激光原理第七章ppt课件.ppt

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1、第七章激光器特性的控制与改善改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性，发展了模式选择、稳频及注入锁定技术。Q调制、锁模、增益开关及腔倒空等技术获得窄脉冲高峰值功率的激光束7.l模式选择理想激光器的输出光束应只具有—个模式，然而若不采取选模措施，多数激光器的工作状态往往是多模的。含有高阶横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角较大。含有多纵模及多横模的激光束单色性及相干性差。激光准直、激光加工、非线性光学研究、激光中远程测距等应用均需基横模激光束。而在精密干涉计量、光通信及大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的，同时要求光束仅含有一个纵模。一、横模选择谐振腔中不同横模具有不同的损耗

2、是横模选择的物理基础。在稳定腔中，基模的衍射损耗最低，随着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。激光器以TEM00模单模运转的充分条件是：TEM00模的单程增益至少应能补偿它在腔内的单程损耗在各个横模的增益大体相同的条件下，衍射损耗的差别是进行横模选择的根据。必须尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比。同时还应使衍射损耗在总损耗中占有足够的比例。衍射损耗的大小及模鉴别力的高低与谐振腔的腔型和菲涅耳数有关。衍射损耗随菲涅耳数的增大而减小，模鉴别力却随之提高。当N不太小时共焦腔和半共焦腔的衍射损耗很低，与其他损耗相比，往往可以忽略，因而无法利用它的模鉴别力高的优点实现选模。此外，共焦腔及半共焦

3、腔基模体积甚小，因而其单模振荡功率也低。平面腔与共心腔虽然模式鉴别力低。但由于衍射损耗的绝对值较大，反而容易利用模式间的损耗差实现横模选择。而且它们的模体积较大，可获得高功率单模振荡。图对称稳定腔的两个低次模的单程损耗比图平凹稳定腔的两个低次模的单程损耗比1．小孔光阑选模在谐振腔内设置小孔光阑或限制工作物质横截面积可降低谐振腔的费涅耳数，增加衍射损耗，从而使激光器实现基横模运行。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，为了扩大基横模体积充分利用激光工作物质，常采用聚焦光光阑法选模。图小孔光阑选模图聚焦光阑选模3.非稳腔选模非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗

4、有很大差异。利用非稳腔可在高增益激光器中选择横模。2．谐振腔参数g、N选择法适当选择谐振腔的类型和腔参数g,N值，使谐振腔的衍射损耗满足激光器单基横模输出。4．微调谐振腔对于平面腔，当腔镜倾斜时基模损耗增加最显著，腔的偏调有利于高阶模的优先振荡。对于稳定腔，由于基模体积最小而高阶模的体积较大，当腔镜发生倾斜时，高阶横模损耗显著增大，基模受到的影响较小，因而仍可继续维持振荡。这样，适当将腔镜倾斜就可以抑制高阶横模。在激光工作物质中，往往存在多对激光振荡能级，可以利用窄带介质膜反射镜、光栅或棱镜等组成色散腔获得特定波长跃迁的振荡。二、纵模选择一般谐振腔中不同纵模有相同的损耗．但由于频率的

5、差异而具有不同的小信号增益系数。因此扩大和充分利用相邻纵横间的增益差，或人为引入损耗差是进行纵模选择的有效途径。1．短腔法缩短谐振腔长度，可增大相邻纵横间隔，以致在荧光谱线有效宽度内，只存在一个纵模，从而实现单纵模振荡。适用于荧光谱线较窄的激光器2．行波腔法在均匀加宽工作物质组成的激光器中，虽然增益饱和过程中的模竞争效应有助于形成单纵模振荡，但由于驻波腔中空间烧孔的存在．当激励足够强时，激光器仍然出现多纵模振荡。若采用环行腔，并在腔内插入一个只允许光单向通过的隔离器，则可形成无空间烧孔的行波腔，从而实现单纵模振荡。图环形行波腔激光器图腔内插入法珀标准具若在腔内插入标准具或构成组合腔．

6、则由于多光束干涉效应，谐振腔具有与频率有关的选择性损耗，损耗小的纵模形成振荡，损耗大的纵模则被抑制。多光束干涉后只有某些特定频率的光能透过标准具在腔内往返传播具有较小的损耗。其他频率的光具有很大的损耗。标准具透射率峰对应的频率为3．选择性损耗法j为正整数，为标准具二镜间介质的折射率，d为标准具长度，为标准具内光线与法线的夹角。透射谱线宽度则可获得单纵模输出。可求出所需标准具长度d及镜面反射率r,若调整角，使vj对准靠近增益曲线中心频率的纵模频率，条件尚可放宽图含法—珀标准具腔选模原理图(a)小信号增益曲线(b)纵模谱(c)法珀具透射率曲线．图福克斯·史密斯干涉仪选模装置图外腔半

7、导体激光器选模装置福克斯—史密斯型复合腔中，由分束镜M和全反射镜射M2和M3组成的福克斯—史密斯干涉仪取代谐振腔的一个反射镜，从而形成选择性反射。频率等于干涉仪反射峰频率的模式因具有最小损耗而起振，其他模式则被抑制。外腔半导体激光器中，激光二极管(LD)的两个解理面M1、M2和外反射镜M3组成复合腔，适当选择反射率并调节M3的位置可选出单长腔模。5.2频率稳定激光的特点之一是单色性好，即其线宽与频率的比值很小。自发辐射噪声引起的激光线宽极限确实很小，但由于