第五章 模式选择技术
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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。
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
源自文库
（1）实现单纵模选择的过程：
减少荧光谱线
选出基模
振荡的纵模数：
n 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。
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。
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x-
y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
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
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。
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 δ00 δ10 3、g一定时，N 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
特点：只能选出具有一定宽度的谱线， 不能选出单一 的频率。
图5.3-1所示是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。
O
φ
DC Ac c
B
T α1 = α2 =
图 5.3-1 色散棱镜粗选原理示意图 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
1n2
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。
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。
5.1 概述
sin
2
2
D
2(sin
2
)
dn d
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：
θ
2tanθ0
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
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
CC//((22nnLL))腔 腔谐 谐振 振频 频率 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。
（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。
（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：
c 2(l1l2 )
选择适当的l1及l2，使 单纵模输出。
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。
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
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
什么是非稳腔？
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。
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。
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
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。
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
源自文库
（1）实现单纵模选择的过程：
减少荧光谱线
选出基模
振荡的纵模数：
n 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。
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。
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x-
y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
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
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。
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 δ00 δ10 3、g一定时，N 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
特点：只能选出具有一定宽度的谱线， 不能选出单一 的频率。
图5.3-1所示是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。
O
φ
DC Ac c
B
T α1 = α2 =
图 5.3-1 色散棱镜粗选原理示意图 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
1n2
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。
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。
5.1 概述
sin
2
2
D
2(sin
2
)
dn d
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：
θ
2tanθ0
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
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
CC//((22nnLL))腔 腔谐 谐振 振频 频率 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。
（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。
（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：
c 2(l1l2 )
选择适当的l1及l2，使 单纵模输出。
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。
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
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
什么是非稳腔？
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。
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。
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