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* * 4-2 模式竞争 起振后的激光模式能否形成一个稳定的振荡模式而输出，好要考虑模式竞争的情况。 均匀加宽激光器往往由于模式间的竞争，最后只有靠近中心频率附近的一个模式取胜而形成稳定的振荡，非均匀加宽激光器则因各模式间的竞争不激烈或无竞争，而使得起振的各模式同时形成稳定振荡而存在。对于某些实际应用如精密计量、激光通讯等，需要单色性能极好、频率稳定的激光束。这时，我们希望激光器只以单纵模运转。为达此目的，可选择均匀加宽激光器，也可以尽量减少谐振腔的腔长，使纵模频率间隔 加大。但是，这些方法都具有一定的局限性，例如腔长缩短，势必会影响输出功率。 上节讲到，可以起振的激光纵模既要满足谐振腔几何参数所决定的驻波条件，又要满足由激光工作物质、谐振腔及外界激发作用等因素共同决定的振荡条件。 但起振的纵模有的还不一定能维持下去，这是由于有模式适用的是相同的反转粒子数，它们之间存在着所谓的模式竞争现象。 本节将分别讨论均匀加宽、非均匀加宽介质中模式间的竞争作用。 一、均匀加宽激光器的模式竞争 二、非均匀加宽激光器的模式竞争 一、均匀加宽激光器的模式竞争 如果有多个模式的谐振频率落在均匀加宽工作物质的增益曲线振荡线宽范围内，由于各模式尽管频率不同，但使用的都是相同的反转粒子数密度，因此他们之间的竞争是很激烈的。下画出了这一过程。 说明，均匀加宽激光器中满足阈值条件的纵模在振荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率 附近的纵模取胜，其他模式都被抑制熄灭。 在均匀加宽激光器中，果如激发很强时，除了中心频率附近的模式可形成稳定振荡，也有可能会出现其它较弱的模式，激发越强，出现的振荡模式也就越多。 解释：当频率为νq的强激光振荡时，它在腔内沿轴线方向的光强分布并不是均匀的，而是形成了一个驻波场，波腹处光强最大，波节处光强最小。这样，腔内各点处的增益系数也就不同，波腹处光强大，用去的反转粒子数多，造成增益系数下降的也大。波节处恰好相反，增益系数下降的少。但νq模式的平均增益系数在稳定时仍等于阈值增益系数。我们称这种发转粒子数密度或增益系数在腔内轴线上的具有某种分布的现象为空间烧孔效应。 由于腔轴线方向的空间烧孔效应，不同纵模使用空间不同部分的反转粒子数而同时产生振荡，我们称这一现象为纵模的空间竞争（单纵模输出中要极力避免的）。 实现单纵模输出的方法： 1）设法将纵模在腔内形成的驻波场变为行波场，是光强沿轴线方向均匀分布，以消除空间模竞争。例如用环形腔代替一般的谐振腔便可达到此目的； 2）如果激光工作物质中的激活粒子空间转移的速度很快，空间烧孔便无法完成，例如气体激光器中，发光粒子做无规则的热运动，无法形成空间烧孔，也就不存在空间模式竞争的现象。 从前面的分析中可以看出：均匀加宽的高气压气体激光器最容易实现单纵模输出。 固体激光器中的激活粒子都是被束缚在晶格上的，不能消除空间烧孔现象，如果不采取特殊的选模措施，均匀加宽的固体激光器一般也都是多纵模振荡。 在均匀加宽激光器中，除了存在轴向的空间烧孔现象以外，还存在横向的空间烧孔现象。这是由于不同横模其横向光场分布也不同，它们分别使用不同空间的激活粒子。因此，如果激活粒子的空间转移的速度很慢，不能消除横向烧孔效应的话，当激励足够强时，就可能形成多横模振荡。 均匀加宽激光器中模式竞争效应引起的激光器跳模现象 这种现象特别是在内腔式气体激光器刚点燃时很明显 现象; 精细测量输出激光的频率，会发现它随时间不断的起伏，如果4-2-3所示。随时间的延续，光频率逐渐减小，到某一时刻又突然发生跳变，增大到某一数值，然后又重复上述过程。但激光频率始终在谱线中心频率ν0附近变化。 用下图解释跳模现象：