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第五章 模式选择技术 Mode-Selection Techniques 5.1 概述 选模的目的： 1、减少激光的模式数 2、改善激光的方向性 3、提高单色性。 5.1 概述 激光器的模式： 模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态-模式。 （本征态是指聚合物未经任何物质掺杂） 量子理论：可能区分的光子态。 量子电动理论：电磁场的可能区分的量子态。 腔内：纵模和横模 5.1 概述 横模： 在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态 改善激光的方向性 5.1 概述 纵模： 沿谐振腔轴线方向上的激光广场（电磁场）分布。 改善激光的单色性。 横模 横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向z的横向x-y面内存在的稳定场分布 激光的模式表示：TEMmn TEM：横向电磁场; m、n：横模的序数 m=n=0的模式（TEM00）称为基模，光斑最简单的结构 不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同 基横模 为什么要选出基横模？ 基横模特点：1、光强是高斯形 2、发散角最小 随着横模序数的增加： 1、光场的范围加大 2、分布不均匀 3、发散角越来越大。 为什么要选出基横模 一般激光器中有很多模式振荡，实际的光场分布是复合模。 为了改善激光的方向性，必须选出基横模。 改善激光方向性、提高单色性 为什么要改善激光方向性、提高单色性？ 从实际应用需求来看： 1、激光打孔 2、激光全息 横模的形成 横模的选择 基本原理： 不同横模的衍射损耗不同 腔的总损耗：δ=δd+δi 激光振荡的条件是 Gδ（单程增益大于单程损耗） 横模的选择 要选出基横模而使其他高阶模不能振荡 两条原则： ① 高阶模与基横模的衍射损耗之比要大， δ10/δ00大,即增大横模间的衍射损耗差别。（ δ10要大） ② 衍射损耗与总损耗之比δd/δ要大，即总损耗主要由衍射损耗决定。 影响衍射损耗的因素 衍射损耗的大小是选横模的关键，衍射损耗与哪些因素有关？ (1) 与腔型，即g参数有关， 不同腔型，衍射损耗不同； g=1-L/R a、稳定腔 b、准稳腔 c、非稳腔 ? ? ? ? ?? 影响衍射损耗的因素 (2) 与模序数有关，同一腔型不同横模，衍射损耗不同 TEM00模δ00最小，随着模序数增加，δd增大 影响衍射损耗的因素 (3) 与菲涅耳数（ N=a2/(?L)）有关，同一腔型不同N，衍射损耗不同 影响衍射损耗的因素 1、g、N一定时δ10δ00 2、N一定时，g δ00 δ10 3、g一定时，N δ00 δ10 横模的选择理论 不同对称腔的δ10/δ00值与N的关系 横模的选择理论 横模的选择方法 1.谐振腔参数g 和Ｎ的选择法 2.小孔光阑法选模 3.腔内插入透镜选横模 4、非稳腔的选模 谐振腔参数g 和Ｎ的选择法 小孔光阑法选模 在谐振腔中加一小孔光栏 原理 方法 腔内插入透镜选横模 聚焦光栏法： 透镜+小孔光栏 原理 腔内插入透镜选横模 改进： 正+负透镜=望远镜 非稳腔的选模 什么是非稳腔？ 特点 二 纵模选择方法 图5.3-1所示是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。 （2）福克斯-史密斯(Fox-Smith)干涉仪复合腔 5.4 模式测量方法 一 、直接观测法 二、光点扫描法 小结 THE END ! THANKS ! 一 纵模选择原理 （1）实现单纵模选择的过程：