满足振荡的阈值条件，而且有较大的功率输出；另一方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大。下面介绍两种常用的抑制高阶横模的方法。18（1）光阑法选取单横模：高阶横模的光束截面比基横模大，故减小增益介质的有效孔径a，从而减小菲涅耳数N，就可以大大增加高阶横模的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。最简单的办法就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光阑（用于增益较低的气体激光器）。19（2）聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率。图4-6聚焦光阑法20腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7所示。优点：一是能充分利用激光工作物质，获得较大功率的基模输出；二是可通过调节望远镜的离焦量得到热稳定性很好的激光输出；三是输出光斑大小合适，不致损伤光学元件。图4-7腔内望远镜法