c4.1激光器输出的选模

§4.4激光调制技术§4.3激光束的变换§4.1激光器输出的选模1§4.5激光偏转技术第四章激光的基本技术§4.6激光调Q技术§4.2激光器的稳频§4.7激光锁模技术模式：横模、纵模基横模（TEM00模）：亮度高、发散角小、径向光强分布均匀、振荡频率单一，具有最佳的时间相干性和空间相干性。应用：激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影等。选模技术：对横模的选取，主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度。选频技术：对纵模的选取，主要影响激光的输出频率，大大提高激光的相干性。§4.1激光器输出的选模4.1.1激光单纵模的选取1.均匀增宽型谱线的纵模竞争(1)当强度很大的光通过时，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，增益曲线按同一比例降低。(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。(3)若此时的光强为Iq，则有，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”，竞争的结果总是使最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来。阈GIνGqq),(图4-1均匀增宽型谱线纵模竞争结论：理想情况下，均匀增宽稳态激光器的输出应是单纵模的，其频率总是落在谱线中心附近。实际上，在均匀增宽的稳态激光器中，当受激辐射比较强时，也可能有比较弱的其他纵模出现，如何解释？1.均匀增宽型谱线的纵模竞争4.1.1激光单纵模的选取频率为的纵模在腔内形成稳定振荡时，腔内形成一个驻波场，波腹处光强最大，波节处光强最小，使轴向各点的增益系数不同，波腹处增益系数最小，波节处增益系数最大，这种现象称为增益的空间烧孔效应。由于增益的空间烧孔效应，不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡，这一现象称为纵模的空间竞争。如果激活粒子的空间转移很迅速，空间烧孔便无法形成。对气体激光器而言，不易出现空间烧孔，而固体激光器一般都存在空间烧孔。结论：空间烧孔引起多纵模振荡；由于不同横模具有不同的横向分布，故消耗反转粒子数也具有横向分布，也能引起多横模振荡。均匀增宽型谱线的纵模竞争由于某一纵模光强的增加，并不会使整个增益曲线均匀下降，而只是在增益曲线上造成对称的两个烧孔，只要纵模间隔足够大，各纵模基本上互不影响，所有小信号增益系数大于增益阈值的纵模都能稳定振荡。所以，非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。2.非均匀增宽型谱线的多纵模振荡4.1.1激光单纵模的选取3.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；只适用于增益线宽较窄的激光器。(2)法布里-珀罗标准具法。(3)三反射镜法。)2(Lcνqqν4.1.1激光单纵模的选取常用的选频方法用法布里－珀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－珀罗标准具，可以进行纵模的选取法布里－珀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的反射膜。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和选择厚度d，就可以达到选频的目的。222sin2dmcm222sin2dcm图(4-2)法布里-珀罗标准具法示意图法－珀标准具选纵模的优点在于标准具平行平面板的厚度d可以调整到很薄，因此对增益线宽很宽的工作物质如氩离子、红宝石、YAG等也能够获得单纵模振荡，可适用于大功率激光器。用法布里－珀罗标准具选纵模图(4-2)法布里-珀罗标准具法示意图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图4-3三反射镜法衍射损耗：与横模阶数密切相关。基模的衍射损耗最小，随着横模阶数的增高，其衍射损耗也逐渐增大。选模原理：加大基模和高阶横模衍射损耗的差别，使基模满足阈值条件振荡，而高阶横模的损耗大于增益不能振荡，达到选出基横模的目的。4.1.2激光单横模的选取一、横模选择基本原理图4-4腔的衍射损耗4.1.2激光单横模的选取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(3)单程衍射损耗：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)2exp()(2120II2122expaD21020212002)2exp(2)(IdIdI)2exp(22)('212210aIdIa22yx基横模高斯光束单程衍射损耗图4-4腔的衍射损耗4.1.2激光单横模的选取D2122expaDa基横模高斯光束单程衍射损耗：讨论：1D如果谐振腔内加了小孔光阑，则取光阑的半径。a基模的衍射损耗最小，越高阶的横模其衍射损耗越大。图4-4腔的衍射损耗4.1.2激光单横模的选取衍射损耗和菲涅耳数(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L1由2122expaDLaN2NLaD2exp/2exp2菲涅尔数越大，单程衍射损耗越小。菲涅尔数是表征谐振腔衍射损耗的特征参量。衍射损耗曲线对其他谐振腔及高阶横模，衍射损耗与菲涅耳数N的关系一般比较复杂，往往写不出解析的表达式而需要用计算机模拟。通常都将计算结果画成曲线，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N越大，衍射损耗越小横模序数越高，衍射损耗越大共焦腔比平行平面腔的衍射损耗小ND～图4-5不同腔的衍射损耗曲线二、高阶横模的抑制方法常用的抑制高阶横模的方法：1、光阑法选取单横模：在腔内插入一个适当大小的小孔光阑或限制工作物质横截面积，使光斑尺寸较小的基模无阻挡地通过小孔光阑，而光斑尺寸较大的高阶横模却受到阻拦而遭受较大的损耗。即减小增益介质的有效孔径a，从而减小菲涅耳数N，增加高阶横模的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。由于在谐振腔的不同位置，光斑尺寸不同，所以小孔光阑的大小因其位置而异。缺点：工作物质的体积不能得到充分利用，输出激光功率较小。2、聚焦光阑法：在谐振腔内插入透镜或透镜组配合小孔光阑进行选模，光阑放在透镜的焦点上。这样光束在腔内传播时可经历较大的空间。光束通过小孔光阑时，光束边缘部分的高阶模因光阑阻挡受到损耗而被抑制掉，既保持了小孔光阑的选模特性，又扩大了基模体积，可增大激光输出的功率。图4-6聚焦光阑法二、高阶横模的抑制方法缺点：这种方法虽然扩大了基模模体积，但附加了两个透镜而增加了腔的插入损耗，并给调整带来困难。图4-7腔内望远镜法三方面优点：①能充分利用激光工作物质，获得较大功率的基模输出。②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。③输出光斑大小适当，不至损伤光学器件。3、腔内加望远镜系统的选横模方法二、高阶横模的抑制方法在谐振腔内插入一组由凸凹透镜组成望远镜系统，将光阑放在凹透镜的左边，这样避免了实焦点对于光阑的损伤。且凹透镜位置可调，可补偿激光棒的热透镜效应。作业：P101：2