激光原理與激光技術(shù)完整第七章.ppt

1、第七章 模式選擇與測量,概述：激光的許多應(yīng)用領(lǐng)域要求激光束具有好的光束質(zhì)量。 光束質(zhì)量：方向性（橫模），單色性（縱模） 橫模：激光束橫截面內(nèi)激光光場的分布。,方形鏡穩(wěn)定球面腔橫模示意圖,圓形鏡穩(wěn)定球面腔橫模示意圖,實際中的激光器如不采取特殊措施，往往有多個橫模及多個縱模同 時在腔內(nèi)振蕩，導(dǎo)致光束質(zhì)量差。為了提高光束質(zhì)量，就要采用橫模及 縱模選擇技術(shù)，從眾多的模式中選出 模和單縱模。,縱模：沿諧振腔軸線上的激光光場分布。 單橫模，單縱模激光具有極好的相干性和單色性。,基模的發(fā)散角最小，徑向強(qiáng)度分布均勻。, 7.1 橫模選擇技術(shù),一、橫模選擇原理,一臺激光器的諧振腔中可能有若干個穩(wěn)定的振蕩模，考慮

2、由兩個反射 鏡構(gòu)成的諧振腔，反射率分別為： ，單程損耗 ，單程增益系數(shù) ，工作物質(zhì)長 ，初始光強(qiáng) 在腔內(nèi)往返一周后，光強(qiáng)度變?yōu)椋?如果滿足下式：,由閾值條件：,現(xiàn)考慮最低階次的兩個橫模 ，單程損耗分別為,則激光器可實現(xiàn)單橫 ( )運(yùn)轉(zhuǎn),橫模選擇的物理基礎(chǔ)是：利用諧振腔對不同階橫模具有不同衍射損耗的 性能。（基模的衍射損耗最低，隨著橫模階次的增高，衍射損耗增加）。從 而通過設(shè)計諧振腔，使上式滿足，實現(xiàn)選模。,二、橫模選擇的方法,兩類：1.改變諧振腔的結(jié)構(gòu)（氣體激光器常用這類方法）和參數(shù)以獲 得各模衍射損耗的較大差別；2.在一定的諧振腔內(nèi)插入附加的選模元件。 （固體激光器）,1.諧振腔參數(shù) g 和

3、 N 的選擇法,從選基模的角度，希望選擇較小的g 和 N 值， 但是N 值太小，模體積 小，輸出功率低。因此，為了既能獲得基模振蕩，又能有較高的輸出功率， 應(yīng)適當(dāng)增大N 值，這時，衍射損耗的絕對值降低，為了增大衍射損耗，就需 要選擇 值，使腔處于穩(wěn)定區(qū)邊緣，即臨界工作狀態(tài)，（ ） 當(dāng)諧振腔由穩(wěn)區(qū)向非穩(wěn)區(qū)過渡時，各階模的衍射損耗迅速增加，基模增加慢， 高階模增加快，當(dāng)工作點移到某個位置時，所有高階模受到高的衍射損耗被 抑制掉，最后只剩下基模運(yùn)轉(zhuǎn)。 實際中對于常用的大曲率半徑的雙凹球面穩(wěn)定腔來說，N 通常取0.52之 間，這時 模（腔長為1m量級）的損耗約為 2% ，在此基礎(chǔ)上增大 值，使得 模的

4、損耗大于增益，抑制 模。,2.小孔光闌法選模,特點：結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便。 缺點：受小孔限制，腔內(nèi)基模體積小，導(dǎo)致輸出功率小。,在腔內(nèi)插入合適尺寸的小孔光闌，可使高階橫模被遮擋掉一部分，降低 諧振腔的菲涅耳數(shù)，增加衍射損耗，而基模順利通過，從而抑制高階橫模振 蕩。,3.腔內(nèi)插入透鏡選模,之所以要把光斑聚焦到很小才加光闌，使因為這樣的話對高階橫模的損 耗會增大，而對基模影響不大。,4.非穩(wěn)腔選模,一、縱模選擇原理,我們知道，激光器的振蕩頻率范圍由工作物質(zhì)的增益曲線寬度決定，如果 以 表示增益曲線高于閾值部分的寬度，相鄰縱模的頻率間隔為 ，則激光 器內(nèi)可能同時振蕩的縱模數(shù)為（假設(shè)單橫模）：, 7.2

