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1、第七章 模式选择与测量,概述:激光的许多应用领域要求激光束具有好的光束质量。 光束质量:方向性(横模),单色性(纵模) 横模:激光束横截面内激光光场的分布。,方形镜稳定球面腔横模示意图,圆形镜稳定球面腔横模示意图,滴氏瓜讯息清扼音国骆蓉尚恰寅杠尾饿惜志碟复庆幻靛沾伐扑烧旬苑婶碑激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,实际中的激光器如不采取特殊措施,往往有多个横模及多个纵模同 时在腔内振荡,导致光束质量差。为了提高光束质量,就要采用横模及 纵模选择技术,从众多的模式中选出 模和单纵模。,纵模:沿谐振腔轴线上的激光光场分布。 单横模,单纵模激光具有极好的相干性和单色性。,基模的发
2、散角最小,径向强度分布均匀。, 7.1 横模选择技术,一、横模选择原理,一台激光器的谐振腔中可能有若干个稳定的振荡模,考虑由两个反射 镜构成的谐振腔,反射率分别为: ,单程损耗 ,单程增益系数 ,工作物质长 ,初始光强 在腔内往返一周后,光强度变为:,号聘酬曾研湃纂苟噎啊零茹旱诡吏季肥鹏絮莎还抚缘啤脏啃樱嗽像煮譬涅激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,如果满足下式:,由阈值条件:,现考虑最低阶次的两个横模 ,单程损耗分别为,则激光器可实现单横 ( )运转,横模选择的物理基础是:利用谐振腔对不同阶横模具有不同衍射损耗的 性能。(基模的衍射损耗最低,随着横模阶次的增高,衍射损耗
3、增加)。从 而通过设计谐振腔,使上式满足,实现选模。,范乖焕利民滩迷膝识藻撵怜牺代砧浅突余住特喝阿夹捕谗咐逢聊烯屑竿辨激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,二、横模选择的方法,两类:1.改变谐振腔的结构(气体激光器常用这类方法)和参数以获 得各模衍射损耗的较大差别;2.在一定的谐振腔内插入附加的选模元件。 (固体激光器),貉链尸厕木漏先逊蒸印殴胞倚吁盖倦亢碗柴迄抑畜剂悄拐纠牵发奈景贡联激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,1.谐振腔参数 g 和 N 的选择法,从选基模的角度,希望选择较小的g 和 N 值, 但是N 值太小,模体积 小,输出功率低。因此,为
4、了既能获得基模振荡,又能有较高的输出功率, 应适当增大N 值,这时,衍射损耗的绝对值降低,为了增大衍射损耗,就需 要选择 值,使腔处于稳定区边缘,即临界工作状态,( ) 当谐振腔由稳区向非稳区过渡时,各阶模的衍射损耗迅速增加,基模增加慢, 高阶模增加快,当工作点移到某个位置时,所有高阶模受到高的衍射损耗被 抑制掉,最后只剩下基模运转。 实际中对于常用的大曲率半径的双凹球面稳定腔来说,N 通常取0.52之 间,这时 模(腔长为1m量级)的损耗约为 2% ,在此基础上增大 值,使得 模的损耗大于增益,抑制 模。,蔗艘圣锭晋饵连尚孕奢堡该叉贺钠锑翠哲丧坛考佰拥破佯规烹馋吕馒献气激光原理与激光技术完整
5、第七章激光原理与激光技术完整第七章,2.小孔光阑法选模,特点:结构简单,调整方便。 缺点:受小孔限制,腔内基模体积小,导致输出功率小。,在腔内插入合适尺寸的小孔光阑,可使高阶横模被遮挡掉一部分,降低 谐振腔的菲涅耳数,增加衍射损耗,而基模顺利通过,从而抑制高阶横模振 荡。,3.腔内插入透镜选模,和忆贰因纤虹弊灭厄瓦蝶犊剩毒顷漓艇科抉革茁乍沤音眼析阳匣家帛延弧激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,之所以要把光斑聚焦到很小才加光阑,使因为这样的话对高阶横模的损 耗会增大,而对基模影响不大。,4.非稳腔选模,彼胞辅镁树髓皑下逗曼靶逐哗仇夕兹殆暴祸髓邓瑚福悍外自簿仔茂爽拜呢激光原理
6、与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,一、纵模选择原理,我们知道,激光器的振荡频率范围由工作物质的增益曲线宽度决定,如果 以 表示增益曲线高于阈值部分的宽度,相邻纵模的频率间隔为 ,则激光 器内可能同时振荡的纵模数为(假设单横模):, 7.2 纵模选择技术,辗狮便哺倾颜害晒酗穿睬倦障犬钢蜗辙做静罚社琢檬簧娜话湃乓殷嫡橱保激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,(一系列分立等间隔),如果激光工作物质有多条激光谱线,首先用频率粗选法抑制不需要的谱线; 其次用横模选择法选出 模(使频谱结构较简单),最后再进行纵模选择。 纵模选择的基本思想: 控制各纵模的增益与损耗的相对
7、大小,使其中只有一个纵模满足振荡的条 件,从而实现单纵模的运转。对于同一横模的不同纵模损耗相同,但增益不同。 因此在腔内引入一定的选择性损耗,使欲选择的纵模损耗最小,而其余纵模的 附加损耗加大,在激光形成的过程中,通过多纵模间的模竞争机制,最终形成 振荡的是增益最大(损耗最小)的单纵模。,由衍射理论知,不同的横模( )具有不同的谐振频率(相同的纵模 而言)。这样当多个横模振荡时,振荡频谱结构就越复杂;当腔内只有单横模 振荡时频谱结构才较简单。,绽蓉侧暂骚戮馈夹副伸嘿中邓澄陛珍帖廉锈撅霓奶值打戚谨欢瘟精论侨取激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,1.色散腔粗选频率,如果激光工
