激光基本知识与选模
4.第四章激光的基本技术讲解
第4章激光的基本技术激光器发明以来各种新型激光器一直是研究的重点。
为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大的发展。
这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。
其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。
在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一项，常常是诸项并用。
本章讨论激光工程中一些主要的单元技术。
因为激光技术涉及的内容十分广泛，这里只给出基本概念和基本方法。
4.1激光器输出的选模激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。
前几章中已经讨论过激光谐振腔的谐振频率。
大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出TEM模)与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布是多模的。
然而，基横模(00均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。
因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光在信息技术中的应用等都十分重要。
为了满足这些使用要求，必须采用种种限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用所谓模式选择技术，获得单模单频激光输出。
激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取。
前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的选频技术；而后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。
4.1.1 激光单纵模的选取1．均匀增宽型谱线的纵模竞争前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。
当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。
激光原理、技术与应用课件：4_1_1 激光单纵模的选取
3. 三反射镜法：
➢如图4-3所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合 所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率 的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦 合
图4-3 三反射镜法
两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：
v短
c
2（L2
L3）
v长
c
2（L1
L2）
只有同时满足上面两个谐振条件的光才能形成振荡，故只 要选取L2 +L3足够小，就可获得单纵模输出。
和单纵模光束。 因此，设计和改进激光器的谐振腔，抑制多模，以获得单模输出是一个
重要课题
4.1.1 激光单纵模的选取
所谓激光纵模选择，就是通过使激光器只允许有一种 频率振荡，而其余的频率则均被抑制。
一、均匀增宽型谱线的纵模竞争
核心问题:与饱和效应相关的模式之间的竞争！
回顾思考: 试说明某个频率的光最终要成为激光的 纵模输出，它必须突破几个关口。
➢缺点: 标准具总会带来透射损失对低增益 的激光器(He— Ne激光器）不合适， 但对高增益的激光器（CO2激光器） 则很有效。
四、使用腔内插入F-P标准具法选纵模需要注意：
1. 选择合适的标准具光学长度，使标准具的自由光谱范围
与激光器的增益线宽相当。使在增益线宽内，避免存在
两个或多个标准具的透过峰。
第4章 激光的基本技术
激光技术:通过改变激光振荡或激光辐射的参数，来控制与改善
激光器输出特性（谐振腔控制或腔外控制），使之适合于某一
目的，而发展的各种技术。
调Q
能量 激光放大技术
锁模
峰值功率 短脉冲技术
增益开关
相干性
腔倒空
稳频 注入锁定技术
激光单横模的选取
激光单横模的选取1.什么是基横模在其轴线附近可看做是一种非均匀的球面波传播过程中曲率中心不断改变振幅在横截面内为一高斯光束强度集中在轴线及其附近等相位面保持球面2.基横模的特点亮度高、发散角小、径向光强分布均匀、振荡频率单一，具有最佳的时间相干性和空间相干性单一的基横模运转的激光器是一种理想的想干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光信息技术中的应用等都十分重要，所以要对激光器的输出进行选模，来获得单模单频激光输出3.激光横模的选取1）激光谐振腔中存在稳定的横向场分布，叫做横模，它反映的是光强的分布情况，所以激光横模的选取主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光亮度2）激光振荡的条件是增益系数大于损耗系数，而损耗中有部分是与横模阶数有关的衍射损耗，所以基横模的选取的实质就是使基横模达到振荡条件，高阶横模的振荡受到抑制3）一般只需要抑制住比基横模高一阶的TEM10模和TEM01模的振荡就能抑制其他高阶模的振荡4）其原理就是加大基模和高阶横模衍射损耗的差别，使基模满足阈值条件振荡，而高阶横模的损耗大于增益不能振荡，达到选出基横模的目的4．衍射损耗基横模的光振幅和光强分布在与光轴垂直的平面上呈高斯函数的形式，一直延伸到离光轴无限远处，而反射镜的有限尺寸的限制，每一次反射都会有一部分光能衍射到镜面外，造成的能量损失，这种损失就是衍射损耗5.光阑法选取单横模基本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑。
