第5章 激光模式选择 2013.5.31

激光的基本技术
激光技术:为控制与改善激光器输出特性而发 展的各种技术。 能量 峰值功率 激光放大技术 短脉冲技术 调Q
稳频 相干性 选模
选横模
锁模
选纵模
其它：激光调制、激光偏转、激光频率转换等。
激光模式选择和稳频技术 §1. 模式选择技术
一 问题提出
二分类 三. 横模选择 四.纵模选择技术
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一 问题提出
①.色散棱镜法： 在腔内插入色散棱镜 ②.反射光栅法： 光栅可代替棱镜 (3).F-P标准具法:F-P标准具对不同波长有不同的透过率,F-P优点: F-P标准具厚度很薄，对增益线宽很宽的工作物质，均能获得单 纵模振荡。 ④.复合腔法选纵模; 9
纵模选择技术 一.纵模选择原理
激光器的振荡频率范围是由工作物质的增益谱线
亮区间有暗区。
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2.开腔损耗及其描述
(1).分类 a.选择性损耗（与横模阶数有关的损耗） ①.几何偏折损耗；②.衍射损耗 b.非选择性损耗（与横模阶数无关的损耗） ①.材料中的非激活吸收，散射 ②.腔内插入元件引起的损耗 ③.腔内反射不完全引起的损耗 (2).实现基模输出条件 a. 横模的鉴别能力足够大；b .各横模衍射损耗的绝对值大小
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激光频率降至一定程度时又跳回原来的频率 ——跳模现象 纵模在谐振腔中是以驻波形式出现的。一个 纵模对应于腔内沿纵向的一个稳定的光场分 布。能够形成稳定的光场分布的条件是腔长 为半波长的整数倍，即 L q 2 q称 为 纵 模 的 序 数 ， 表 示 沿 纵 向 驻 波 的 波 节 数 。
的宽度决定的，而产生多纵模振荡数则是由增益线宽 和谐振腔两相邻纵模的频率间隔决定的，即在增益线 宽内，只要有几个纵模同时达到振荡阈值，一般都能 形成振荡。如以Δν0表示 增益曲线高于阈值部分的 宽度，相邻纵模的频率间
△ν
q
隔为Δνq，则可能同时振
荡的纵模数
△ν
0
n
0 q
10
Δνq=
Δν0
由于饱和效应，增 G阈 益曲线下降。 3 当降到曲线1时： G G Iq+1停止上升，而Iq-1和 Iq继续上升，增益曲线 v q 1 v 0 v q v q 1 继续下降，使 G q 1 G 阈 Iq+1迅速减小并熄灭。 当降到曲线2时： G G Iq-1停止上升，而Iq继 续上升，增益曲线继续下降，使 G q 1 G 阈，Iq-1 熄灭。
谐振腔具有选频的作用，从频带很宽的光波中， 选出满足谐振条件的光波频率，相对应的模式 称为纵模。
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相邻纵模频率之差称为：纵模间隔 q 1 q c ( q 1) 2nL cq 2nL c 2nL
例 a 、 腔 长 L 1 0 c m 的 H e - N e 激 光 器 , n 1, 求 c 2nL 但这只是谐振腔允许的谐振频率，真正激光 输出的光波频率还要落在谱线范围之内。
1 2
D
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b、 若 腔 长 L 30 c m ， q c 2nL 5 .0 1 0 H z
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出 现 三 个 纵 模 ( D / q =3) ——多纵模激光器 P55 说 明 (fig. 3.4.2)
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影响激光器纵模个数的因素： （ 1） 与 谱 线 宽 度 有 关 ， D 越 大 ， 可 能 出现的纵模个数越多 （ 2） 与 激 光 器 腔 长 有 关 q c 2nL 显 然 L越 大 q越 小 ， 纵 模 个 数 越 多
n
0 q
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= kx =
2 n

