纵模选择技术.doc

《纵模选择技术.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、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H,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Av,腔所允许的相邻两振荡纵模的频率间隔为Sv,则实际起振的纵模数□为Av/5Vo由此可见，减少

2、振荡纵模数(即选纵模)可通过两条途径來实现：一是设法斥缩激光器的增益带宽Z、二是设法增人相邻两振荡纵模之间的频率间隔Svo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.l-lnm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6山方式通过棱镜(即光路对称)，由于n=sin[(6m+a)/2]/sina/2(20-10)棱镜的角色散率定义为：DX=d5m/d入

3、(20-11)将式(20—10)求导后则有：DA=d5m/dn•dn/dX=2sina/2/(l~n2sina/2)1/2•dn/d入(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:DX=2siniB/(n2(l-sin2iB))1/2•dn/d入(20-14)设腔内振荡光束的发散角为()，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：AXmin=l/D入•8AXmin=(n2(l-sin2iB))l/2/2siniB•dn/dX•0若取=lmrad(毫弧度)贝ij△min^ln

4、mo(20-15)(20-16)氮离子激光器的488nm和514.5nm谱线可用此法将它们分开。②光栅色散腔。这种色散腔用一反射光栅来代替谐振腔的一个反射镜。由光栅方程：s(sinal+sina2)=K入式中d为光栅常数,al为入射角,82为反射角，K=0、1、2、3・・主极大的级数。光栅角色散率(20-17)，•…为干涉D=da2/d入=K/dcosa2=d(sinal+sina2)/入dcosa2=sinal+sina2/入cosa2Sal=a2=a0(光栅闪耀角)时:(20-18)D=2tga0/X(20-19)激光腔内允许的光束发散角为()，由由于光栅色散血允许的振荡谱线宽度应为：AX

5、=e/D=X/2tga0•0(20-20)如80=30。、0=lmrad,在可见光波段可算出△入约为零点几纳米(nm)°由此可见，其色散选择能力比棱镜更高，而口不存在光束的透过损耗。可适用于较宽广的光谱区域内的多种激光器选模。色散腔法虽能从较宽范围的谱线屮选出较窄的振荡谱线，但在该谱线的荧光线宽范围内还存在着间隔为△v=c/2nL的一系列分立的振荡频率一多纵模。因此色散腔法还只是粗选，为进一步选择单纵模，尚需采用其它方法。(2)短腔法。对于定的谐振腔，凡是落在荧光线宽范围内，口增益都处于阈值水平线以上的驻波振荡，均能形成激光振荡，此即多纵模工作状态。相邻两纵模间隔为:Avq=c/2nL(20-

6、21)由式(20—21)可知，纵模频率间隔Avq是与谱振腔腔长成反比的，为了在激光增益曲线屮获得单一频率振荡，可设法增人纵模频率间隔，使其在荧光谱线有效宽度范围内，只存在一个纵模振荡。因此可通过缩小腔长L來实现，此即所谓短腔法选纵模原理。此法简单、实用，可广泛应用于各种激光器，尤其是小功率气体激光器。如He-Ne激光器荧光谱线有效宽度Avg-1500MHz(相当AX=0.005nm左右)，当L=lm时,AXq=c/2nL=3X108m/s/2XlXlm=150MHz即该激光器可能有1500MHz/150MIIz等于10个纵模同时振荡。若该激光器的腔长缩短到10cm,则Av二1500MHz,此吋

7、就只有一个纵模能振荡。短腔法只适用荧光线宽较窄的激光器，否则会因腔长过短而无法使用。此外还应指出，由于腔长的缩短，使激光输出功率明显下降，故此方法不适用于大功率输出的激光器。(3)法布里一珀罗标准具法。为了克服短腔法的缺点而获得较大功率输出的单纵模振荡，通常在谐振腔屮插入一法布里一珀罗标准具来进行纵模的选择。法一珀标准具相卅一块滤光片，它对于不同波长(或频率)的光按下式具有不同的透过率：T(X)=