长春理工大学-激光器件与技术第四章-1讲

§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§长春理工大学电子科学与技术系Page:1第4章——————————————模式选择技术第四章模式选择技术长春理工大学电子科学与技术系Page:2§4.1绪论一.概述：激光的许多应用领域要求激光束具有很高的光束质量(即方向性或单色性很好)，但一般激光器很难满足这种要求。•提高光束质量的方法是：对激光谐振腔的模式进行选择。选模技术包括两大类：•横模选择技术从振荡模式中选出基横模TEM00，并抑制其他高阶模振荡；•纵模选择技术能限制多纵模中的振荡频率数目，选出单纵模振荡，从而改善激光的单色性。第四章模式选择技术长春理工大学电子科学与技术系Page:3§4.1绪论二.模式的基本概念•在腔内振荡的具有一定的振荡频率和空间分布的特定光束称为腔的模式，即腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。•不同的谐振腔具有不同的振荡模式，选择不同的谐振腔就可获得不同的输出光束形式。1.横模•在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。一般用符号TEMmn表示。TEM表示横向电磁场。m、n为横模序数，它表示镜面上场的节线数。•不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同。•基横模光强是高斯形，光场分布均匀，发散角最小。随着横模序数的增加，光场的范围加大，分布不均匀，发散角越来越大。•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。第四章模式选择技术长春理工大学电子科学与技术系Page:4§4.1绪论横模阶数越高，光强分布就越复杂且分布范围越大，光束发散角越大。基模TEM00模的光强分布呈圆形分布且分布范围很小，光束发散角最小，功率密度最大，亮度最高。精细激光加工(焊接、打孔、微调等)，需聚焦后具有很小的光斑。根据d=fθ，小的光束发散角利于聚焦更小的光斑。激光通信、雷达和测距等领域，小光束发散角可提高作用距离。选模后，虽然输出功率可能降低，但由于发散角的改善，其亮度可提高几个数量级，经聚焦后，可产生一个衍射极限的光斑。厄米-高斯光束：沿x方向有m条节线，沿y方向有n条节线。拉盖尔-高斯光束：沿半径r方向有m根节线，沿辐角φ方向有n个节线。第四章模式选择技术长春理工大学电子科学与技术系Page:5§4.1绪论2.纵模•沿腔轴线方向激光光场分布。纵模数表示激光振荡频率数，纵模数多，单色性差。单纵模单色性最好。•对于一般腔长的激光器，往往同时产生几个甚至几百个纵模振荡，纵模个数取决于激光的增益曲线宽度及纵模间隔。•精密干涉测量、全息照相、高分辨率光谱学等应用，需要单色性、相干性极好的激光光源，即单频激光。•纵模选择技术是单频激光器运转的必要手段。第四章模式选择技术长春理工大学电子科学与技术系Page:6§4.1绪论三.实际激光束的传输规律•激光器的输出光束模式首选取决于谐振腔的具体形式，同时还取决于激光介质的尺寸和分布、光腔的调整状态和光学元件的实际质量等许多因素。•实际激光器往往很难从理论上给出输出光束的光场分布，同时也很难实际测量出输出光束的光场分布。实际工作中如何判断一个激光器的实际输出光束？1.M2参数的定义---光束质量散角基模高斯光束的远场发径基模高斯光束的腰斑直实际光束的远场发散角实际光束的腰斑直径2M第四章模式选择技术长春理工大学电子科学与技术系Page:7§4.1绪论•M2参数的物理实质是将实际光束与基模高斯光束进行比较，值的大小代表了实际光束偏离基模高斯光束的程度。•理想基模高斯光束的远场发散角(全角)：•理想基模高斯光束的腰斑与远场发散角的乘积：•任意实际光束的M2参数可以写为：•M2参数≥1，M2参数=1代表一个理想的基模高斯光束。•M2参数表征了一个实际光束的传输特性，也称其为光束传输因子。/400D(1)(2)(3)/400002xxxxDDDMx/400002yyyyDDDMy002第四章模式选择技术长春理工大学电子科学与技术系Page:8§4.1绪论2.激光束的传播基模高斯光束的传播可通过ABCD法则进行分析。基模高斯光束的传播满足：利用透镜将束腰变换至腔外，基模高斯光束经过透镜F变换后，满足已知：F、l/、ω0/l和ω00022/1201fzzzfzzR220f(4)(5)(6)222/1fFFFlFl022/01fFF(7)(8)透镜变换后光束的束腰位置和大小可以通过多点测量，进行曲线拟合后得到。利用式子(7)和(8)可以得到腔内束腰的位置和光斑大小。可以得到激光束的远场发散角。光束的特性不可能通过简单的线性光学系统得到改善！实际激光器谐振腔中的M2参数可以通过实际测量该激光器输出光束的光束参数获得！实际光束通过线性光学变换后，M2参数并没有改变！第四章模式选择技术长春理工大学电子科学与技术系Page:9绪论小结•试画出圆形镜共焦腔下TEM04模的光场强度分布。•试画出方形镜共焦腔下TEM03模的光场强度分布。•说明选单模(横、纵)的意义和作用。•M2参数的定义是什么？物理实质是什么？它的值代表什么含义？