激光基本知识与选模

第4章激光的基本技术激光器发明以来各种新型激光器一直是研究的重点。

为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大的发展。

这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。

其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。

在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一项，常常是诸项并用。

本章讨论激光工程中一些主要的单元技术。

因为激光技术涉及的内容十分广泛，这里只给出基本概念和基本方法。

4.1激光器输出的选模激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。

前几章中已经讨论过激光谐振腔的谐振频率。

大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出TEM模)与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布是多模的。

然而，基横模(00均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。

因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光在信息技术中的应用等都十分重要。

为了满足这些使用要求，必须采用种种限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用所谓模式选择技术，获得单模单频激光输出。

激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取。

前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的选频技术；而后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。

4.1.1 激光单纵模的选取1．均匀增宽型谱线的纵模竞争前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。

当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。

激光单横模的选取1.什么是基横模在其轴线附近可看做是一种非均匀的球面波传播过程中曲率中心不断改变振幅在横截面内为一高斯光束强度集中在轴线及其附近等相位面保持球面2.基横模的特点亮度高、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单一的基横模运转的激光器是一种理想的想干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光信息技术中的应用等都十分重要，所以要对激光器的输出进行选模，来获得单模单频激光输出3.激光横模的选取1）激光谐振腔中存在稳定的横向场分布，叫做横模，它反映的是光强的分布情况，所以激光横模的选取主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光亮度2）激光振荡的条件是增益系数大于损耗系数，而损耗中有部分是与横模阶数有关的衍射损耗，所以基横模的选取的实质就是使基横模达到振荡条件，高阶横模的振荡受到抑制3）一般只需要抑制住比基横模高一阶的TEM10模和TEM01模的振荡就能抑制其他高阶模的振荡4）其原理就是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．衍射损耗基横模的光振幅和光强分布在与光轴垂直的平面上呈高斯函数的形式，一直延伸到离光轴无限远处，而反射镜的有限尺寸的限制，每一次反射都会有一部分光能衍射到镜面外，造成的能量损失，这种损失就是衍射损耗5.光阑法选取单横模基本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑。

如果用一个光阑，其半径和基模的光束半径相当，那么基模可以比较顺利的通过。

对高阶模，由于被阻挡的部分多，不能顺利通过，从而达到选模的目的特点：结构简单，调整方便，但受小孔限制，工作物质的体积不能得到充分体用，输出的激光功率比较小，腔内功率比较小，腔内功率密度高时，小孔易损坏。

激光器的基本参数和基础知识激光器是一种重要的光源，在生产、科研、医疗等领域中得到广泛应用。

不同领域所使用的激光器参数不同，因此了解激光器的参数是选择合适激光产品的关键。

本文将介绍常规激光器的参数定义，并简要说明，以帮助读者选择适合的激光产品。

一、输出功率（激光功率）激光器发出的光是光能形成的，与电能类似，光能也是一种能源。

激光器的输出功率是单位时间内输出激光能量的物理量，通常用毫瓦（mW）、瓦（W）或千瓦（kW）表示。

二、功率稳定性功率稳定性是指激光输出功率在一定时间内的不稳定度，通常分为RMS稳定性和峰峰值稳定性。

RMS稳定性是指测试时间内所有采样功率值的均方根与功率平均值的比值，用来描述输出功率偏离功率平均值的分散程度。

峰峰值稳定性是指输出功率的最大值和最小值之差与功率平均值的百分比，表示一定时间内输出功率的变化范围。

三、光束质量因子（M²因子）；光束参数积（BPP）光束质量因子是激光束腰半径和光束远场发散角的乘积与理想基模光束束腰半径和基模发散角乘积的比值，即M²=θw/θ理想w理想光束质量影响激光的聚焦效果和远场光斑分布情况，是用来表征激光光束质量的参数。

