第10講 激光選模技術(shù)

1第4章激光的基本技術(shù)

主要內(nèi)容選模技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)調(diào)Q技術(shù)鎖模技術(shù)光束變換技術(shù)調(diào)制技術(shù)偏轉(zhuǎn)技術(shù)2直接對激光器諧振腔輸出特性產(chǎn)生作用作用于諧振腔外32.1激光器輸出的選模2.1激光器輸出的選模激光的優(yōu)點：具有良好的單色性、方向性和相干性；一般激光輸出是多模的，有些情況需要單模輸出；含有高階橫模的激光束光強分布不均勻，發(fā)散角大；含有多縱模及多橫模的激光器單色性和相干性差；在激光準(zhǔn)直、激光加工、非線性光學(xué)激光遠(yuǎn)程測距等應(yīng)用中需要基橫模激光束；在精密干涉測量、光通訊以及大面積全息照相等應(yīng)用中需要單橫模和單縱模激光束。42.1激光器輸出的選模激光器輸出的選模技術(shù)：激光器選頻技術(shù)目的：獲得單模、單頻的激光輸出選模技術(shù)：

激光縱模的選?。ㄟx頻）：提高相干性

激光橫模的選?。ㄟx模）：輸出光強均勻性562.1.1激光單縱模的選?。ㄟx頻）1、均勻增寬型譜線的縱模競爭(1)當(dāng)強度很大的光通過均勻增益型介質(zhì)時粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布值下降，增益系數(shù)相應(yīng)下降，但光譜的線型并不改變。(2)多縱模的情況下，設(shè)有q-1，q，q+1三個縱模滿足振蕩條件。隨著腔內(nèi)光強逐步增強，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光強繼續(xù)增長，最后變?yōu)榍€3的情形。圖4-1均勻增寬型譜線縱模競爭7(3)若此時的光強為Iq，則有，振蕩達(dá)到穩(wěn)定，使激光器的內(nèi)部只剩下q縱模的振蕩。這種現(xiàn)象叫做“縱模的競爭”，競爭的結(jié)果是最靠近譜線中心頻率的那個縱模被保持下來。(4)在均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器中，當(dāng)激發(fā)比較強時，也可能有比較弱的其他縱模出現(xiàn)，

這種現(xiàn)象稱為模的“空間競爭”。圖4-1均勻增寬型譜線縱模競爭82、非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個縱模。單縱模的選取(1)短腔法：兩相鄰縱模間的頻率差，要想得到單一縱模的輸出，只要縮短腔長，使的寬度大于增益曲線閾值以上所對應(yīng)的寬度缺點：腔長受到限制，從而限制輸出功率；當(dāng)譜線熒光寬度很寬時，勢必使腔長縮到很短。9（2）用法布里－波羅標(biāo)準(zhǔn)具選縱模在激光器的諧振腔內(nèi)幾乎垂直于腔軸地插入一個法布里－波羅標(biāo)準(zhǔn)具，可以進行縱模的選取。圖(4-2)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法示意圖10法布里－波羅標(biāo)準(zhǔn)具用透射率很高地材料制成，兩個端面平行且鍍有高反射率地反射膜。由于多光束干涉的結(jié)果，只允許若干個很窄的頻率帶寬的光通過，其透過光的頻率為獲得最大透射率的兩相鄰頻率間隔適當(dāng)?shù)恼{(diào)整角，就可以達(dá)到選頻的目的11（3）三反射鏡法選縱模激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組合所代替，其中M3和M4為全反射鏡，M2是具有適當(dāng)透射率的部分透射部分反射鏡圖4-3三反射鏡法12這相當(dāng)于兩個諧振腔的耦合，一個是由M1、M3組成，其腔長為L1+L2；另一個由M3、M4組成，其腔長為L2+L3。兩個諧振腔的縱模頻率間隔分別為：

c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)只有同時滿足兩個諧振條件的光才能形成振蕩，故只要L2+L3足夠小就可以獲得單縱模輸出。132.1.2激光單橫模的選?。ㄟx模）所謂橫模的選擇，就是從諧振腔可能產(chǎn)生的許多模式中，選出基模，而其他的模式被抑制，不能產(chǎn)生震蕩；在穩(wěn)定腔中，基模衍射損耗小，隨著橫模階次的增高，衍射損耗迅速增加，諧振腔中不同的橫模具有不同的損耗是橫模選擇的物理基礎(chǔ)；為了提高模式的鑒別能力，應(yīng)該盡量增大高階模式和基模的衍射損耗比。14圖4-4腔的衍射損耗1、衍射損耗和菲涅耳數(shù)(1)由于衍射效應(yīng)形成的光能量損失稱為衍射損耗。(2)如圖4-4所示的球面共焦腔，鏡面上的基

橫模高斯光束光強分布可以表示為15圖4-4腔的衍射損耗(3)單程衍射損耗為射到鏡面外而損耗掉的光功率與射向鏡面的總光功率之比(4)分析衍射損耗時為了方便，經(jīng)常引入一個所謂“菲涅爾數(shù)”的參量，它定義為162、衍射損耗曲線高階模衍射損耗與菲涅耳數(shù)N的關(guān)系一般是比較復(fù)雜的，往往寫不出解析的表達(dá)式而需要用計算機進行數(shù)字計算。因此，通常都是將計數(shù)結(jié)果畫成曲線，這就是所謂的衍射損耗曲線圖示為圓截面共焦腔和圓截面平行平面腔的曲線圖4-5不同腔的衍射損耗曲線173、高階橫模的抑制抑制高階橫模需要兩方面的條件：一方面是要求基橫模光束的衍射損耗小，使得基橫模不僅滿足振蕩的閾值條件，而且有較大的功率輸出；另一方面是要求高階橫模的衍射損耗足夠大。下面介紹兩種常用的抑制高階橫模的方法。18（1）光闌法選取單橫模：高階橫模的光束截面比基橫模大，故減小增益介質(zhì)的有效孔徑a，從而減小菲涅耳數(shù)N，就可以大大增加高階橫模的衍射損耗，以致將它們完全抑制掉。最簡單的辦法就是在腔內(nèi)靠近反射鏡的地方放置一個光闌（用于增益較低的氣體激光器）。19（2）聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模聚焦光闌法：如圖4-6所示，在腔內(nèi)插入一組透鏡組，使光束在腔內(nèi)傳播時盡量經(jīng)歷較大的空間，以提高輸出功率。圖4-6聚焦光闌法20