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第五章 模式选择技术 第五章 模式选择技术 横模选择原理和方法 纵模选择原理和方法 模式的测量方法 目的：减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。 模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。 纵模：沿腔轴线方向电磁场的本征态。纵模数表示激光振荡频率数，纵模数多，单色性差。单一纵模单色性最好。 横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同。基横模光强是高斯形，光场分布均匀，发散角最小。随着横模序数的增加，光场的范围加大，分布不均匀，发散角越来越大。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。 改善激光的方向性，提高单色性是实际应用的要求。 ①激光打孔。②激光全息、精密干涉计量要求单色性好。 横模选择技术 有关理论: 在稳定腔中，采用衍射理论选 模 1.两条原则 ① 模的衍射损耗 要大。 ②必须尽量增大 和 模衍射损耗的比值 。 总之：原则上是采取一定的办法加大基模和高阶横模衍射损耗的差别，使高阶横模的损耗大于增益不能振荡，而基模满足阈值条件，保存下来，达到选出基横模的目的。 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。 模 最小，随着模序数增加， 越来越大。 ③同一种腔型，菲涅尔数 不同，衍射损耗不同。 3.基模体积 模体积表示某一模式在腔内所扩展的空间范围。一个模式体积的大小表示了对该模的振荡有贡献的反转粒子数的多少，因而输出功率大小。为了使选出的基模获得大的输出功率，必须考虑基模体积和哪些因素有关。 基模体积和腔型有关： ①增大腔镜的曲率半径，基模体积增大(R增大 大)。 ②当R一定时，L有最佳值，R=L时，模体积最大。 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 ↑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- 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。 3.非稳腔的横模选择(几何光学方法分析) 非稳腔中任何傍轴光线经过有限次往返传播必将逸出腔外。因为非稳腔N大，衍射损耗小可以忽略，主要表现横向逸出腔外；各模的光束在腔内是不稳定的，因此光束偏折损耗比介稳腔大。它是高损耗腔，是一种选模方法。 4.可饱和染料选模 在腔中放入有机染料，利用它的可饱和吸收特性选模。 模功率密度高，染料易于饱和,损耗小，能振荡。高阶模功率密度低，染料不能饱和,损耗大，不能振荡。 5.腔内加远望镜选模 纵模选择技术 选单纵模即是选出单一的频率，单色性好。在多横模的腔中，光的频率很复杂，各频率间隔小，在增益线宽中振荡的频率多，从中选出单个频率很困难，因此在选纵模之前先选横模-基模。 纵模选择方法 1.色散腔粗选频率 激光介质的谱线常常不止一条，在选单一频率之前，如果先使激光处在单一的谱线上,对选纵模有利。 原理：在腔中加入一色散元件，使不同波长的光发生分离，其中只有较窄波长范围的光振荡，其他波长的光偏离腔外。选出一条谱线,谱线的宽度可以达到10nm。 色散元件: 棱镜，光栅 ①棱镜:光通过棱镜时，不同的光出射角不同，则损耗不同，能够振荡的光只有一范围 。 角色散率 最大偏离角 ②光栅 利用炫耀光栅方程： 满足上式的光才能在腔中振荡(入射光线和反射光线重合)。偏离此式的光损耗大，偏离的多，光不能振荡。光沿槽法线方向入射，出射光沿此方向。 特点：上述两种色散腔粗选法只能选出具有一定宽度的谱线，不能选出单一的频率。 2.短腔法选纵模 原理: 利用减少腔长的办法增加纵模频率间隔当 时，实现单模振荡。 特点： ①结构简单，无插入损耗，只需缩短腔长即可实现单模