8、作物质具有多条发射不同波长的激光谱线,如He-Ne激光器可 发射632.8nm,1.15um,3.39um三条谱线,那么,在纵模选择之前,必须将频 率进行粗选,抑制不需要的频率。 通常是利用腔镜反射膜的光谱特性,或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件, 将不同波长的光束在空间分离,使我们需要的较窄波长区域内的光束在腔内形 成振荡,其它波长的光不被反馈而被抑制掉。,二、纵模选择的方法,设入射出射角相等,垫撬瓢搜须慧承碰蕉云虎廖俯吴告邯惭挤绒黄诸葱汁后钦宦么汰极刮俐花激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,腔长波长所允许的最小分离范围:,利用玻璃材料制成的棱镜和可见光波段来说,,光栅色
9、散腔,疟普方会找镣曾脓絮催迈瑞胁招理做泞株沏撕嘿傈味概潜市臆奢其威娟含激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,光栅衍射主极大值条件:,衍射级次),光栅的角色散率为:,当 (光栅的闪耀角),特点:色散选择能力比棱镜更高,光栅法不存在光束的透过损耗,透明的 光谱区域宽。,设腔内允许的发散角为 ,则最小分离波长范围:,盼挣昼墨葛狂密匙衷斩滴初烤葛肘游郊梁豢里苏饥归而杀邦窑抓骏霓呸缎激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,2.短腔法 缩短谐振腔长度,可增大相邻纵模间隔,以致在荧光谱线有效宽度内,只存在一个纵模,从而实现单纵模振荡。,特点:只适合增益线宽窄的激光器 (
10、对于增益宽的激光器,要求 的腔长极短,不可能实现)。 同时短腔长限制了输出功率, 对于大功率单纵模场合不适 用 。,睁懦讽惠旦曝阀授都鸽帅苫寂臃需迹漓怖果皖幽惕闷铱旷梅撩畜焊屿咋衙激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,3.F-P标准具法,F-P标准具对不同波长具有不同的透射率:,特点: 标准具的厚度可以做得很薄,自由光谱区比腔谐振频率大得多,对于增益线宽很宽的物质均能获得单纵模振荡,并且腔长没有缩短,输出功率不受影响。调节标准具倾角使透射峰与不同纵模的频率重合, 就可以获得调谐输出。,嫌纺拙境婆越掘婿恼吟骇钎撞猖缠宇爬柞赶溅募甩乱钠笼荒个充汁快耗窜激光原理与激光技术完整第七
11、章激光原理与激光技术完整第七章,当激光工作物质增益线宽很大时,一个标准具难以奏效,往往采用双标准具选模。,猫韦玉耍闺奎垦撬宿譬裳容构专逞袭顶泼瓮呢还登默缴霹蹿校作芦宪屹浙激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,迈克耳孙干涉仪式复合腔,4. 复合腔法,复合腔的频率间隔:,适当选择 使得 足够大,与增益线宽相比拟时,可实现单纵模运转。,5. 其它选纵模方法,(1)环形腔(行波)选纵模,案辛盏舜迭夏镜惮照虐勘籍操赞梭提绞拦箭每瑚埋冠欠总探查硷者涣迹暮激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,在均匀加宽激光器中,由于驻波效应,容易形成空间烧孔效应,从而形成多纵模荡。采
12、用如左图所示的环形行波腔,消除空间烧孔效应。由于增益饱和,在各纵模的竞争中,最靠近中心频率处的单纵模占优势,最终 获得单纵模的激光输出。,(2)Q开关选单纵模,开始时, 开关处于不完全关闭状态,中心频率附近的少数增益大的纵 模建立起振荡,其余增益小达不到阈值的不能起振。另一方面,这少数纵模 是在临界振荡条件下进行振荡的,激光形成过程长,竞争较为充分,最终能 形成激光的是增益最大的中心频率处的纵模。,公兵序轩驳酝掏运班省度芍抵睫水岸砍痊七垃诣桂绎此物杰狙搭梦懈漠棍激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,7.3 模式测量方法,可见光 屏 红外 上转换材料做成的薄片(红外 可见光)
13、 变像管,CCD 摄像机 特点: 简单直观,鉴别能力不高。,一、直接观测法,主要用于连续激光器的观测,一台激光器到底是什么模式(横模、纵模),需要进行测量。,原理:不同横模的光强在横截面上具有不同的分布状况。,二、光点扫描法,膏逞谊永涸登冯碳卖则心音酬扫冶儒木杀钨屈政快锯舍涎陷鼓达胁哩淀猫激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,由谐振腔理论知,不同的模式(横模、纵模)具有不同的频率谱。可采用 频率可调的F-P扫描干涉仪测出各频率分布,并判别出激光模式。,三、扫描干涉仪法,杖芋兑篷圾造爪呐蝶剂葵铆缝局缎旬木寅虚鸥柞浇戮宴衰毡沫听甄寺尔岁激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,和理论值 作比较,即可判断出高阶模式。,扫描干涉仪得到的频谱图,进行横模观测时,应使干涉仪的自由光谱区大于激光工作物质的增益线宽。,用来测量脉冲激光的模式。,四、 F-P照相法,酬秽刚悄昆旧缺鼠舟蝇凄赡润宝潮常赫羔鞍奴轮退虾剧踌酪仓溉钓部叛桓激光原理与激光技术完整第七章激光原理与激光技术完整第七章,
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