如果用一个光阑，其半径和基模的光束半径相当，那么基模可以比较顺利的通过。
对高阶模，由于被阻挡的部分多，不能顺利通过，从而达到选模的目的特点：结构简单，调整方便，但受小孔限制，工作物质的体积不能得到充分体用，输出的激光功率比较小，腔内功率比较小，腔内功率密度高时，小孔易损坏。
激光器的基本参数和基础知识
激光器的基本参数和基础知识激光器是一种重要的光源，在生产、科研、医疗等领域中得到广泛应用。
不同领域所使用的激光器参数不同，因此了解激光器的参数是选择合适激光产品的关键。
本文将介绍常规激光器的参数定义，并简要说明，以帮助读者选择适合的激光产品。
一、输出功率（激光功率）激光器发出的光是光能形成的，与电能类似，光能也是一种能源。
激光器的输出功率是单位时间内输出激光能量的物理量，通常用毫瓦（mW）、瓦（W）或千瓦（kW）表示。
二、功率稳定性功率稳定性是指激光输出功率在一定时间内的不稳定度，通常分为RMS稳定性和峰峰值稳定性。
RMS稳定性是指测试时间内所有采样功率值的均方根与功率平均值的比值，用来描述输出功率偏离功率平均值的分散程度。
峰峰值稳定性是指输出功率的最大值和最小值之差与功率平均值的百分比，表示一定时间内输出功率的变化范围。
三、光束质量因子（M²因子）；光束参数积（BPP）光束质量因子是激光束腰半径和光束远场发散角的乘积与理想基模光束束腰半径和基模发散角乘积的比值，即M²=θw/θ理想w理想光束质量影响激光的聚焦效果和远场光斑分布情况，是用来表征激光光束质量的参数。
实际激光光束质量因子越接近1，说明光束质量越接近理想光束，光束质量越好。
光束整形器一般要求高质量的激光，M²需要小于1.5.光束参数积是激光束的远场发散角与光束最窄点半径的乘积，即BPP=θw。
它可以量化激光束的质量以及将激光束聚焦到小点的程度。
光束参数积即BPP值越低，光束的质量越好。
M²值是BPP值的归一化值，针对具有特定波长的衍射极限光束进行归一化，即M²=BPP/BPP，其中BPP是特定波长的衍射极限光束的值，且BPP=λ/π。
四、光斑（横模）横模是指垂直于激光传播方向上某一横截面上的稳定场的分布，激光器的光斑表征就是横模分布。
通过光斑分析仪或激光轮廓分析仪可以将横模分布模拟出来，得到激光器的一些光束特征。
激光原理复习知识点
一 名词解释1. 损耗系数及振荡条件:0)(m ≥-=ααS o I g I ,即α≥o g 。
α为包括放大器损耗和谐振腔损耗在内的平均损耗系数。
2. 线型函数：引入谱线的线型函数p v p v v )(),(g 0~=，线型函数的单位是S ，括号中的0v 表示线型函数的中心频率，且有⎰+∞∞-=1),(g 0~v v ，并在0v 加减2v ∆时下降至最大值的一半。
按上式定义的v∆称为谱线宽度。
3. 多普勒加宽:多普勒加宽是由于做热运动的发光原子所发出的辐射的多普勒频移所引起的加宽。
4. 纵模竞争效应：在均匀加宽激光器中，几个满足阈值条件的纵模在震荡过程中互相竞争，结果总是靠近中心频率0v 的一个纵模得胜，形成稳定振荡，其他纵模都被抑制而熄灭的现象。
5. 谐振腔的Q 值:无论是LC 振荡回路，还是光频谐振腔，都采用品质因数Q 值来标识腔的特性。
定义p v P w Q ξπξ2==。
ξ为储存在腔内的总能量，p 为单位时间内损耗的总能量。
v 为腔内电磁场的振荡频率。
6. 兰姆凹陷：单模输出功率P 与单模频率q v 的关系曲线，在单模频率等于0的时候有一凹陷，称作兰姆凹陷。
7. 锁模：一般非均匀加宽激光器如果不采取特殊的选模措施，总是得到多纵模输出，并且由于空间烧孔效应，均匀加宽激光器的输出也往往具有多个纵模，但如果使各个振荡的纵模模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器输出的是一列时间间隔一定的超短脉冲。
这种使激光器获得更窄得脉冲技术称为锁模。
8. 光波模：在自由空间具有任意波矢K 的单色平面波都可以存在，但在一个有边界条件限制的空间V内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k 的平面单色驻波;这种能够存在腔内的驻波成为光波模。
9. 注入锁定：用一束弱的性能优良的激光注入一自由运转的激光器中，控制一个强激光器输出光束的光谱特性及空间特性的锁定现象。
（分为连续激光器的注入锁定和脉冲激光器的注入锁定）。
激光技术之模式选择讲解
δ00值与菲涅耳数N的关系。
g = | 1-L/R |
横模的鉴别力随N
的增加而变大，但 衍射损耗随N的增 加而减小; N要选择 适当(折中一下： 一般 0.5-2)
100 N=α2 / (λL)
图5.2-2 各种对称腔的δ10/δ00与N的关系
图5.2-2 各种对称腔的δ10/δ00与N的关系 5.2-3示出了平-凹腔的δ10／δ00值与N的关系。横模的鉴别力随N的 增加而变大，但衍射损耗随N的增加而减小，所以N值必须选择适
数Ｎ在0.5到2.0之间比较合适。
适当地选择谐振腔参数Ｒ１，R２，Ｌ, 使它们运转于稳定区边
缘, 即运转于临界工作状态，则有利于选模，因为各阶横模中 最低阶模(TEM00模)的衍射损耗最小。
∣g∣ =∣1-L/R∣
图5.2-4 在不同Ｎ值时，模衍射损耗|g|的关系
以TEM00模和TEM01模为例，图5.2-4示出了在不同的菲涅耳数Ｎ
可以达到这一目的。
其二，横模选择除了考虑各横模衍射损耗的绝对值大小 之外，还应考虑横模的鉴别能力，即基模与较高横模的 衍射损耗的差别必须足够大(即δ10／δ00比值大)，才能有 效地把两个模区分开来，以易于实现选模。
横模衍射损耗的差别不仅与不同类型的谐振腔结构有关，而且还
与腔的菲涅耳数N有关。图5.2-2示出了各种g因子对称腔的δ10／
100
N=α2 / (λL) ， (a) TEM00模
N=α2 / (λL) ， (b) TEM10模
Байду номын сангаас
图 5.2-1 不同构形对称谐振腔的衍射损耗随N的变化
