(完整版)第1章激光模式选择2012914
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激光束。 6.在精密干涉测量，光通讯及大面积全息照相等应用中更要求激光是单横模
和单纵模光束。
因此，设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是一个重要课题
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， 二其余的频率则均被抑制。
4
5
6
二.分类
1 横模选择: 即体现在激光输出的光斑的横向强度分布。 2 纵模选择: 即体现在激光输出的频率上。
五.模式测量
2
一 问题提出
*要提高光束质量，须对谐振腔的模式进行选择
*横模: 在谐振腔的横截面内激光光场的分布 *纵模 :沿腔轴线方向上的激光光场分布
3
激光单纵模的选取
1.激光的优点在于它具有良好的单色性、方向性和相干性 2.理想的激光器输出光束应该只有一个模式，但是对于实际的激光器，如果
不采取模式选择，它们的工作状态往往是多模的。 3.含有高阶模式横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角大。 4.含有多纵模及多横模的激光器单色性及相干性差。 5.在激光准直、激光加工、非线性光学、激光远程测距等领域都需要基横模
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。
图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争 15
空间竞争
当腔内形成纵模为的强激光振荡时，在激光器腔内， 形成的是一个驻波场，所以腔内光强并不均匀。 在波腹处光强最强，在波节处光强最弱。这就使 得在整个腔长范围内各点的增益也不相同，只是 平均增益等于 G阈，而在波节处增益就比较高。由 于其他纵模的波节和波腹与纵模的波节和波腹并 不重合，所以这些纵模就可以在纵模的波节处得 到较高的增益，而形成较纵模弱的振荡。这就是 均匀增宽谱线的稳定激光器中，在激光较强时， 也可能出现少数几个弱的其他纵模的振荡的原因。 这种现象称为模式的“空间竞争”。
激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡，取决于这一纵 模在腔内的增益和损耗值的大小。控制这两个参数，使得谐 振腔中可能出现的纵模中只有一个满足振荡的条件，激光器 即可实现单纵模输出。
2 .纵模选择方法
①.色散棱镜法： 在腔内插入色散棱镜 ②.反射光栅法： 光栅可代替棱镜 (3).F-P标准具法:F-P标准具对不同波长有不同的透过率,F-P优点: F-P标准具厚度很薄，对增益线宽很宽的工作物质，均能获得单 纵模振荡。 ④.复合腔法选纵模;⑤.环形行波腔选纵模;⑥.利用Q开关选纵模9
1 2
G阈
3
Iq+1停止上升，而Iq-1和
Iq继续上升，增益曲线
继续下降，使 G q1 G阈
vq 1 v0 vq vq1
Iq+1迅速减小并熄灭。
当降到曲线2时： Gq1 G阈 Iq-1停止上升，而Iq继
续上升，增益曲线继续下降，使 G q1 G阈 ，Iq-1 熄灭。
荡的纵模数
n 0 q
△νq
△ν0
10
Δνq= Δν0
n 0 q 11
对于一般稳定腔来说，由衍射理论可知，不同的横模(TEMmm)具 有不同的谐振频率数,故参与振荡的横模数越多，总的振荡频谱 结构就越复杂；当腔内只存在单横模(TEM00)振荡时, 其振荡频
谱结构才较简单，为一系列分立的振荡频率，其间隔为Δν=c/2nL。
激光的基本技术
激光技术:为控制与改善激光器输出特性而发
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
……
选横模
选模
选纵模
其它：激光调制、激光偏转、激光调谐、激光频
率转换等。
1
激光模式选择和稳频技术 §1. 模式选择技术
一 问题提出 二分类
三. 横模选择 四.纵模选择技术
(2).实现基模输出条件
a. 横模的鉴别能力即/足够大；b .各横模衍射损耗的绝对值大小
3 选模方法
a.改变谐振腔的结构和参数: 使各模衍射损耗有较大的区别。 b.腔内插入附加的选模元件: 小孔光阑，棱镜，光栅等。
8
四.纵模选择技术
1. 实现单纵模条件
（1）.增益和损耗 （2）.不同纵模间存在增益差异
单横模(基模): TEM00，输出为一个对称分布的亮斑。
单纵模: 激光输出为单一频率. 多模(高阶模):输出由两个或两个以上的小亮斑组成。
亮区间有暗区。
7
2.开腔损耗及其描述
(1).分类
a.选择性损耗（与横模阶数有关的损耗） ①.几何偏折损耗；②.衍射损耗 b.非选择性损耗（与横模阶数无关的损耗） ①.材料中的非激活吸收，散射 ②.腔内插入元件引起的损耗 ③.腔内反射不完全引起的损耗
14
当降到曲线3时： G q G阈 Iq停止上升，