5、 縱模選擇技術(shù),（一系列分立等間隔）,如果激光工作物質(zhì)有多條激光譜線，首先用頻率粗選法抑制不需要的譜線； 其次用橫模選擇法選出 模（使頻譜結(jié)構(gòu)較簡單），最后再進(jìn)行縱模選擇。 縱模選擇的基本思想： 控制各縱模的增益與損耗的相對大小，使其中只有一個縱模滿足振蕩的條 件，從而實現(xiàn)單縱模的運(yùn)轉(zhuǎn)。對于同一橫模的不同縱模損耗相同，但增益不同。 因此在腔內(nèi)引入一定的選擇性損耗，使欲選擇的縱模損耗最小，而其余縱模的 附加損耗加大，在激光形成的過程中，通過多縱模間的模競爭機(jī)制，最終形成 振蕩的是增益最大（損耗最小）的單縱模。,由衍射理論知，不同的橫模（ ）具有不同的諧振頻率（相同的縱模 而言）。這樣當(dāng)多個橫模振

6、蕩時，振蕩頻譜結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜；當(dāng)腔內(nèi)只有單橫模 振蕩時頻譜結(jié)構(gòu)才較簡單。,1.色散腔粗選頻率,如果激光工作物質(zhì)具有多條發(fā)射不同波長的激光譜線，如He-Ne激光器可 發(fā)射632.8nm，1.15um，3.39um三條譜線，那么，在縱模選擇之前，必須將頻 率進(jìn)行粗選，抑制不需要的頻率。 通常是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， 將不同波長的光束在空間分離，使我們需要的較窄波長區(qū)域內(nèi)的光束在腔內(nèi)形 成振蕩，其它波長的光不被反饋而被抑制掉。,二、縱模選擇的方法,設(shè)入射出射角相等,腔長波長所允許的最小分離范圍：,利用玻璃材料制成的棱鏡和可見光波段來說，,光柵色散腔,光柵衍射主極大

7、值條件：,衍射級次）,光柵的角色散率為：,當(dāng) （光柵的閃耀角）,特點：色散選擇能力比棱鏡更高，光柵法不存在光束的透過損耗，透明的 光譜區(qū)域?qū)挕?設(shè)腔內(nèi)允許的發(fā)散角為 ，則最小分離波長范圍：,2.短腔法 縮短諧振腔長度，可增大相鄰縱模間隔，以致在熒光譜線有效寬度內(nèi)，只存在一個縱模，從而實現(xiàn)單縱模振蕩。,特點：只適合增益線寬窄的激光器 （對于增益寬的激光器，要求 的腔長極短，不可能實現(xiàn)）。 同時短腔長限制了輸出功率， 對于大功率單縱模場合不適 用 。,3.F-P標(biāo)準(zhǔn)具法,F-P標(biāo)準(zhǔn)具對不同波長具有不同的透射率：,特點： 標(biāo)準(zhǔn)具的厚度可以做得很薄，自由光譜區(qū)比腔諧振頻率大得多，對于增益線寬很寬的物質(zhì)

8、均能獲得單縱模振蕩，并且腔長沒有縮短，輸出功率不受影響。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具傾角使透射峰與不同縱模的頻率重合， 就可以獲得調(diào)諧輸出。,當(dāng)激光工作物質(zhì)增益線寬很大時，一個標(biāo)準(zhǔn)具難以奏效，往往采用雙標(biāo)準(zhǔn)具選模。,邁克耳孫干涉儀式復(fù)合腔,4. 復(fù)合腔法,復(fù)合腔的頻率間隔：,適當(dāng)選擇 使得 足夠大，與增益線寬相比擬時，可實現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。,5. 其它選縱模方法,（1）環(huán)形腔（行波）選縱模,在均勻加寬激光器中，由于駐波效應(yīng)，容易形成空間燒孔效應(yīng)，從而形成多縱模蕩。采用如左圖所示的環(huán)形行波腔，消除空間燒孔效應(yīng)。由于增益飽和，在各縱模的競爭中，最靠近中心頻率處的單縱模占優(yōu)勢，最終 獲得單縱模的激光輸出。,（2）Q開關(guān)選單縱模,開始時， 開關(guān)處于不完全關(guān)閉狀態(tài)，中心頻率附近的少數(shù)增益大的縱 模建立起振蕩，其余增益小達(dá)不到閾值的不能起振。另一方面，這少數(shù)縱模 是在臨界振蕩條件下進(jìn)行振蕩的，激光形成過程長，競爭較為充分，最終能 形成激光的是增益最大的中心頻率處的縱模。,7.3 模式測量方法,可見光 屏 紅外 上轉(zhuǎn)換材料做成的薄片（紅外 可見光） 變像管，CCD 攝像機(jī) 特點: 簡單直觀，鑒別能力不高。,一、直接觀測法,主要用于連續(xù)激光器的觀測,一臺激光器到底是什么模式（橫模、縱模），需要進(jìn)行測量。,原理：不同橫模的光強(qiáng)在橫截面上具有不同的分布狀況。,二、光點掃描法,由諧振腔理論知，不同的模式（橫模、縱模）具