由图可见， 在菲涅耳数N值相同的情况下, 对称稳定腔的衍射损耗 随|g|的减小而降低。谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗的性能 是实现横模选择的物理基础，
激光原理与技术 第六章、激光器的模式选择和
球面镜谐振腔的两个重要参数
g参数 g =（1-L/R） 其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。
菲涅尔数 N=a2/L 其中a为腔内有效孔径的半径，L为腔长。
衍射损耗是谐振腔参数g和菲涅尔数N的函数
光阑法选横模
• 在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减 小腔镜尺寸，即减小了谐振腔的菲涅耳 数N。菲涅耳数越小，衍射损耗就越大。 适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
色散腔粗选波长
• 当激光工作物质中有多个能级间可以发 生激光跃迁，从而可以产生多波长激光 辐射的情况下
• 或者工作物质有相当宽的增益线宽 • 如在应用中，需要选出对应某一波长
附近的一组纵模时 • 利用色散腔选择纵模是最为实用且有效
的方法
棱镜色散腔 光栅色散腔
短腔法选纵模
• 谐振腔模间隔=C/2nL • 如果设计腔长L使模间隔
增益曲线宽度
g 则可以实现单纵模工作 例如：He-Ne 10cm
CO2 3m VCSEL
损耗
F-P标准具选模
复合腔法选纵模
1. 迈克尔逊式 复合腔
=C/2n(l1-l2)
l2 l1
1. Fox-Smith式 复合腔
=C/2n(l1+l2)
l2 l1
行波腔选纵模法
• 在均匀加宽工 作物质中，以 行波方式产生 激光振荡，消 除空间烧孔效 应就可以实现 单纵模输出
y’
V 检偏器
纵向电光调制原理
在x＇方向折射率比原来减小了1/2n03γ63Ez，而y＇方向的折 射率则增加了1/2n03γ63Ez，如图20－18（b）所示。当沿z轴 方向入射的线偏振光进入晶体后，即沿x＇、y＇方向分解 为两个互相垂直的偏振分量。由于它们的折射率不同，则 沿x＇方向振动的光传播速度快，称为“快光”；而沿y＇ 方向振动的光传播速度慢，称为“慢光”。则两束光经晶 体（长度为L）后，将产生位相差Δψ，则有：
《激光技术》课程笔记
《激光技术》课程笔记第一章：引言和知识准备1.1 激光是什么样的光？激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），即通过受激辐射的方式放大光的一种特殊形式的光。
它的特性包括：- 单色性：激光的波长非常纯净，几乎只有一个颜色，波长范围极窄，远小于普通光源。
- 方向性：激光的光束非常集中，可以在很长的距离内保持较小的发散角，这使得激光可以精确地指向目标。
- 相干性：激光的波前是平行的，光波的相位关系在空间和时间上保持一致，这使得激光可以产生干涉现象。
- 高亮度：由于激光具有高度的方向性，能量可以在一个很小的区域内集中，因此亮度很高。
1.2 激光器是怎么发明的？激光器的发明是20世纪物理学的重要成就之一，其发展历程如下：- 1917年，爱因斯坦提出了受激辐射的概念，为激光器的理论基础奠定了基础。
- 1954年，查尔斯·哈德·汤斯和他的学生詹姆斯·皮尔斯研制出了第一台微波激射器（maser），这是激光器的先驱。
- 1958年，尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫独立提出了激光器的概念，并预测了其可能的应用。
- 1960年，西奥多·梅曼利用红宝石晶体作为增益介质，成功研制出了第一台激光器，这是人类历史上的第一个激光器。
1.3 谈谈光的本质和“光学”光的本质是电磁波的一种，它同时具有波动性和粒子性两种性质：- 波动性：光可以表现出干涉、衍射、偏振等波动现象。
- 粒子性：光也可以被视为由大量光子组成的粒子流，每个光子具有特定的能量和动量。
光学是研究光的性质、行为和应用的物理学分支，主要包括以下领域：- 几何光学：研究光在介质中的直线传播、反射、折射等宏观现象。
- 波动光学：研究光的干涉、衍射、偏振等波动现象。
- 量子光学：研究光的量子行为，包括光的发射、吸收、非线性效应等。
1.4 光学波段的内涵？光学波段指的是电磁谱中与光相关的部分，主要包括以下几个区域：- 紫外光波段：波长在10纳米到400纳米之间，具有较高的能量，可以引起化学反应。
第二讲激光原理与选模
选频--- 反射镜镀上多层膜,膜厚度λ/4, 使反射最强,形成稳定振荡并不断加强,
得到单色性好的激光
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典型的激光器镜面的安装
谐振腔的种类：
平行平面腔 同心球面腔 共焦谐振腔 长半径球面腔 半球型谐振腔 平凹稳定腔 非稳定腔
原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。
E3
E2
hv
E1
图1-2 自发辐射示意图
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自发辐射的特点： 这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因
而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波 列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上 高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出 五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初位 相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。
E1