由于没有其他的纵模使增益曲线下降,则激光器 就稳定在 Iq 上, 从而输出单纵模激光。 结论：理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出 应是单纵模，其频率在增益曲线中心频率附近， 其它纵模被抑制而熄灭。在模的竞争过程中，频 率越远离中心频率的光越先熄灭。
纵模选择技术 一.纵模选择原理
激光器的振荡频率范围是由工作物质的增益谱线
的宽度决定的，而产生多纵模振荡数则是由增益线宽
和谐振腔两相邻纵模的频率间隔决定的，即在增益线
宽内，只要有几个纵模同时达到振荡阈值，一般都能
形成振荡。如以Δν0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Δνq，则可能同时振
纵模选择的基本思想：激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡 主要取决于这一个纵模的增益与损耗值的相对大小。对于同一个 横模的不同纵模而言，其损耗是相同的，但是不同纵模间却存在 着增益差异，因此，利用不同纵模之间的增益差异，在腔内引入 一定的选择性损耗，使欲选的纵模损耗最小，而其余纵模的附加 损耗较大，只有中心频率附近的少数增益大的纵模建立起振荡。 最终形成并得到放大的是增益最大的中心频率所对应的单纵模。
12
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(纵模或横模) 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。
答案：① 满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之一。 ② 频率落入工作物质的谱线线型范围 ΔvF 内。 ③ 小信号增益系数大于阈值增益系数。
1、增益曲线均匀饱和引起的纵模自选模作用
(1)
参与竞争的模：
v
q
、
1
v
、
q
v
q
1
，都落入
vF
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
内
各自都有：gG 0 G阈
13
(2) 竞争或自选模过程
如图，开始时： G0 G阈
G0
Iq , Iq1 , Iq1
由于饱和效应，增 益曲线下降。
当降到曲线1时： Gq1 G阈
和单纵模光束。
因此，设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是一个重要课题
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， 二其余的频率则均被抑制。
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6
二.分类
1 横模选择: 即体现在激光输出的光斑的横向强度分布。 2 纵模选择: 即体现在激光输出的频率上。
五.模式测量
2
一 问题提出
*要提高光束质量，须对谐振腔的模式进行选择
*横模: 在谐振腔的横截面内激光光场的分布 *纵模 :沿腔轴线方向上的激光光场分布
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激光单纵模的选取
1.激光的优点在于它具有良好的单色性、方向性和相干性 2.理想的激光器输出光束应该只有一个模式，但是对于实际的激光器，如果
不采取模式选择，它们的工作状态往往是多模的。 3.含有高阶模式横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角大。 4.含有多纵模及多横模的激光器单色性及相干性差。 5.在激光准直、激光加工、非线性光学、激光远程测距等领域都需要基横模
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。
图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争 15
空间竞争
当腔内形成纵模为的强激光振荡时，在激光器腔内， 形成的是一个驻波场，所以腔内光强并不均匀。 在波腹处光强最强，在波节处光强最弱。这就使 得在整个腔长范围内各点的增益也不相同，只是 平均增益等于 G阈，而在波节处增益就比较高。由 于其他纵模的波节和波腹与纵模的波节和波腹并 不重合，所以这些纵模就可以在纵模的波节处得 到较高的增益，而形成较纵模弱的振荡。这就是 均匀增宽谱线的稳定激光器中，在激光较强时， 也可能出现少数几个弱的其他纵模的振荡的原因。 这种现象称为模式的“空间竞争”。
激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡，取决于这一纵 模在腔内的增益和损耗值的大小。控制这两个参数，使得谐 振腔中可能出现的纵模中只有一个满足振荡的条件，激光器 即可实现单纵模输出。
2 .纵模选择方法
