激光的选模技术精要.ppt

* 第4章 激光的基本技术 主要内容 选模技术 稳频技术 调Q技术 锁模技术 光束变换技术 调制技术 偏转技术 * 直接对激光器谐振腔输出特性产生作用 作用于谐振腔外 * 2.1 激光器输出的选模 2.1 激光器输出的选模 激光的优点：具有良好的单色性、方向性和相干性； 一般激光输出是多模的，有些情况需要单模输出； 含有高阶横模的激光束光强分布不均匀，发散角大； 含有多纵模及多横模的激光器单色性和相干性差； 在激光准直、激光加工、非线性光学激光远程测距等应用中需要基横模激光束； 在精密干涉测量、光通讯以及大面积全息照相等应用中需要单横模和单纵模激光束。 * 2.1 激光器输出的选模 激光器输出的选模技术：激光器选频技术 目的：获得单模、单频的激光输出 选模技术： 激光纵模的选取（选频）：提高相干性 激光横模的选取（选模）：输出光强均匀性 * * 2.1.1 激光单纵模的选取（选频） 1、均匀增宽型谱线的纵模竞争 (1) 当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。 (2) 多纵模的情况下，设有q-1，q， q+1三个纵模满足振荡条件。随着 腔内光强逐步增强，q-1和q+1模都 被抑制掉，只有q模的光强继续增 长，最后变为曲线3的情形。 图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争 * (3)若此时的光强为Iq，则有 ，振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模的振荡。这种现象叫做“纵模的竞争”，竞争的结果是最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来。 (4)在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较强时，也可能有比较弱的其他纵模出现，这种现象称为 模的“空间竞争”。 图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争 * 2、非均匀增宽型谱线的多纵模振荡 非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 单纵模的选取 (1) 短腔法： 两相邻纵模间的频率差 ，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使 的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度 缺点：腔长受到限制，从而限制输出功率；当谱线荧光宽度很宽时，势必使腔长缩到很短。 * （2）用法布里－波罗标准具选纵模 在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，可以进行纵模的选取。 图(4-2) 法布里-珀罗标准具法示意图 * 法布里－波罗标准具用透射率很高地材料制成，两个端面平行且镀有高反射率地反射膜。由于多光束干涉的结果，只允许若干个很窄的频率带宽的光通过，其透过光的频率为 获得最大透射率的两相邻频率间隔 适当的调整 角，就可以达到选频的目的 * （3）三反射镜法选纵模 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是具有适当透射率的部分透射部分反射镜 图4-3 三反射镜法 * 这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。 两个谐振腔的纵模频率间隔分别为： c/2?(L1+L2)和c/2?(L2+L3) 只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要L2+L3足够小就可以获得单纵模输出。 * 2.1.2 激光单横模的选取（选模） 所谓横模的选择，就是从谐振腔可能产生的许多模式中，选出基模，而其他的模式被抑制，不能产生震荡； 在稳定腔中，基模衍射损耗小，随着横模阶次的增高，衍射损耗迅速增加，谐振腔中不同的横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础； 为了提高模式的鉴别能力，应该尽量增大高阶模式和基模的衍射损耗比。 * 图4-4 腔的衍射损耗 1、衍射损耗和菲涅耳数 (1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。 (2) 如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的基横模高斯光束光强分布可以表示为 * 图4-4 腔的衍射损耗 (3) 单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率??与射向镜面的总光功率?之比 (4) 分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的参量，它定义为 * 2、衍射损耗曲线 高阶模衍射损耗与菲涅耳数N的关系一般是比较复杂的，往往写不出解析的表达式而需要用计算机进行数字计算。因此，通常都是将计数结果画成曲线，这就是所谓的衍射损耗曲线 图示为圆截面共焦腔 和圆截面平行平面腔 的 曲线 图4-5 不同腔的衍射损耗曲线 * 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