第五章 模式选择技术

另一种色散腔是用一个反射光栅代替谐振腔的一个反 射镜，如下图所示：
设腔内之光束所允许的发散角为θ，则光栅色散所能 允许的最小分离波长范围是：
2tanθ0
θ
2 F-P标准具法
（1） F-P标准具的原理
F-P对不同波长的光束具有不同的透过率：
相邻两透过率极大值的间隔（自由光谱区）为：
除最大透过率外， 其他频率处的透过率与 R有关—透过率曲线
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xy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。
图5.3-1所示是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。
O
D A
C
φ
c
c B
图 5.3-1 色散棱镜粗选原理示意图
T α1 = α2 = α
设腔内之光束所允许的发散角为θ，则由于色散棱 镜的分光作用，腔内激光波长所能允许的最小波长分 离范围为 2 2 1n sin 2
D
dn 2(sin ) 2 d
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
变像管结构示意图
二、光点扫描法
利用光点扫描记录出光强分布曲线，从曲线上找出 对应的横模。 适用于连续激光器的横模测量。
图所示为光点Leabharlann 描法装备某些模的光强分布和对应的模式图样
三、扫描干涉仪法
下图为扫描干涉仪测横模原理图：
扫描干涉仪主要由一个无源腔构成， 腔的谐振频率：
四、F-P照相法
F-P照相法来观测脉冲激光。
三、纵模选择技术 1、纵模选择原理 2、纵模选择方法：
色散腔粗选频率 F-P标准具法 复合腔法
四、模式测量方法 1、直接观测法 2、光点扫描法 3、扫描干涉仪法 4、F-P照相法
THE END ! THANKS !
2015/12/14
3 复合腔法
原理： 用一个反射干涉仪系统取代谐振腔中的一个反射镜， 则其组合反射率是光波长(频率)的函数。 特点： 组合反射率R随频率做周期性变化，在某些特定频率 处R具有极大值。极大值之间的频率间隔是可以通过调整 复合腔长来改变的。
（1）迈克耳孙干涉仪式复合腔
复合腔的频率间隔为：
适当选择l1及l2，可以使复合腔的频率间隔足够 大， 即两相邻纵模间隔足够大，与增益线宽相比拟时，即可 实现单纵模运转。
特点： 透射峰频率间隔相等 R越大， 峰越细锐
（2）选模
法 线
上图所示为F-P标准具法选纵模
C/(2nL)腔谐振频率 C/(2nL)腔谐振频率
单振荡频率
C/(2nd)腔谐振频 率
优点： 在于标准具平行平 面板间的厚度可以做得很 薄，由于腔长没有缩短， 输出功率仍可很大。
气体激光器增益线宽 较窄，一个标准具即可； 固体激光器增益线宽 较宽， L大使纵模间隔小， 精细度受工艺限制，需用 双标准器选模。
（2）福克斯-史密斯(Fox-Smith)干涉仪复合腔
复合腔的两相邻的频率间隔为：

选择适当的l1及l2，使 单纵模输出。
c 2(l1 l2 )
与增益线宽相比拟时，即可获得
5.4 模式测量方法
一 直接观测法 二 光点扫描法
三 扫描干涉仪法
四 F-P照相法
一 、直接观测法 不同的横模光场分布不同。 对于连续的可见光波段的中、小功率激光器，这种 方法比较适用；中等功率的激光采用烧蚀法观测。 中小功率的红外激光器，还可用变像管或CCD摄像 机观测横模。
腔的总损耗：δ=δd+δi
激光振荡的条件是 G>δ（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。
第五章 模式选择技术
Mode-Selection Techniques
1）概述 2）横模选择技术 3）纵模选择技术 4）模式测量方法
主要内容 5.1 概述 5.2 横模选择技术
5.3 纵模选择技术 5.4 模式测量
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。
根据干涉条纹的套数来判定激光的模式。
特点： 不但能测定模式数， 而且可以测出激光谱宽。 适用于连续和脉冲的激光器。
小结
一、选模的目的： 减少腔内的模式数 横模： 基横模—方向性最好。 纵模： 单纵模—单色性最好
二、横模选择技术
1、横模选择原理 2、横模选择方法：
谐振腔参数g和N的选择法 小孔光阑法选模 腔内插入透镜法选模 非稳腔选模
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。
不同横模的光场强度分布
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
F-P照相法原理图
F-P标准具的透过率为：
投射最强时：T(λ)=1
2nd cosθ=mλ m=0,±1,±2,.......
满足上式的θ是同心圆环亮纹。若激光束的谱宽为∆λ，则∆θ 有一宽度 --圆环宽度。
若待测光只有一个频率， 则产生圆环清晰。 如二个 模式， 由于λ不同θ角不同， 条纹不重合。
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
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δ10<δ00 2、N一定时，g 3、g一定时，N δ00 δ10 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
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。
什么是非稳腔？ 特点
5.3 纵模选择技术
一 纵模选择原理
二 纵模选择方法
一 纵模选择原理
（1）实现单纵模选择的过程：
减少荧光谱线 振荡的纵模数： n
选出基模
0 q
纵模选择
（2）纵模选择的基本思想
二 纵模选择方法
1 色散腔粗选频率 方法: 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，不同波长的光束在空间分离，然后设法 仅使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡。 特点：只能选出具有一定宽度的谱线， 不能选出单一 的频率。