实际激光光束质量因子越接近1，说明光束质量越接近理想光束，光束质量越好。

光束整形器一般要求高质量的激光，M²需要小于1.5.光束参数积是激光束的远场发散角与光束最窄点半径的乘积，即BPP=θw。

它可以量化激光束的质量以及将激光束聚焦到小点的程度。

光束参数积即BPP值越低，光束的质量越好。

M²值是BPP值的归一化值，针对具有特定波长的衍射极限光束进行归一化，即M²=BPP/BPP，其中BPP是特定波长的衍射极限光束的值，且BPP=λ/π。

四、光斑（横模）横模是指垂直于激光传播方向上某一横截面上的稳定场的分布，激光器的光斑表征就是横模分布。

通过光斑分析仪或激光轮廓分析仪可以将横模分布模拟出来，得到激光器的一些光束特征。

一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。

α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。

2. 线型函数：引入谱线的线型函数p v p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。

按上式定义的v∆称为谱线宽度。

3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。

4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。

5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。

定义p v P w Q ξπξ2==。

ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。

v 为腔内电磁场的振荡频率。

6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。

7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。

这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。

8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。

9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。

（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。

《激光技术》课程笔记第一章：引言和知识准备1.1 激光是什么样的光？激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），即通过受激辐射的方式放大光的一种特殊形式的光。

它的特性包括：- 单色性：激光的波长非常纯净，几乎只有一个颜色，波长范围极窄，远小于普通光源。

- 方向性：激光的光束非常集中，可以在很长的距离内保持较小的发散角，这使得激光可以精确地指向目标。

- 相干性：激光的波前是平行的，光波的相位关系在空间和时间上保持一致，这使得激光可以产生干涉现象。

- 高亮度：由于激光具有高度的方向性，能量可以在一个很小的区域内集中，因此亮度很高。

1.2 激光器是怎么发明的？激光器的发明是20世纪物理学的重要成就之一，其发展历程如下：- 1917年，爱因斯坦提出了受激辐射的概念，为激光器的理论基础奠定了基础。

- 1954年，查尔斯·哈德·汤斯和他的学生詹姆斯·皮尔斯研制出了第一台微波激射器（maser），这是激光器的先驱。

- 1958年，尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫独立提出了激光器的概念，并预测了其可能的应用。

- 1960年，西奥多·梅曼利用红宝石晶体作为增益介质，成功研制出了第一台激光器，这是人类历史上的第一个激光器。

1.3 谈谈光的本质和“光学”光的本质是电磁波的一种，它同时具有波动性和粒子性两种性质：- 波动性：光可以表现出干涉、衍射、偏振等波动现象。

- 粒子性：光也可以被视为由大量光子组成的粒子流，每个光子具有特定的能量和动量。

光学是研究光的性质、行为和应用的物理学分支，主要包括以下领域：- 几何光学：研究光在介质中的直线传播、反射、折射等宏观现象。

- 波动光学：研究光的干涉、衍射、偏振等波动现象。

- 量子光学：研究光的量子行为，包括光的发射、吸收、非线性效应等。

1.4 光学波段的内涵？光学波段指的是电磁谱中与光相关的部分，主要包括以下几个区域：- 紫外光波段：波长在10纳米到400纳米之间，具有较高的能量，可以引起化学反应。

