縱模選擇技術(shù)(共3頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上激光器縱模選擇技術(shù)1縱模選擇的意義及原則為了獲得好的單色性和相干性的激光束，要求激光以單頻振蕩，在一般情況下，多橫模激光器是一個多頻激光器，而多縱模激光器的頻率間隔則更大。激光器的振蕩 縱橫數(shù)目，由腔長、工作物質(zhì)的增益線寬和激勵水平等因素所決定。因為只有處于增益線寬內(nèi)的那些縱模頻率才有可能真正起振，形成多縱模振蕩。某些實際應(yīng)用， 如光通訊、激光全息、精密計量等要求激光具有高單色性、高相干性，必須單頻工作，而縱模選擇又是單頻工作的必要條件。設(shè)由增益線寬和 激勵水平（閾值）所決定的激光振蕩的大致頻率范圍為v，腔所允許的相鄰兩振蕩縱模的頻率間隔為v，則實際起振的縱模數(shù)目為v

2、/v。由此可見，減少 振蕩縱模數(shù)（即選縱模）可通過兩條途徑來實現(xiàn)：一是設(shè)法壓縮激光器的增益帶寬v；二是設(shè)法增大相鄰兩振蕩縱模之間的頻率間隔v。下述的各種縱模選擇方 法，均以此為依據(jù)。2縱模選擇的方法（1）色散腔法。當(dāng)工作物質(zhì)具有多條熒光譜線或一條較寬的譜帶時，在腔內(nèi)放入色散棱鏡或反射光柵等光學(xué)元件，可以進行粗選縱模。使選頻振蕩的線寬壓縮到0.1-1nm左右。棱鏡色散腔。在腔內(nèi)置入色散棱鏡，其選頻振蕩的最窄波長范圍，由棱鏡角色散和光束發(fā)散角所決定。設(shè)棱鏡頂角為a，光束以最小偏向角m方式通過棱鏡（即光路對稱），由于n=sin(m+a)/2/sina/2 (20-10)棱鏡的角色散率定義為：D=dm

3、/d (20-11)將式（2010）求導(dǎo)后則有：D=dm/dn·dn/d=2sina/2/(1-n2sina/2)1/2·dn/d (20-12)為使棱鏡的插入損耗減到最小，應(yīng)使光線入射角i以布儒斯特角iB入射。則有： sina/2=siniB/n (20-13)代入（2012）式，則：D=2siniB/(n2(1-sin2iB)1/2·dn/d (20-14)設(shè)腔內(nèi)振蕩光束的發(fā)散角為，則由棱鏡色鏡分光作用，腔內(nèi)激光振蕩譜線的最小波長間隔為：min=1/D· (20-15)min=(n2(1-sin2iB)1/2/2siniB·dn/d

4、3; (20-16)若取=1mrad（毫弧度）則min1nm。氬離子激光器的488nm和514.5nm譜線可用此法將它們分開。光柵色散腔。這種色散腔用一反射光柵來代替諧振腔的一個反射鏡。由光柵方程：s(sina1+sina2)=K (20-17)式中d為光柵常數(shù)，a1為入射角，a2為反射角，K0、1、2、3為干涉主極大的級數(shù)。光柵角色散率D=da2/d=K/dcosa2=d(sina1+sina2)/dcosa2=sina1+sina2/cosa2 (20-18)當(dāng)a1=a2=a0（光柵閃耀角）時：D=2tga0/ (20-19)激光腔內(nèi)允許的光束發(fā)散角為，由由于光柵色散而允許的振蕩譜線寬度應(yīng)

5、為：=/D=/2tga0· (20-20)如a030°、1mrad，在可見光波段可算出約為零點幾納米（nm）。由此可見，其色散選擇能力比棱鏡更高，而且不存在光束的透過損耗。可適用于較寬廣的光譜區(qū)域內(nèi)的多種激光器選模。色散腔法雖能從較寬范圍的譜線中選出較窄的振蕩譜線，但在該譜線的熒光線寬范圍內(nèi)還存在著間隔為v=c/2nL的一系列分立的振蕩頻率多縱模。因此色散腔法還只是粗選，為進一步選擇單縱模，尚需采用其它方法。（2）短腔法。對于一定的諧振腔，凡是落在熒光線寬范圍內(nèi)，且增益都處于閾值水平線以上的駐波振蕩，均能形成激光振蕩，此即多縱模工作狀態(tài)。相鄰兩縱模間隔為：vq=c/2nL

6、(20-21)由式（2021）可知，縱模頻率間隔vq是與譜振腔腔長成反比的，為了在激光增益曲線中獲得單一頻率振蕩，可設(shè)法增大縱模頻率間隔，使其在熒光譜線有效寬度范圍內(nèi)，只存在一個縱模振蕩。因此可通過縮小腔長L來實現(xiàn)，此即所謂短腔法選縱模原理。此法簡單、實用，可廣泛應(yīng)用于各種激光器，尤其是小功率氣體激光器。如He-Ne激光器熒光譜線有效寬度vg=1500MHz(相當(dāng)=0.005nm左右)，當(dāng)L=1m時，q=c/2nL=3×108m/s/2×1×1m150MHz即該激光器可能有1500MHz150MHz等于10個縱模同時振蕩。若該激光器的腔長縮短到10cm，則v=15

7、00MHz，此時就只有一個縱模能振蕩。短腔法只適用熒光線寬較窄的激光器，否則會因腔長過短而無法使用。此外還應(yīng)指出，由于腔長的縮短，使激光輸出功率明顯下降，故此方法不適用于大功率輸出的激光器。（3）法布里珀羅標準具法。為了克服短腔法的缺點而獲得較大功率輸出的單縱模振蕩，通常在諧振腔中插入一法布里珀羅標準具來進行縱模的選擇。法珀標準具相當(dāng)一塊濾光片，它對于不同波長（或頻率）的光按下式具有不同的透過率：T()=1/(1+Fsin/2) (20-22)式中：F4/(1-)2；/2·；為反射率；表示標準具內(nèi)參與多光束干涉兩相鄰二出射光線的位相差；為光程差。=2ndcosi故標準具透過率又可表示

8、為T()=(1-)2/(1-)2+4sin2/2 (20-23)透過率取極大值的條件為：=2ndcosi=K=K.c/v (20-24)由（2024）式，可求出具有最大透過率的相鄰頻率值的間隔為：v=c/2ndcosic2nd (20-25)由前面所述透射光多光束干涉原理可知，標準具反射率越大，則譜線寬度越窄，其選擇性越好。由此可見，對于多縱模激光器，在諧振腔中插入一標準具后，我們適當(dāng)?shù)剡x擇標準具的厚度d和反射率，使得標準具的峰值頻率間隔v與激光器的熒光線寬相 當(dāng)，從而使得在有效增益線寬內(nèi)，只能通過一個縱模，而其余的縱模因透過率小均被標準具所“濾掉”，從而達到選縱模的目的。法珀標準具選縱模的優(yōu)點在于標準具平行