①.色散棱镜法： 在腔内插入色散棱镜 ②.反射光栅法： 光栅可代替棱镜 (3).F-P标准具法:F-P标准具对不同波长有不同的透过率,F-P优点: F-P标准具厚度很薄，对增益线宽很宽的工作物质，均能获得单 纵模振荡。 ④.复合腔法选纵模;⑤.环形行波腔选纵模;⑥.利用Q开关选纵模9
1 2
G阈
3
Iq+1停止上升，而Iq-1和
Iq继续上升，增益曲线
继续下降，使 G q1 G阈
vq 1 v0 vq vq1
Iq+1迅速减小并熄灭。
当降到曲线2时： Gq1 G阈 Iq-1停止上升，而Iq继
续上升，增益曲线继续下降，使 G q1 G阈 ，Iq-1 熄灭。
荡的纵模数
n 0 q
△νq
△ν0
10
Δνq= Δν0
n 0 q 11
对于一般稳定腔来说，由衍射理论可知，不同的横模(TEMmm)具 有不同的谐振频率数,故参与振荡的横模数越多，总的振荡频谱 结构就越复杂；当腔内只存在单横模(TEM00)振荡时, 其振荡频
谱结构才较简单，为一系列分立的振荡频率，其间隔为Δν=c/2nL。
激光的基本技术
激光技术:为控制与改善激光器输出特性而发
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
……
选横模
选模
选纵模
其它：激光调制、激光偏转、激光调谐、激光频
率转换等。
1
激光模式选择和稳频技术 §1. 模式选择技术
一 问题提出 二分类
三. 横模选择 四.纵模选择技术
(2).实现基模输出条件
a. 横模的鉴别能力即/足够大；b .各横模衍射损耗的绝对值大小
3 选模方法
a.改变谐振腔的结构和参数: 使各模衍射损耗有较大的区别。 b.腔内插入附加的选模元件: 小孔光阑，棱镜，光栅等。
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四.纵模选择技术
1. 实现单纵模条件
（1）.增益和损耗 （2）.不同纵模间存在增益差异
单横模(基模): TEM00，输出为一个对称分布的亮斑。
单纵模: 激光输出为单一频率. 多模(高阶模):输出由两个或两个以上的小亮斑组成。
亮区间有暗区。
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2.开腔损耗及其描述
(1).分类
a.选择性损耗（与横模阶数有关的损耗） ①.几何偏折损耗；②.衍射损耗 b.非选择性损耗（与横模阶数无关的损耗） ①.材料中的非激活吸收，散射 ②.腔内插入元件引起的损耗 ③.腔内反射不完全引起的损耗
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当降到曲线3时： G q G阈 Iq停止上升，
由于没有其他的纵模使增益曲线下降,则激光器 就稳定在 Iq 上, 从而输出单纵模激光。 结论：理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出 应是单纵模，其频率在增益曲线中心频率附近， 其它纵模被抑制而熄灭。在模的竞争过程中，频 率越远离中心频率的光越先熄灭。
纵模选择技术 一.纵模选择原理
激光器的振荡频率范围是由工作物质的增益谱线
的宽度决定的，而产生多纵模振荡数则是由增益线宽
和谐振腔两相邻纵模的频率间隔决定的，即在增益线
宽内，只要有几个纵模同时达到振荡阈值，一般都能
形成振荡。如以Δν0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Δνq，则可能同时振
纵模选择的基本思想：激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡 主要取决于这一个纵模的增益与损耗值的相对大小。对于同一个 横模的不同纵模而言，其损耗是相同的，但是不同纵模间却存在 着增益差异，因此，利用不同纵模之间的增益差异，在腔内引入 一定的选择性损耗，使欲选的纵模损耗最小，而其余纵模的附加 损耗较大，只有中心频率附近的少数增益大的纵模建立起振荡。 最终形成并得到放大的是增益最大的中心频率所对应的单纵模。
12
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(纵模或横模) 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。
答案：① 满足腔的谐振条件，成为腔的梳状模之一。 ② 频率落入工作物质的谱线线型范围 ΔvF 内。 ③ 小信号增益系数大于阈值增益系数。
1、增益曲线均匀饱和引起的纵模自选模作用
(1)
参与竞争的模：
v
q
、
1
v
、
q
v
q
1
，都落入
vF
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
内
各自都有：gG 0 G阈
13
(2) 竞争或自选模过程
如图，开始时： G0 G阈
G0
Iq , Iq1 , Iq1
由于饱和效应，增 益曲线下降。
当降到曲线1时： Gq1 G阈