1、第五章,模式選擇技術(shù) Mode-Selection Techniques,1）概述 2）橫模選擇技術(shù) 3）縱模選擇技術(shù) 4）模式測量方法,主要內(nèi)容,5.1 概述,5.3 縱模選擇技術(shù),5.4 模式測量,5.2 橫模選擇技術(shù),5.1 概述,選模的目的： 1、減少激光的模式數(shù) 2、改善激光的方向性 3、提高單色性。,5.1 概述,激光器的模式： 模式：在腔內(nèi)可能存在的穩(wěn)定光場的本征態(tài)-模式。 （本征態(tài)是指聚合物未經(jīng)任何物質(zhì)摻雜） 量子理論：可能區(qū)分的光子態(tài)。 量子電動理論：電磁場的可能區(qū)分的量子態(tài)。 腔內(nèi)：縱模和橫模,5.1 概述,橫模： 在腔中垂直腔軸方向的電磁場的本征態(tài) 改善激光的方向性,5.

2、1 概述,縱模： 沿諧振腔軸線方向上的激光廣場（電磁場）分布。 改善激光的單色性。,橫模,橫模：腔內(nèi)電磁場在垂直于其傳播方向z的橫向x-y面內(nèi)存在的穩(wěn)定場分布 激光的模式表示：TEMmn TEM：橫向電磁場; m、n：橫模的序數(shù) m=n=0的模式（TEM00）稱為基模，光斑最簡單的結(jié)構(gòu) 不同的橫模，光場分布不同，光束的發(fā)散角不同,基橫模,為什么要選出基橫模？ 基橫模特點(diǎn)：1、光強(qiáng)是高斯形 2、發(fā)散角最小 隨著橫模序數(shù)的增加： 1、光場的范圍加大 2、分布不均勻 3、發(fā)散角越來越大。,為什么要選出基橫模,一般激光器中有很多模式振蕩，實(shí)際的光場分布是復(fù)合模。 為了改善激光的方向性，必須選出基橫模。

3、,不同橫模的光場強(qiáng)度分布,改善激光方向性、提高單色性,為什么要改善激光方向性、提高單色性？ 從實(shí)際應(yīng)用需求來看： 1、激光打孔 2、激光全息,橫模的形成,橫模的選擇,基本原理： 不同橫模的衍射損耗不同 腔的總損耗：=d+i 激光振蕩的條件是 G（單程增益大于單程損耗）,橫模的選擇,要選出基橫模而使其他高階模不能振蕩 兩條原則： 高階模與基橫模的衍射損耗之比要大， 10/00大,即增大橫模間的衍射損耗差別。（ 10要大） 衍射損耗與總損耗之比d/要大，即總損耗主要由衍射損耗決定。,影響衍射損耗的因素,衍射損耗的大小是選橫模的關(guān)鍵，衍射損耗與哪些因素有關(guān)？ (1) 與腔型，即g參數(shù)有關(guān)， 不同腔型

4、，衍射損耗不同； g=1-L/R a、穩(wěn)定腔 b、準(zhǔn)穩(wěn)腔 c、非穩(wěn)腔 ,影響衍射損耗的因素,(2) 與模序數(shù)有關(guān)，同一腔型不同橫模，衍射損耗不同 TEM00模00最小，隨著模序數(shù)增加，d增大,影響衍射損耗的因素,(3) 與菲涅耳數(shù)（ N=a2/(L)）有關(guān)，同一腔型不同N，衍射損耗不同,影響衍射損耗的因素,1、g、N一定時(shí)1000 2、N一定時(shí)，g 00 10 3、g一定時(shí)，N 00 10,橫模的選擇理論,不同對稱腔的10/00值與N的關(guān)系,橫模的選擇理論,橫模的選擇方法,1.諧振腔參數(shù)g 和的選擇法 2.小孔光闌法選模 3.腔內(nèi)插入透鏡選橫模 4、非穩(wěn)腔的選模,諧振腔參數(shù)g 和的選擇法,小孔

5、光闌法選模,在諧振腔中加一小孔光欄 原理 方法,腔內(nèi)插入透鏡選橫模,聚焦光欄法： 透鏡+小孔光欄 原理,腔內(nèi)插入透鏡選橫模,改進(jìn)： 正+負(fù)透鏡=望遠(yuǎn)鏡,非穩(wěn)腔的選模,什么是非穩(wěn)腔？ 特點(diǎn),5.3 縱模選擇技術(shù),一 縱模選擇原理 二 縱模選擇方法,一 縱模選擇原理,（1）實(shí)現(xiàn)單縱模選擇的過程： 減少熒光譜線 選出基模 縱模選擇,振蕩的縱模數(shù)：,（2）縱模選擇的基本思想,二 縱模選擇方法,特點(diǎn)：只能選出具有一定寬度的譜線， 不能選出單一 的頻率。,1 色散腔粗選頻率,方法: 利用腔鏡反射膜的光譜特性或在腔內(nèi)插入棱鏡或光柵等色散元件，不同波長的光束在空間分離，然后設(shè)法僅使較窄波長區(qū)域內(nèi)的光束在腔內(nèi)形

