第二章第二节激光器的振荡模式和模式选择课件.pptVIP

第二节激光器的振荡模式和模式选择 教学要求： 了解激光器的纵模频谱分布； 理解激光器的横模和振荡模的偏振态； 掌握激光器模式选择的方法 主要内容 一、激光器的纵模频谱分布 二、激光器的横模和振荡模的偏振态 三、激光器的模式选择 振荡模式是激光器的重要工作和输出参数。 振荡模式结构不仅影响激光器的工作特性，更直接决定着激光器输出激光束的光束质量、光的相干性，甚至影响到输出激光功率。 通常的激光器中，满足振荡阈值条件及相位条件并最终形成稳态振荡的光波模数往往都是多个。这种多模式振荡激光器输出的激光束单色性、方向性、相干性都受到很大局限。因此，根据应用对激光束的不同要求，相应产生了对激光器的各种模式选择技术。 一、激光器的纵模频谱分布 激光器能够满足振荡条件而起振并最终形成稳态振荡的纵模数是由其放大介质的增益及其饱和特性、光学谐振腔的损耗和限模特性所共同决定的。 为简单起见，假设激光器是以单横模振荡。忽略由放大介质原子相移所引起的频率牵引效应，激光器纵模的频谱分布近似是等间隔的，纵模差??q=c/2?L，取决于谐振腔的光学腔长L?= ?L，各个可能的振荡的纵模都近似具有相等的腔损耗?。 如图，按振荡增益的阈值条件所决定的激光器振荡的频率选择为??os,激光器可能的纵模数M近似表示为： 其中， ??os可以根据小信号增益系数以及阈值条件G0(?)l= ?确定。对于具有洛仑兹线型函数的均匀加宽激光器， 对于具有高斯线型函数的非均匀加宽激光器， 可见，激光器的振荡频谱分布范围正比于介质的共振跃迁荧光线宽， ??os且随着激发参量的增大而增宽；可以起振的纵模数则随着??os的增大或??q而增多。 1、均匀加宽激光器中的模竞争 ( 1).增益曲线均匀饱和引起的自选模作用 (2).空间烧孔引起多模振荡 如图 (α)所示,当频率为?q的纵模在腔内形成稳定振荡时,腔内形成一个驻波场，波腹处光强最大,波节处光强最小。因此虽然?q模在腔内的平均增益系数等于G t,但实际上轴向各点的反转集居数密度和增益系数是不相同的,波腹处增益系数(反转集居数密度)最小,波节处增益系数(反转集居数密度)最大。这一现象称作增益的空间烧孔效应。 2.空间烧孔引起多模振荡 我们再来看频率为νq‘的另一纵模, 其腔内光强分布示于图 (c)。由图可见, q模式的波腹有可能与q模的波节重合而获得较高的增益,从而形成较弱的振荡。以上讨论表明,由于轴向空间烧孔效应,不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡,这一现象叫做纵模的空间竞争。 2、非均匀加宽激光器的多纵模振荡 氦氖激光器模式分析实验看到的1米2腔长激光器产生13个纵模就是非均匀增宽的结果，这主要是多普勒效应引起的非均匀增宽。 在非均匀加宽激光器中,假设有多个纵模满足振荡条件,由于某一纵模光强的增加,并不会使整个增益曲线均匀下降,而只是在增益曲线上造成对称的两个烧孔,所以只要纵模间隔足够大,各纵模基本上互不相关,所有小信号增益系数大于Gt的纵模都能稳定振荡。 二、激光器的横模和振荡模的偏振态1、激光器的横模 在由稳定球面腔构成的激光器中，谐振腔允许一系列横模存在，使激光器振荡及输出的光束的空间横向分布依赖于谐振腔的几何结构和放大器介质的形状。 当只有TEM00模满足振荡条件时，输出高斯光束，其频率是等间隔的，间隔为c/(2?L) 。 当高阶模也满足振荡条件而振荡时，输出厄米—高斯光束，其频率是等不间隔的。 不同的横模，腔损耗不同，光斑半径也不同。因而在腔内占的体积大小不同，高阶模的腔损耗虽大，但增益却可能较大。这些均影响实际激光器的振荡模式和输出特性。 不同几何结构的光学谐振腔所构成激光器的不同横模的损耗和增益的差异对激光器振荡工作特性的影响往往是比较复杂的。 如下图所示。 不同横模，频率不等，相邻横模频差小于纵模频差。 在均匀加宽激光器中，除了上述沿腔轴方向、由驻波场所形成的增益“空间烧孔”外，对于能够起振的不同横模，由于在横截面内光强分布的不均匀性和节点位置的差别， 也可能存在增益的横向“空间烧孔”。 横向“烧孔”的存在极大的消除了不同频率的横模之间的竞争，从而维持了激光器的多横模振荡。 2、激光器的振荡模的偏振态 激光器的每个振荡模TEMmnq都可能有两个彼此独立、相互正交的偏振态存在，它们属于两个独立的振荡模式。 若激光器放大介质和谐振腔对这两种偏振态的同一TEMmnq模提供相同的增益和损耗，则这两种不同偏振态的模将同时起振，它们具有相同的频率和空间分布，甚至相同的光强，激光器将输出非偏振光 由于相互正交的这两种偏振态的模彼此独立，相互之间也会出现模