2 L q 2
( q 1, 2 , 3 ...)
谐振条件：（驻波条件） 2nL =q 光波频率 ( q 1, 2 , 3 ...) q :纵模序数
=
c n

cq 2nL
( q 1, 2 , 3 ...)
(3 4 2 )
（ 3 ） 增 益 系 数 要 大 于 阈 值 G ( ) G t
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例 ： 腔 长 均 为 1 m的 气 体 激 光 器 ， n = 1 a 、 C O 2 1 0 .6 m 激 光 ， 谱 线 宽 度 ( 线 型 函 数 ) D 1 0 H z
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其纵模间隔为： q
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一、均匀增宽型谱线的纵模竞争 核心问题:与饱和效应相关的模式(纵模或横模) 之间的竞争！ 某个频率的光最终要成为激光的纵模输出，它必须 突破几个关口。
答案：① 满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之一。 ② 频率落入工作物质的谱线线型范围 Δ vF 内。 ③ 小信号增益系数大于阈值增益系数。
q 1 阈 q 1 阈
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Iq停止上升， 当降到曲线3时： G G 由于没有其他的纵模使增益曲线下降,则激光器 就稳定在 Iq 上, 从而输出单纵模激光。 结论：理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出 应是单纵模，其频率在增益曲线中心频率附近， 其它纵模被抑制而熄灭。在模的竞争过程中，频 率越远离中心频率的光越先熄灭。
q 阈
竞争的结果总是最靠近谱线中心 频率的那个纵模被保持下来。
图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争
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空间竞争
当腔内形成纵模为的强激光振荡时，在激光器腔内， 形成的是一个驻波场，所以腔内光强并不均匀。 在波腹处光强最强，在波节处光强最弱。这就使 得在整个腔长范围内各点的增益也不相同，只是 平均增益等于 G ，而在波节处增益就比较高。由 于其他纵模的波节和波腹与纵模的波节和波腹并 不重合，所以这些纵模就可以在纵模的波节处得 到较高的增益，而形成较纵模弱的振荡。这就是 均匀增宽谱线的稳定激光器中，在激光较强时， 也可能出现少数几个弱的其他纵模的振荡的原因。 这种现象称为模式的“空间竞争”。
q模腔内光强分布
只有q模存在时的反 转集居数密度的分布
=4 可 以 输 出 4个 频 率 的 光 波
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二、激光频率的漂移 根 据 谐 振 条 件 纵 模 序 数 为 q的 频 率
q
qc 2nL
当温度升高时，激光器腔长变长，频 率 q 降 低 。 在 T1 温 度 时 ， 线 型 函 数 g ( ) 的 中 心 频 率 为 q ， 当 温 度 上 升 到 T 2时 ， 腔 长 变 长 ， 频 率 q降 低 ， 但 仍 在 谱 线 宽 度 内 。 当 温 度 升 为 T 3时 ， q 移 到 谱 线 宽 度 之 外 ， 而 q 1降 到 谱 线 宽 度 以 内 ， 并 与 温 度 T1时 q 相 同 。
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= 1 .5 1 0 H z
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其 中 只 有 落 在 N e 原 子 6 3 2 .8 n m 谱 线 的线宽范围内
0
1 2
D q 0
1 2
D
才能形成激光。 D 1 .5 1 0 H z
9
单纵模输出条件
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空间烧孔引起多模振荡
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，使轴向各点的反转集居数密度 和增益系数不同，波腹处增益系数（反转集 居数密度）最小，波节处增益系数（反转集 居数密度）最大，这种现象称为增益的空间 烧孔效应 (spatial hole burning)。
3 选模方法
a.改变谐振腔的结构和参数: 使各模衍射损耗有较大的区别。 b.腔内插入附加的选模元件: 小孔光阑，棱镜，光栅等。
四.纵模选择技术
1. 实现单纵模条件
（1）.增益和损耗 （2）.不同纵模间存在增益差异 激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡，取决于这一纵 模在腔内的增益和损耗值的大小。控制这两个参数，使得谐 振腔中可能出现的纵模中只有一个满足振荡的条件，激光器 即可实现单纵模输出。 2 .纵模选择方法
损耗较大，只有中心频率附近的少数增益大的纵模建立起振荡。 最终形成并得到放大的是增益最大的中心频率所对应的单纵模。
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激光稳定状态的建立过程 G Gt 时 达 到 稳 定 状 态 r1 r2 I 0 e G = i
' 2 (G - i ) L
I0
1
'
1 2L
ln ( r1 r2 )
*要提高光束质量，须对谐振腔的模式进行选择
*横模: 在谐振腔的横截面内激光光场的分布
*纵模 :沿腔轴线方向上的激光光场分布
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激光单纵模的选取
1.激光的优点在于它具有良好的单色性、方向性和相干性 2.理想的激光器输出光束应该只有一个模式，但是对于实际的激光器，如 果不采取模式选择，它们的工作状态往往是多模的。 3.含有高阶模式横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角大。 4.含有多纵模及多横模的激光器单色性及相干性差。 5.在激光准直、激光加工、非线性光学、激光远程测距等领域都需要基横 模激光束。 6.在精密干涉测量，光通讯及大面积全息照相等应用中更要求激光是单横 模和单纵模光束。 因此，设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是一个重要课题
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（实际就是驻波条件）
纵模选择的基本思想：激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡
主要取决于这一个纵模的增益与损耗值的相对大小。对于同一个
横模的不同纵模而言，其损耗是相同的，但是不同纵模间却存在 着增益差异，因此，利用不同纵模之间的增益差异，在腔内引入
一定的选择性损耗，使欲选的纵模损耗最小，而其余纵模的附加
所谓激光纵模选择，就是通过使激光器只允许有一种频率振荡， 二其余的频率则均被抑制。
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