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原子吸收 E3
E3
E2
E2
hv
E1
E1
图1-1 原子吸收示意图
如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响
，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相
互态作—用—。激且发态。则原子就有可，能其吸中收：h 这E2为一v 原光E 子子2 的， 某而E 一被1 较激高发的到能高量能状态
第5页，此课件共41页哦
该领域的有关诺贝尔奖
❖ 1964: Townes, Basov, 微波激射器和激光器的发明 ❖ 1971: Dennis Gabor, 激光全息术
❖ 1981: 洛.布隆姆贝根, 激光光谱学 ❖ 1997: 朱隶文等三人, 激光冷却和陷俘原子
激光知识点总结
激光知识点总结一、激光的工作原理激光是由激光管或半导体激光器等激光器件产生的一种特殊的光，其产生过程涉及到激发、放大和辐射三个过程。
激发过程是激光器内部能级的粒子被外部能量激发，处于高能级，即被激发态。
放大过程是被激发态的粒子受到反射膜的作用，在激光谐振腔内不断来回运动，使得光子通过受激辐射不断放大，形成激光能量。
辐射过程是形成激光光束的过程，激光能量通过谐振腔的光学放大产生足够的光强，经过半透过膜射出。
二、激光的分类根据激光器产生的机理、工作波长和应用领域不同，激光可以分为不同的类型。
常见的激光器包括气体激光器、固体激光器、半导体激光器等。
气体激光器主要包括CO2激光器、氩离子激光器等，工作波长主要在10.6微米和0.5微米左右。
固体激光器主要包括Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器等，工作波长主要在1微米左右。
半导体激光器主要包括GaAs激光器、InGaN激光器等，工作波长主要在可见光和红外光区域。
三、激光的应用激光在各个领域都有着广泛的应用，包括医学、通信、材料加工等。
在医学领域，激光可以用于手术、治疗、检测等，例如激光近视手术、激光溶脂手术等。
在通信领域，激光可以用于光纤通信、激光雷达等，实现了信息的高速传输和大容量存储。
在材料加工领域，激光可以用于切割、焊接、打标等，高精度、高效率、非接触等优点，深受制造业的青睐。
四、激光的安全问题激光的应用虽然带来了很多便利，但同时也伴随着一些安全问题。
激光具有高能量密度、强聚焦性和直线传播性，如果被不当使用，可能会导致眼睛、皮肤等组织的损伤。
因此，在激光使用过程中，需要采取一系列的安全措施，包括佩戴防护眼镜、设置相应的警示标识、限制激光输出功率等，确保激光的安全使用。
总之，激光作为一种重要的光学技术，在科研和工程实践中有着广泛的应用，具有很高的经济和社会效益。
通过深入理解其工作原理、分类和应用等，可以更好地把握激光的特点和优势，更好地应用于实际工作中。
4章 激光的基本技术
1、多纵模振荡
G, I
若多个纵模均满足振
荡条件，且形成的烧
孔位置不重合，则它 们分用不同的粒子群，
I
均能振荡，若激励越
强，G 0 越大，满足
振荡的纵模数越多。
激发增强
结论：非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。
三. 单纵模的选取
竞争的结果总是最靠近谱线中心 频率的那个纵模被保持下来。
所以，一般来说，均匀增宽的稳定激光器的输出 常常是单纵模的，而且频率总在谱线中心附近。
问题：单纵模激光器一定是单一频率输出吗？
mnq
c 2q m
4L
n 1
问题：均匀增益型介质激光器的出射功率怎样？
图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争
二、非均匀加宽激光器的多纵模振荡
图4-5 不同腔的衍射损耗曲线
三 激光器横模选择技术
1．横模选择的原则。 （1）谐振腔的衍射损耗。 激光振荡的阈值条件为： G＞a a为总损耗系数，它可表示为：a=δi+δm+δd 其中δi为激光束通过增益介质产生的损耗；δm为激光束在谐振腔镜面上 由于透射、散射和吸收等因素而产生的损耗；δd为激光在谐振腔中因衍射 而产生的损耗。
2.如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的 基横模高斯光束光强分布可以表示为
I
(
)
I0
exp(
2 2 12
)
3.单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的
光功率与射向镜面的总光功率 之比
0 I ()2d I0
exp(
0
2 2 12
)d 2
I0
2
ห้องสมุดไป่ตู้
新激光第六章激光器模式选择技术PPT课件
实现模式匹配需要对激光器的结构参数进行调整，如改变反射镜的曲率半径、调整激光介 质的折射率分布等。同时，还需要对激光器的工作条件进行优化，如控制泵浦源的功率、 调整冷却水的温度等。
模式稳定性分析
01
模式稳定性定义
模式稳定性是指激光器在长时间运行过程中，输出光束模式的稳定性和
一致性。
02 03
80%
法布里-珀罗标准具
一种具有极高光谱分辨率的光学 滤波器，可用于精确选择特定波 长的纵模。
100%
光纤光栅
利用光纤光栅的波长选择性反射 特性，实现特定波长的纵模选择 。
80%
声光调制器
通过声光效应改变谐振腔内光场 的分布，从而控制特定纵模的增 益或损耗。
03
激光器横模选择技术
横模产生原因及影响
采取隔离措施，如使用隔震平 台、减少外部振动对激光器的 影响，以及降低环境温度波动 等，可以提高激光器的模式稳 定性。
采用自适应控制技术
通过自适应控制技术，如自适 应光学系统或电子控制系统， 可以实时监测并调整激光器的 输出光束模式，以保持其稳定 性和一致性。
05
新型激光器模式选择技术探讨
微纳激光器模式选择技术
纵模影响
多个纵模同时存在会导致激光输 出光谱展宽、功率不稳定、光束 质量下降等问题。
纵模选择方法
被动选择法
