最新激光原理第4章 激光的基本技术教学讲义ppt.ppt

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1、激光原理第4章激光的基本技术第4章激光的基本技术4.1激光输出的选模4.2激光器的稳频4.3激光束的变换4.4激光调制技术4.5激光偏转技术4.6激光调Q技术4.7激光锁模技术4.1激光器输出的选模一激光单纵模的选取激光器的选模技术对激光纵模的选取（选频技术）提高激光的相干性对激光横模的选取（选模技术）提高激光的亮度和均匀性不再增加下降至零继续增加达到稳定值继续增加均匀加宽激光器具有自选模作用增益曲线降低到曲线3时：增益曲线继续下降：增益曲线降低到曲线2时：所以最终只有靠近中心频率的优势模可以维持振荡空间

2、竞争在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较大时，也可能有比较弱的其他纵模出现，如何解释？这种现象称为模的“空间竞争”。当腔内形成纵模为q的强光振荡时，此时腔内形成一个驻波场，腔内各点光强不均匀，增益也不相同，只是平均增益等于G阈，而在波节处增益比较高。因为其他纵模的波节和波腹与q纵模不重合，所以这些纵模在波节处得到较高的增益，形成较q纵模弱的振荡。2非均匀增宽型谱线的多纵模振荡在非均匀加宽激光器中，如果有多个纵模满足振荡条件，由于某一纵模光腔的增加只会消耗对应的激活粒子，不会使增益曲线整体下降，只会在增益

3、曲线上形成烧孔，所以只要纵模间间隔足够大，各纵模基本上互不相关，所有小信号增益系数大于振荡阈值增益的纵模都能够稳定振荡。当然，如果两个纵模的烧孔重合，或者由于间隔过小而部分重合，则也同样会产生竞争现象。3.单纵模的选取要提高光束的单色性和相干长度，就需要使激光器工作在单一频率下。常用的选频方法：（1）短腔法：使纵模间隔大于增益曲线阈值以上所对应的宽度，即缩短腔长。缺点：腔长缩短，使得增益长度减少，常常得不到足够的输出功率，因此，这种方法常用在对激光输出功率要求不高的场合。q=c/2L如图所示，在外腔

4、激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里－波罗标准具。它是用透射率很高的材料制成，两个端面平行且镀有高反射率的反射膜，其对于满足的光具有极高的透射率。这时的产生的激光频率不仅要符合谐振条件，还要对标准具有最大的透射率。（2）法布里-珀罗标准具法能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为而谐振腔的纵模频率间隔为使m远大于纵，从而使得在整个谱线宽度内只有一个m具有最大透率。如果我们再适当地调整角，就可以使得具有最大透射率的m正好等于激光器的多个纵模中的某个纵模q所对应的频率q、这样就使得只有

5、纵模q对标准具有较高的透射率而形成振荡。如图所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当投射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其腔长为L1+L2；另一个由M3、M4组成，其腔长为L2+L3。如果L2、L3较短，就形成了一个短谐振腔和一个长谐振腔的耦合。（3）三反射镜法：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：只有同时满足以上两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要选取L2+L3足够

6、小，就可以获得单纵模输出。二、激光单横模的选取1衍射损耗与菲涅耳数如图所示，设有一个腔长为L，反射镜直径为2a的激光器，腔内传播的是一高斯光束，该光束在镜面处的场强分布可以写为：由于光强的分布正比于场强的平方，故镜面处的光强分布为:从上式看出光强I的分布一直弥散到，但是由于反射镜尺寸的限制，处的光能量将落到镜面外而逸出腔体，这将引起能量的损耗，这种由于衍射效应使光束向边缘处弥散而形成的光能量的损耗称为“衍射损耗”。设射向镜面的总光功率为I，落在处因而损耗了的光功率为I’，则我们定义谐振腔的单程衍射损耗为下

7、面以共焦腔为例，估算一下单程衍射损耗，先计算I和I’：反射镜半径a越大，则衍射损耗越小。镜面光斑尺寸越小，则衍射损耗也越小。引入一个在衍射理论中经常用到的参量——菲涅耳数。由共焦腔基横模的镜面光斑尺寸对于共焦腔的基横模来说，衍射损耗只与菲涅耳数N有关，N越大则衍射损耗越小。菲涅耳数是表征谐振腔衍射损耗的一个特征参数。2衍射损耗曲线图画出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的曲线，1．N越大则越小；2．在同样的N下，横模序数越高则越大；3.在同样的N和同样的横模序数下，共焦腔的比平行平面腔的小得多，这是由于凹面

8、镜的会聚作用使光能更集中于中心处的缘故。衍射损耗曲线图中画出了对称腔TEM00模的单程衍射损耗随菲涅耳数的变化。在相同的N下，越接近于共焦腔(g＝0)衍射损耗越小。3.高阶横模的抑制抑制高阶横模需要两方面的条件：一方面是要求基横模光束的衍射损耗小，使得基横模不仅满足振荡的阈值条件，而且有较大的功率输出；另一方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大。下面介绍两种常用的抑制高阶横模的方法。（1）光阑法选取单横模：高阶横模的光束截面比基横