激光知识点总结一、激光的工作原理激光是由激光管或半导体激光器等激光器件产生的一种特殊的光，其产生过程涉及到激发、放大和辐射三个过程。

激发过程是激光器内部能级的粒子被外部能量激发，处于高能级，即被激发态。

放大过程是被激发态的粒子受到反射膜的作用，在激光谐振腔内不断来回运动，使得光子通过受激辐射不断放大，形成激光能量。

辐射过程是形成激光光束的过程，激光能量通过谐振腔的光学放大产生足够的光强，经过半透过膜射出。

二、激光的分类根据激光器产生的机理、工作波长和应用领域不同，激光可以分为不同的类型。

常见的激光器包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。

气体激光器主要包括CO2激光器、氩离子激光器等，工作波长主要在10.6微米和0.5微米左右。

固体激光器主要包括Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器等，工作波长主要在1微米左右。

半导体激光器主要包括GaAs激光器、InGaN激光器等，工作波长主要在可见光和红外光区域。

三、激光的应用激光在各个领域都有着广泛的应用，包括医学、通信、材料加工等。

在医学领域，激光可以用于手术、治疗、检测等，例如激光近视手术、激光溶脂手术等。

在通信领域，激光可以用于光纤通信、激光雷达等，实现了信息的高速传输和大容量存储。

在材料加工领域，激光可以用于切割、焊接、打标等，高精度、高效率、非接触等优点，深受制造业的青睐。

四、激光的安全问题激光的应用虽然带来了很多便利，但同时也伴随着一些安全问题。

激光具有高能量密度、强聚焦性和直线传播性，如果被不当使用，可能会导致眼睛、皮肤等组织的损伤。

因此，在激光使用过程中，需要采取一系列的安全措施，包括佩戴防护眼镜、设置相应的警示标识、限制激光输出功率等，确保激光的安全使用。

总之，激光作为一种重要的光学技术，在科研和工程实践中有着广泛的应用，具有很高的经济和社会效益。

通过深入理解其工作原理、分类和应用等，可以更好地把握激光的特点和优势，更好地应用于实际工作中。

激光器进行纵模模式选择的方法和原理
激光器进行纵模模式选择的方法主要有短枪法以及在谐振腔中加入光学原件。

短枪法是利用减少激光器谐振枪长的办法增加纵模频率选择间隔，从而实现单纵模震荡。

其特点在于结构简单，误插入损耗小，只需要缩短腔长就可以实现单模。

但此方法输出功率减少，且只适用于增益介质款的气体激光器。

在谐振腔中加入光学原件，比如色散棱镜、F-P标准具等，利用它们对不同波长的光束有不同的透过率或损耗特性，使激光的一部分纵模通过，而其它的纵模由于损耗或折射等，不能在激光的谐振腔中形成足够的振荡，从而形成单纵模激光。

以上内容仅供参考，如需获取更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。

激光器纵模选择技术1．纵模选择的意义及原则为了获得好的单色性和相干性的激光束，要求激光以单频振荡，在一般情况下，多横模激光器是一个多频激光器，而多纵模激光器的频率间隔则更大。

激光器的振荡纵横数目，由腔长、工作物质的增益线宽和激励水平等因素所决定。

因为只有处于增益线宽内的那些纵模频率才有可能真正起振，形成多纵模振荡。

某些实际应用，如光通讯、激光全息、精密计量等要求激光具有高单色性、高相干性，必须单频工作，而纵模选择又是单频工作的必要条件。

设由增益线宽和激励水平（阈值）所决定的激光振荡的大致频率范围为Δv，腔所允许的相邻两振荡纵模的频率间隔为δv，则实际起振的纵模数目为Δv/δv。

由此可见，减少振荡纵模数（即选纵模）可通过两条途径来实现：一是设法压缩激光器的增益带宽Δv；二是设法增大相邻两振荡纵模之间的频率间隔δv。

下述的各种纵模选择方法，均以此为依据。

2．纵模选择的方法（1）色散腔法。

当工作物质具有多条荧光谱线或一条较宽的谱带时，在腔内放入色散棱镜或反射光栅等光学元件，可以进行粗选纵模。

使选频振荡的线宽压缩到0.1-1nm左右。

①棱镜色散腔。

在腔内置入色散棱镜，其选频振荡的最窄波长范围，由棱镜角色散和光束发散角所决定。

设棱镜顶角为a，光束以最小偏向角δm方式通过棱镜（即光路对称），由于n=sin[(δm+a)/2]/sina/2 (20-10)棱镜的角色散率定义为：Dλ=dδm/dλ (20-11)将式（20－10）求导后则有：Dλ=dδm/dn·dn/dλ=2sina/2/(1-n2sina/2)1/2·dn/dλ (20-12)为使棱镜的插入损耗减到最小，应使光线入射角i以布儒斯特角iB入射。

则有：sina/2=siniB/n (20-13)代入（20－12）式，则：Dλ=2siniB/(n2(1-sin2iB))1/2·dn/dλ (20-14)设腔内振荡光束的发散角为θ，则由棱镜色镜分光作用，腔内激光振荡谱线的最小波长间隔为：Δλmin=1/Dλ·θ (20-15)Δλmin=(n2(1-sin2iB))1/2/2siniB·dn/dλ·θ (20-16)若取θ=1mrad（毫弧度）则Δλmin≈1nm。

第一章1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。

2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。

3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。

光波是一种电磁波，是一种横波。

4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。

5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν<<v 时，这种波叫作准单色波。

6、原子处于最低的能级状态称为基态，能量高于基态的其他能级状态叫作激发态。

7、两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这样的能级叫作简并能级。

8、同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫作简并度，用字母g表示。

9、辐射跃迁选择定则（本质：状态一定要改变），原子辐射或吸收光子，不是在任意两能级之间跃迁，能级之间必须满足下述选择定则：a、跃迁必须改变奇偶态；b、ΔJ=0，±1（J=0→J=0除外）；对于采用LS耦合的原子还必须满足下列选择定则：c、ΔL=0，±1（L=0→L=0除外）；d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。

10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。

11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。

12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。

13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。

14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。

15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。

自发辐射的光是非相干光。

16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。

17、受激辐射的特点是：a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。

b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。