利用谐振腔的自然选模特性，通过调 整腔长、反射镜反射率等参数实现纵 模选择。
主动选择法
在谐振腔内引入额外的光学元件或非 线性效应，主动控制特定纵模的增益 或损耗，实现纵模选择。
典型纵模选择器件
量子点模式选择
01
通过控制量子点的尺寸、形状和组成，实现量子点激光器的模
第10讲激光的选模技术ppt课件
图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争
6
2、非均匀增宽型谱线的多纵模振荡
非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 单纵模的选取 (1) 短腔法： ➢ 两相邻纵模间的频率差νq c (2L) ，要想得到单 一纵模的输出，只要缩短腔长，使 νq的宽度大 于增益曲线阈值以上所对应的宽度 ➢ 缺点：腔长受到限制，从而限制输出功率；当谱 线荧光宽度很宽时，势必使腔长缩到很短。
这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组 成，其腔长为L1+L2；另一个由M3、M4组成，其 腔长为L2+L3。 两个谐振腔的纵模频率间隔分别为： c/2(L1+L2) 和c/2(L2+L3) 只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡， 故只要L2+L3足够小就可以获得单纵模输出。
11
2.1.2 激光单横模的选取（选模）
(1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。
(2) 如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的基
横模高斯光束光强分布可以表示为
I
(
)
I0
exp(
2 2 12
)
图4-4 腔的衍射损耗 13
(3) 单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率 与射向镜面的总光功率之比
0 I ()2d I0
exp(
17
（2）聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模
聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜 组，使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间， 以提高输出功率。
图4-6 聚焦光阑法 18
腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7 所示。优点：一是能充分利用激光工作物质，获 得较大功率的基模输出；二是可通过调节望远镜 的离焦量 得到热稳定性很好的激光输出；三是输 出光斑大小合适，不致损伤光学元件。
模式选择技术
第五章 模式选择技 术
激光技术及控制基础
第五章 模式选择技术
2.影响衍射损耗的因素 ①与腔型和g参数有关，不同的腔型和g，衍射损耗不同。 ②同一种腔型，不同横模，衍射损耗不同。 TEM 00模 00 越来越大。 最小，随着模序数增加， 1 2 a ③同一种腔型，菲涅尔数 N ( )不同，衍射损耗不同。 L
TEM 00 和 TEM10 模的衍射损耗曲线，这是选模的设计依据。 在不同N，g下，
要得到单一的模式，除了合适的方法之外，还需要 注意以下几个问题： 1.光泵均匀 2.固体工作物质的光学均匀性好 3.腔镜调整：尽量对称使轴线重合,否则模式畸变。 4.光学表面清洁 5.动态比静态困难 6.破坏问题 只有合理的选模方法，并克服种种不利因素，才能得 到高质量的激光模。
横模测量
直接测量：
(1)法布里－珀罗标准具(F-P) F-P原理：由两块平行板玻璃组成，它是利用多光束的干涉原理 做成的。它对光的透过率和反射率均是频率的周期函数。
1 1 T ( ) 2F 2 4R 2 2 1 ( sin ) 1 sin ( nd cos ) 2 2 (1 R)
在选模中，不但选出单一基模，而且应尽可能使选择的 腔型增大模体积－输出功率增大。
横模选择方法 1.稳定腔中的模式选择 (1)腔参数g、N选择法-利用衍射损耗来进行选模。 (2)元件选模法 ①小孔光栏法-在腔中加一小孔光栏使 10 ↑来实现选模。 ②聚焦光栏法-加入聚焦透镜，在焦点处放小孔光栏。 (3)长腔法-增加腔长(适当的增加)，能改善激光的模式。 2.介稳腔的选模 平行平面腔- TEM 00模的光束沿轴向传播，无偏折损耗，只有透射损 耗；而高阶模偏离轴向传播，有偏折损耗和透射 损耗。 为偏折损耗和透射损耗之比，它大则偏折损耗大即 高阶模的 损耗大，对选模有利。在平平腔中利用提高 的方法进行选模。
激光器进行纵模模式选择的方法和原理
激光器进行纵模模式选择的方法和原理
激光器进行纵模模式选择的方法主要有短枪法以及在谐振腔中加入光学原件。
短枪法是利用减少激光器谐振枪长的办法增加纵模频率选择间隔，从而实现单纵模震荡。
其特点在于结构简单，误插入损耗小，只需要缩短腔长就可以实现单模。
但此方法输出功率减少，且只适用于增益介质款的气体激光器。
在谐振腔中加入光学原件，比如色散棱镜、F-P标准具等，利用它们对不同波长的光束有不同的透过率或损耗特性，使激光的一部分纵模通过，而其它的纵模由于损耗或折射等，不能在激光的谐振腔中形成足够的振荡，从而形成单纵模激光。
以上内容仅供参考，如需获取更多信息，建议查阅相关文献或咨询专业人士。
《激光原理》4.1激光器输出的选模(新)
三.光阑法选取单横模
a2
N
L
D
exp
2N
1 L
光阑法选取单横模：高阶横模的光束截面比基横
模大，故减小孔径a，从而减小菲涅耳数N，就可
以大大增加高阶横模的衍射损耗，以致将它们完
全抑制掉。最简单的办法就是在腔内靠近反射镜
的地方放置一个光阑（用于增益较低的气体激光
器）。
ms 2m 10s
ns 2n 10s
2、纵模竞争
若两纵模的烧孔部 分或全部重合，则 因为它们共用或部 分共用一群激活粒 子而产生相互竞争， 随机取胜,造成输出 功率的起伏.
