激光原理与激光技术完整第七章.ppt

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1、第七章模式选择与测量概述：激光的许多应用领域要求激光束具有好的光束质量。光束质量：方向性（横模），单色性（纵模）横模：激光束横截面内激光光场的分布。方形镜稳定球面腔横模示意图圆形镜稳定球面腔横模示意图实际中的激光器如不采取特殊措施，往往有多个横模及多个纵模同时在腔内振荡，导致光束质量差。为了提高光束质量，就要采用横模及纵模选择技术，从众多的模式中选出模和单纵模。纵模：沿谐振腔轴线上的激光光场分布。单横模，单纵模激光具有极好的相干性和单色性。基模的发散角最小，径向强度分布均匀。§7.1横模选择技术一、横模选择原理

2、一台激光器的谐振腔中可能有若干个稳定的振荡模，考虑由两个反射镜构成的谐振腔，反射率分别为：，单程损耗，单程增益系数，工作物质长，初始光强在腔内往返一周后，光强度变为：如果满足下式：由阈值条件：现考虑最低阶次的两个横模，单程损耗分别为则激光器可实现单横()运转横模选择的物理基础是：利用谐振腔对不同阶横模具有不同衍射损耗的性能。（基模的衍射损耗最低，随着横模阶次的增高，衍射损耗增加）。从而通过设计谐振腔，使上式满足，实现选模。（1）衍射损耗在模的总损耗中占有重要地位，大小与其它非选择性损耗相比拟（如腔内各元件的吸收

3、、散射）。两条措施：①尽量减小腔内各元件的吸收、散射；②减小腔的菲涅尔数N。（2）横模选择除了要考虑各横模衍射损耗绝对值大小，还要考虑横模鉴别力（高阶横模与基模的衍射损耗比大则利于选模）。利用计算机数值求解，可画出随着腔的菲涅尔数的变化曲线（在不同的腔构型下，值）。变化趋势：随着N的增大而增大，对于相同的N值，随着的增大而减小。为了有效选择横模，要考虑到两个问题：二、横模选择的方法两类：1.改变谐振腔的结构（气体激光器常用这类方法）和参数以获得各模衍射损耗的较大差别；2.在一定的谐振腔内插入附加的选模元件。（固

4、体激光器）1.谐振腔参数g和N的选择法大的衍射损耗大的从选基模的角度，希望选择较小的g和N值，但是N值太小，模体积小，输出功率低。因此，为了既能获得基模振荡，又能有较高的输出功率，应适当增大N值，这时，衍射损耗的绝对值降低，为了增大衍射损耗，就需要选择值，使腔处于稳定区边缘，即临界工作状态，（）当谐振腔由稳区向非稳区过渡时，各阶模的衍射损耗迅速增加，基模增加慢，高阶模增加快，当工作点移到某个位置时，所有高阶模受到高的衍射损耗被抑制掉，最后只剩下基模运转。实际中对于常用的大曲率半径的双凹球面稳定腔来说，N通常取0

5、.5—2之间，这时模（腔长为1m量级）的损耗约为2%，在此基础上增大值，使得模的损耗大于增益，抑制模。2.小孔光阑法选模特点：结构简单，调整方便。缺点：受小孔限制，腔内基模体积小，导致输出功率小。在腔内插入合适尺寸的小孔光阑，可使高阶横模被遮挡掉一部分，降低谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗，而基模顺利通过，从而抑制高阶横模振荡。3.腔内插入透镜选模之所以要把光斑聚焦到很小才加光阑，使因为这样的话对高阶横模的损耗会增大，而对基模影响不大。特点：既保留了小孔光阑的选模特性，又扩大了基模体积，增加了激光输出功率。4.非

6、稳腔选模特点：1.非稳腔具有较大的模体积2.非稳腔容易实现基模振荡(不同模式间的损耗差异大)。一、纵模选择原理我们知道，激光器的振荡频率范围由工作物质的增益曲线宽度决定，如果以表示增益曲线高于阈值部分的宽度，相邻纵模的频率间隔为，则激光器内可能同时振荡的纵模数为（假设单横模）：§7.2纵模选择技术（一系列分立等间隔）如果激光工作物质有多条激光谱线，首先用频率粗选法抑制不需要的谱线；其次用横模选择法选出模（使频谱结构较简单），最后再进行纵模选择。纵模选择的基本思想：控制各纵模的增益与损耗的相对大小，使其中只有一个

7、纵模满足振荡的条件，从而实现单纵模的运转。对于同一横模的不同纵模损耗相同，但增益不同。因此在腔内引入一定的选择性损耗，使欲选择的纵模损耗最小，而其余纵模的附加损耗加大，在激光形成的过程中，通过多纵模间的模竞争机制，最终形成振荡的是增益最大（损耗最小）的单纵模。由衍射理论知，不同的横模（）具有不同的谐振频率（相同的纵模而言）。这样当多个横模振荡时，振荡频谱结构就越复杂；当腔内只有单横模振荡时频谱结构才较简单。1.色散腔粗选频率如果激光工作物质具有多条发射不同波长的激光谱线，如He-Ne激光器可发射632.8nm，

8、1.15um，3.39um三条谱线，那么，在纵模选择之前，必须将频率进行粗选，抑制不需要的频率。通常是利用腔镜反射膜的光谱特性，或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将不同波长的光束在空间分离，使我们需要的较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡，其它波长的光不被反馈而被抑制掉。二、纵模选择的方法设入射出射角相等棱镜色散腔腔长波长所允许的最小分离范围：利用玻璃材料制成的棱镜和可见光波段来说，设d