第五章模式选择技术5.1概述.ppt

激光技术之-模式选择 刘雁 三峡大学理学院 2012年 提 要 基横模的选择 单纵模的选择 7.1 概 述 要求激光方向性或单色性很好。要求对激光谐振腔的模式进行选择。模式选择技术可分为两大类: 一类是横模选择技术; 另一类是纵模选择技术。 从激光原理可知, 所谓横模, 就是指在谐振腔的横截面内激光光场的分布。如图所示的是几个低级横模的光场强度分布照片。横模阶数越高, 光强分布就越复杂且分布范围越大, 因而其光束发散角越大。 7.2 横模选择技术 由激光原理可知，一台激光器的谐振腔中可能有若干个稳定的振荡模，只要某一种模的单程增益大于其单程损耗，即满足激光振荡条件，该模式就有可能被激发而起振。设谐振腔两端反射镜的反射率分别为r1、r2，单程损耗为δ，单程增益系数为G，激光工作物质长度为L，则初始光强为 I0的某个横模(TEMmn)的光在谐振腔内经过一次往返后，由于增益和损耗两种因素的影响，其光强变为: 其二，横模选择除了考虑各横模衍射损耗的绝对值大小之外，还应考虑横模的鉴别能力，即基模与较高横模的衍射损耗的差别必须足够大(即δ10／δ00比值大)，才能有效地把两个模区分开来，以易于实现选模。 图5.2-4　在不同Ｎ值时，模衍射损耗|g|的关系 由图可见，随着| g |值趋于是1，TEM01模的单程衍射损耗增加的速率比TEM00模要快得多。常常采用一个腔镜为平面镜, 另一腔镜为球面镜的稳定腔，通过使反射镜间距L逐渐趋于R来选模, 这类谐振腔的模衍射损耗差与L的关系,也可以由图5. 2- 4得出。反射镜的微小失调使通光孔径有所减小，将会使腔内光束损耗大大增加, 引起输出功率下降，甚至发生不振荡的现象。 固然, 采用不同的腔型和参数g、N，可以选出基模，然而基模的输出功率(或能量)却会因腔型的不同和g、N参数的不同而不同, 因为基模 通常是利用腔镜反射膜的光谱特性(只对某个波段反射率大)或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间分离，然后设法，仅使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡。 (注: n0=1) (5.3-1)’ 图5.3-1所示的是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。谐振腔所能选择振荡的最小波长范围由棱镜的角色散和腔内振荡光束的发散角决定。 A c c T B C D O 图 5.3-1 棱镜色散粗选装置 法线 法线 α1 = α2 = α φ 因 2c+T=1800, 又 β+T=1800 所以 c= β/2 由四边形ABCD知 T+2 α+(180- Φ)=360 由四边形ABCO知 β+T=1800 上两式联立得: α= (Φ + β)/2,所以 (由折射定律，见上面公式） (5.3-1) 设光线进入棱镜的入射角α1与光线离开棱镜的出射角α2相等，即α1 =α2= α 。根据物理光学折射定理，有 (设折射角为c): (注: n0=1) 式中,α为入射角,n为析射率；β为棱镜的顶角；Φ为偏向角。定义棱镜的角色散率为 ，即波长每变化0.1nm时偏向角的变化量。将(5.3-1)式求导后代入，得 (5.3-3) 式中，dn/dλ表示不同材料的析射率对波长变化的导数。设腔内之光束所允许的发散角为θ，则由于色散棱镜的分光作用，腔内激光波长所能允许的最小波长分离范围为 (5.3-2) 色散率的倒数为单位偏向角波长的变化量 例如：用玻璃材料制成的棱镜和可见光波段来说，在θ≈1mrad时，能达到的Δλ ≈1nm。这种棱镜色散法对一些激光器进行选择振荡是十分有效的。如氩离子激光器两条强工作谱线488nm和514.5nm就可采用此种色散进行选择。 另一种色散腔是用一个反射光栅代替谐振腔的一个反射镜，如图5.3-2所示。 式中，m＝1,2……为衍射级次。 设d为光栅栅距(光栅常数)，α1为光线在光栅上的入射角，α2为光线在光栅上的反射角，则形成光栅衍射主极大值的条件是 (5.3-4) 　　激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽Δν0和谐振腔的纵模间隔Δνq决定。而纵模间隔　　 　 与腔长成反比，因此选择单纵模的方法之一是缩短谐振腔的长度Ｌ, 以增大Δνq，使得在Δν0范围内只存在一个纵模，而其余的纵模都位于Δν0之外，如图5.3-