G, I
I
激发增强
结论：非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。
三. 单纵模的选取
1. 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。
1.聚焦光阑法：在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播 时尽量经历较大的空间(为了扩大基模体积充分利用工作物 质)，以提高输出功率。
图4-6 聚焦光阑法
在腔内加上两个共焦透镜,光束经聚焦后,再通过小孔光阑.谐振腔采用平 行平面腔,只有那些沿轴向行进的光束,经聚焦后才能通过小孔往返振荡,其 他方向上的光束,经聚焦后被小孔阻截. 优点: 保持了小孔光阑的横模特性,又扩大了模体积,提高激活介质的利用率,增大 激光输出功率. 缺点: 由于附加两个透镜,增加腔内损耗,并较难于调整.
则q要增大到10倍,得到单纵模输出,
从而获得了线宽极窄的0.6328 m激光 极大地提高了单色性（但损失了光强）
2. 法布里-珀罗标准具法：
物理基础： F-P只能对某 些特定频率的光通过。产 生振荡的频率不仅要符合 谐振腔共振条件，还要对 标准具有最大的透过率
激光技术之模式选择讲解
图5.2-10 聚焦光阑法选模
为了简化系统并减小损耗，可用一个凹面反射镜取代右边的 透镜和平面反射镜，如图5.2-11所示。但要求凹面反射镜的曲率 中心与透镜的焦点重合。
在腔内插入透镜和光阑选模的基础上又发展了一种腔内加望 远镜的方法，和“猫眼谐振腔”的选模方法
阈值条件为 I≥I0 即 I / I0 ≥ 1
由此得出 r1r2(1- )2 exp(2GL)≥1
(5.2-2)
下面考察两个最低阶次的横模TEM00和TEM10模的情况， 认为激活介质对各横模的增益系数相同，当同时满足下
列两个不等式：
r1r2 (100) exp(GL)＞ 1
(5.2-3)
r1r2 (110) exp(GL)＜1 激光器即可实现单横模(TEM00)运转。
数Ｎ在0.5到2.0之间比较合适。
适当地选择谐振腔参数Ｒ１，R２，Ｌ, 使它们运转于稳定区边
缘, 即运转于临界工作状态，则有利于选模，因为各阶横模中 最低阶模(TEM00模)的衍射损耗最小。
∣g∣ =∣1-L/R∣
图5.2-4 在不同Ｎ值时，模衍射损耗|g|的关系
以TEM00模和TEM01模为例，图5.2-4示出了在不同的菲涅耳数Ｎ
发而起振。设谐振腔两端反射镜的反射率分别为r1、r2，
单程损耗为δ，单程增益系数为G，激光工作物质长度
为L，则初始光强为 I0的某个横模(TEMmn)的光在谐振
腔内经过一次往返后，由于增益和损耗两种因素的影
响，其光强变为:
##
I I 0r1r2 (1 )2 exp( 2GL )
(5.2-1)
Ｎ＝2.5 ~ 20的共心腔， 为0.28raL~0.36更合适。
纵模选择技巧[新版]
![纵模选择技巧[新版]](https://img.taocdn.com/s3/m/8bc24126b80d6c85ec3a87c24028915f804d84bb.png)
激光器纵模选择技术1．纵模选择的意义及原则为了获得好的单色性和相干性的激光束，要求激光以单频振荡，在一般情况下，多横模激光器是一个多频激光器，而多纵模激光器的频率间隔则更大。
激光器的振荡纵横数目，由腔长、工作物质的增益线宽和激励水平等因素所决定。
因为只有处于增益线宽内的那些纵模频率才有可能真正起振，形成多纵模振荡。
某些实际应用，如光通讯、激光全息、精密计量等要求激光具有高单色性、高相干性，必须单频工作，而纵模选择又是单频工作的必要条件。
设由增益线宽和激励水平（阈值）所决定的激光振荡的大致频率范围为Δv，腔所允许的相邻两振荡纵模的频率间隔为δv，则实际起振的纵模数目为Δv/δv。
由此可见，减少振荡纵模数（即选纵模）可通过两条途径来实现：一是设法压缩激光器的增益带宽Δv；二是设法增大相邻两振荡纵模之间的频率间隔δv。
下述的各种纵模选择方法，均以此为依据。
2．纵模选择的方法（1）色散腔法。
当工作物质具有多条荧光谱线或一条较宽的谱带时，在腔内放入色散棱镜或反射光栅等光学元件，可以进行粗选纵模。
使选频振荡的线宽压缩到0.1-1nm左右。
①棱镜色散腔。
在腔内置入色散棱镜，其选频振荡的最窄波长范围，由棱镜角色散和光束发散角所决定。
设棱镜顶角为a，光束以最小偏向角δm方式通过棱镜（即光路对称），由于n=sin[(δm+a)/2]/sina/2 (20-10)棱镜的角色散率定义为：Dλ=dδm/dλ (20-11)将式（20－10）求导后则有：Dλ=dδm/dn·dn/dλ=2sina/2/(1-n2sina/2)1/2·dn/dλ (20-12)为使棱镜的插入损耗减到最小，应使光线入射角i以布儒斯特角iB入射。
则有：sina/2=siniB/n (20-13)代入（20－12）式，则：Dλ=2siniB/(n2(1-sin2iB))1/2·dn/dλ (20-14)设腔内振荡光束的发散角为θ，则由棱镜色镜分光作用，腔内激光振荡谱线的最小波长间隔为：Δλmin=1/Dλ·θ (20-15)Δλmin=(n2(1-sin2iB))1/2/2siniB·dn/dλ·θ (20-16)若取θ=1mrad（毫弧度）则Δλmin≈1nm。
激光基础学习知识原理考试基本概念
第一章1、激光与普通光源相比有三个主要特点：方向性好，相干性好，亮度高。
2、激光主要是光的受激辐射，普通光源主要光的自发辐射。
3、光的一个基本性质就是具有波粒二象性。
光波是一种电磁波，是一种横波。
4、常用电磁波在可见光或接近可见光的范围，波长为0.3~30μm,其相应频率为10^15~10^13。
5、具有单一频率的平面波叫作单色平面波，如果频率宽度Δν<<v 时，这种波叫作准单色波。
6、原子处于最低的能级状态称为基态，能量高于基态的其他能级状态叫作激发态。
7、两个或两个以上的不同运动状态的电子可以具有相同的能级，这样的能级叫作简并能级。
8、同一能级所对应的不同电子运动状态的数目，叫作简并度，用字母g表示。