6、成振蕩。,圖5.3-1所示是腔內(nèi)插入色散棱鏡的粗選裝置圖。,設(shè)腔內(nèi)之光束所允許的發(fā)散角為，則由于色散棱鏡的分光作用，腔內(nèi)激光波長所能允許的最小波長分離范圍為,另一種色散腔是用一個(gè)反射光柵代替諧振腔的一個(gè)反 射鏡，如下圖所示：,設(shè)腔內(nèi)之光束所允許的發(fā)散角為，則光柵色散所能允許的最小分離波長范圍是：,2tan0,2 F-P標(biāo)準(zhǔn)具法,（1） F-P標(biāo)準(zhǔn)具的原理,F-P對不同波長的光束具有不同的透過率：,相鄰兩透過率極大值的間隔（自由光譜區(qū)）為：,除最大透過率外， 其他頻率處的透過率與R有關(guān)透過率曲線,特點(diǎn)：,R越大， 峰越細(xì)銳,透射峰頻率間隔相等,（2）選模,上圖所示為F-P標(biāo)準(zhǔn)具法選縱模,優(yōu)點(diǎn)：

7、在于標(biāo)準(zhǔn)具平行平面板間的厚度可以做得很薄，由于腔長沒有縮短，輸出功率仍可很大。,固體激光器增益線寬較寬， L大使縱模間隔小，精細(xì)度受工藝限制，需用雙標(biāo)準(zhǔn)器選模。,氣體激光器增益線寬較窄，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具即可；,3 復(fù)合腔法,原理： 用一個(gè)反射干涉儀系統(tǒng)取代諧振腔中的一個(gè)反射鏡，則其組合反射率是光波長(頻率)的函數(shù)。 特點(diǎn)： 組合反射率R隨頻率做周期性變化，在某些特定頻率處R具有極大值。極大值之間的頻率間隔是可以通過調(diào)整復(fù)合腔長來改變的。,（1）邁克耳孫干涉儀式復(fù)合腔,復(fù)合腔的頻率間隔為：,適當(dāng)選擇l1及l(fā)2，可以使復(fù)合腔的頻率間隔足夠 大，即兩相鄰縱模間隔足夠大，與增益線寬相比擬時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)

8、轉(zhuǎn)。,（2）?？怂?史密斯(Fox-Smith)干涉儀復(fù)合腔,復(fù)合腔的兩相鄰的頻率間隔為：,選擇適當(dāng)?shù)膌1及l(fā)2，使 與增益線寬相比擬時(shí)，即可獲得單縱模輸出。,5.4 模式測量方法,一 直接觀測法 二 光點(diǎn)掃描法 三 掃描干涉儀法 四 F-P照相法,一 、直接觀測法,不同的橫模光場分布不同。 對于連續(xù)的可見光波段的中、小功率激光器，這種方法比較適用；中等功率的激光采用燒蝕法觀測。 中小功率的紅外激光器，還可用變像管或CCD攝像機(jī)觀測橫模。,變像管結(jié)構(gòu)示意圖,二、光點(diǎn)掃描法,利用光點(diǎn)掃描記錄出光強(qiáng)分布曲線，從曲線上找出對應(yīng)的橫模。 適用于連續(xù)激光器的橫模測量。,圖所示為光點(diǎn)掃描法裝備,某些模的光

9、強(qiáng)分布和對應(yīng)的模式圖樣,掃描干涉儀主要由一個(gè)無源腔構(gòu)成， 腔的諧振頻率：,下圖為掃描干涉儀測橫模原理圖：,三、掃描干涉儀法,四、F-P照相法,F-P照相法來觀測脈沖激光。,F-P照相法原理圖,F-P標(biāo)準(zhǔn)具的透過率為：,投射最強(qiáng)時(shí)：T()=1,2nd cos=m m=0,1,2,.,滿足上式的是同心圓環(huán)亮紋。若激光束的譜寬為，則 有一寬度 -圓環(huán)寬度。,若待測光只有一個(gè)頻率， 則產(chǎn)生圓環(huán)清晰。 如二個(gè)模式， 由于不同角不同， 條紋不重合。,根據(jù)干涉條紋的套數(shù)來判定激光的模式。,特點(diǎn)： 不但能測定模式數(shù)， 而且可以測出激光譜寬。 適用于連續(xù)和脈沖的激光器。,小結(jié),一、選模的目的： 減少腔內(nèi)的模式數(shù),橫模： 基橫模方向性最好。 縱模： 單縱模單色性最好,二、橫模選擇技術(shù),1、橫模選擇原理 2、橫模選擇方法：,諧振腔參數(shù)g和N的選擇法 小