9、辐射跃迁选择定则（本质：状态一定要改变），原子辐射或吸收光子，不是在任意两能级之间跃迁，能级之间必须满足下述选择定则：a、跃迁必须改变奇偶态；b、ΔJ=0，±1（J=0→J=0除外）；对于采用LS耦合的原子还必须满足下列选择定则：c、ΔL=0，±1（L=0→L=0除外）；d、ΔS=0，即跃迁时S不能发生改变。
10、大量原子所组成的系统在热平衡状态下，原子数按能级分布服从玻耳兹曼定律。
11、处于高能态的粒子数总是小于处在低能态的粒子数，这是热平衡情况的一般规律。
12、因发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象叫作辐射跃迁，必须满足辐射跃迁选择定则。
13、光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射，受激辐射，和受激吸收。
14、普通光源中自发辐射起主要作用，激光工作过程中受激辐射起主要作用。
15、与外界无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。
自发辐射的光是非相干光。
16、能级平均寿命等于自发跃迁几率的倒数。
17、受激辐射的特点是：a、只有外来光子的能量hv=E2-E1时，才能引起受激辐射。
b、受激辐射所发出的的光子与外来光子的特性完全相同（频率相同，相位相同，偏振方向相同，传播方向相同）。
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该领域的有关诺贝尔奖
❖ 1964: Townes, Basov, 微波激射器和激光器的发明 ❖ 1971: Dennis Gabor, 激光全息术 ❖ 1981: 洛.布隆姆贝根, 激光光谱学 ❖ 1997: 朱隶文等三人, 激光冷却和陷俘原子
说明: 朱隶文系美籍华人, 1948年生于密苏里州,其父台湾中央研究 院院士
“激光” （LASER）一词是受激辐射光放大
（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写。 1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验 室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。我国于 1961年研制出第一台激光器，从此以后，激光技术 得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。
图1-6 理想锁模可获得窄脉冲激光
由于激光光源使光能量在时间和空间上高度集中， 因此，能在直径极小的区域内（10-3毫米）产生几百万 度的高温。从一个功率为1kw的CO2激光器发出的激光 束经过聚焦以后，在几秒钟内就可以将5cm厚的钢板烧 穿。工业上利用激光高亮度的特性，在金属钻孔、焊 接、切割、表面热处理、表面氧化等方面的应用近年 来有很大的发展。
（2）选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光
束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等
极高的激光束；
（3）外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光
的产生。这些阈值条件大体包括：减少损耗，加快抽运速度，促
进（粒子数）反转等。像工作物质的混合比、气压、激发条件、
激发电压等等。
光是（波长较短的）电磁波
50多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个 学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术， 激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测 与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术， 非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学， 激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控 核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科 的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。
(模的阶次越高，衍射损耗越大，基模的衍射损耗最小) 。
例子：
YAG激光器的腔体结构图
氦氖气体激光器是四能级系统
氖原子
在3s 2 p 间
实现粒子数反转分布
管壁效应 电子碰撞激发
共
21s
振 转
23s 移
3s 2s
3p
2p
电
子 1s
碰
撞 激
发
自发辐射
He
Ne
四、激光模式的选择
振荡模式 是指能够在谐振腔内存在的稳定的光波基本形式， 用TEMmnq表示。
荧光光谱
λn 400 600 800 m
图1-5 普通光源荧光光谱， 谱线宽度约为：150 nm
3.高亮度： 光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位
立体角所发射的能量，普通光源的亮度相当低，例如，太 阳表面的亮度比蜡烛大30万倍，比白炽灯大几百倍。而一 台普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。 激光器的输出功率并不一定很高，但由于光束很细，光脉 冲窄，光功率密度却非常大。
激光器的组成 谐振腔
工作物质 激励系统
实现粒子数反转分布的条件：
激励源(泵浦或抽运)：用来实现和维持粒子数反转。
有电激励，光激励，热激励，化学激励等
激励--从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从 低能态跃迁到高能态能级以实现粒子数反转的过程 （又称“激发”、“抽运” 或 “泵浦”）。
粒子数反转状态
造成连锁反应, 以实现光放大.
选向--- 将传播方向偏离光轴方向太多的光子淘汰掉, 使得到的激光是一束
方向性很好的光.
选频--- 反射镜镀上多层膜,膜厚度λ/4, 使反射最强,形成稳定振荡并不断加强,
得到单色性好的激光
典型的激光器谐振腔
衍射损耗
谐振腔的选择： 模体积
腔体镜面的安装
谐振腔的种类：
平行平面腔 同心球面腔 共焦谐振腔 长半径球面腔 半球型谐振腔 平凹稳定腔 非稳定腔
同心球面腔结构示意图
共焦谐振腔
共焦谐振腔的性能介于平行平面腔与球面腔之间，其特 点如下：
1）镜面较易安装、调整； 2）较低的衍射损耗； 3）腔内没有过高的辐射聚焦现象； 4）模体积适度； 共焦谐振腔一般应用于连续工作的激光器
共焦谐振腔示意图
长半径球面腔
长半径球面谐振腔的性能介于共焦腔与球面腔之间，它的特点 如下： 1） 中等的衍射损耗； 2）较易安装调整； 3） 模体积很大； 4）腔内没有很高的光辐射聚焦现象；
• 格劳伯是因为“对光学相干的量子理论的贡献”而获奖，他的研究不仅 为新兴的量子光学研究奠定了基础，他和其他科学家在这一领域的研究 成果，也有望在未来用于开发更加安全的通信加密技术。霍尔和汉斯获 奖是因为对基于激光的精密光谱学发展做出了贡献，使“光梳”等技术 的测量精度有望进一步提高，并将在很多领域找到用武之地。这些技术 有望改进现有的全球定位系统，提高太空望远镜的观测精度。另外，类 似的超高精度测量技术，也可能应用于研究物质和反物质的关系，以及 用于检测某些自然界常数可能产生的变化。
E3
E2
E2
hv
E1
E1
图1-1 原子吸收示意图
如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外 来影响，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，
与该原子发生相互作用。且
hv E2 E，1其中：E2为原
子的某一较高的能量状态——激发态。则原子就有可能吸收这
一光子，而被激发到高能态去。这一过程被称之为原子吸收。
hv
hv
E1
图1-3 受激辐射示意图
受激辐射的特点：
这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而且受激
辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相同的初相，
相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外来光子具有完全
相同的状态。在受激辐射过程中，输入一个光子，可以得到
两个状态完全相同光子的输出。并且这两个光子可再作用于
第二讲 激光原理与选模 段作梁
电子工程学院光电子技术系
主要内容
一、激光历史回顾 二、激光原理简述 三、谐振腔的结构与作用 四、激光模式的选择
一、激光的历史回顾
激光技术、计算机技术、原子能技术、生物 技术,并列为二十世纪最重要的四大发现。是人 类探索自然和改造自然的强有力工具。
与电子电力技术、自动化测控技术的完美 结合，使激光技术能够更好的为人类创造美好 生活。
平行平面腔
平行平面腔的优势: 模体积大; 腔内激光辐射没有聚焦现象
平行平面腔的劣势: 镜面调整难度高; 衍射损耗高
平行平面腔主要应用于高功率脉冲激光器!!
平行平面腔结构示意图
同心球面腔
同心球面腔的优势: 衍射损耗低; 易于安装调整 同心球面腔的劣势: 模体积小; 腔内产生光辐射聚焦现象
同心球面腔主要应用于连续工作的染料激光器泵浦激光器.
选择性损耗，与横模有关
非选择性损耗，与光 波模式无关
（1）几何损耗：光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面 偏折出去而引起损耗。
决定其大小的因素：腔的类型和几何尺寸；
（2）衍射损耗：腔镜边缘、插入光学元件的边缘、孔径及 光阑的衍射效应产生的损耗。
决定其大小的因素：腔的菲涅耳数有关、腔的几何参数有 关、横模的阶数有关。
激光的特性：
1.单向性极好：普通光源向四面八方发射能 量，其能量分布在全空间4立体角内。而激 光则是沿一条直线传播，能量集中在其传播方 向上。其发散角很小，一般为10-5～10-8球面 度。若将激光束射向几千米以外，光束直径仅 扩展为几个厘米，而普通探照灯光束直径则已 经扩展为几十米。激光的单向性是由受激辐射 原理和谐振腔的方向选择作用所决定的。激光 这种良好的单向性可用于定位、测距、导航等。
值得注意的是，只有外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能
级之差时，光子才能被吸收。
自发辐射
与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是不稳定
的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），
之后，会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发 地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发 辐射。
原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。
E3
E2
hv
E1
图1-2 自发辐射示意图
自发辐射的特点： 这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立
地进行。因而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方 向等都不同。不同光波列是不相干的。例如霓虹灯管内 充有低压惰性气体，在管两端加上高电压来激发气体原 子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色 的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初 位相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。
其他原子上，产生受激辐射，而获得大量特征完全相同的光
子。这便是受激辐射的光放大。图1-4就是受激辐射光放大
的示意图。
hv
输入 hv
hv hv
hv hv 输出
hv
图1-4 பைடு நூலகம்放大示意图
无辐射跃迁
产生激光的必要条件：
Light or laser
（1）选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形 成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；
1）光泵抽运
E2
如红宝石激光器
E1
2）电子碰撞 如氩离子激光器
3）化学反应
-
如氟化氘激光器等。
4）共振转移
如He--Ne激光器 。
He
-
Ne He
-
-
- 电子 -
Ne
三、谐振腔的结构与作用
泵浦光
输出激 光