第5章-激光模式选择-2013.5.31

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。能量激光放大技术峰值功率短脉冲技术调Q锁模相干性选模稳频选纵模选横模其它：激光调制、激光偏转、激光频率转换等。激光的基本技术2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3一问题提出*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，二其余的频率则均被抑制。4567二.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。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。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(2).实现基模输出条件a.横模的鉴别能力足够大；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。9四.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;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，则可能同时振荡的纵模数qn0纵模选择技术一.纵模选择原理△νq△ν010Δνq=Δν0qn0112==22(1,2,3...)(1,2,3...):=(1,2,3...)(342)2nkxLqqnLqqqccqqnnL2=纵模序数光波频率谐振腔具有选频的作用，从频带很宽的光波中，选出满足谐振条件的光波频率，相谐振条件：（驻波对应的模式称条件）为纵模。2019/11/181219(1)222101,=1.5102qqcqcqcnLnLnLLcmncHznL相邻纵模频率之差称为：例a、腔长的He-Ne激光器,求但这只是谐振腔允许的谐振频率，真正激光输出的光波频率还要落在谱线范纵模间隔围之内。2019/11/1813009632.8nm11221.51012DqDDDHz其中只有落在Ne原子谱线的线宽范围内才能单纵模输出条件形成激光。2019/11/18148305.0102/DqqbLcmcHznL、若腔长，出现三个纵模(P55说明(=3fig)—.—多3.纵模激光器4.2)2019/11/18152()DqqtcLnLGG：（1）与谱线宽度有关，越大，可能出现的纵模个数越多（2）与激光器腔长有关显然越大越小，纵模个数越多（3）增益系数要大于阈值影响激光器纵模个数的因素2019/11/1816828+881=1aCO10.610=1.5102bAr514.5nm=6.0101.510=44DqDDqDDqmnmHzcHznLHzHz例：腔长均为的气体激光器，、激光，其纵模间隔为：单纵模输出、离子激光器谱线，其纵模间隔为：多纵模激光器可以输谱线宽度(线型函出个频数)率的光波2019/11/181712TTTTqqqqqqqqqcnL1231二、激光频率的根据谐振条件纵模序数为的频率当温度升高时，激光器腔长变长，频率降低。在温度时，g()的中心频率为，当温度上升到时，腔长变长，频率降低，但仍在谱线宽度内。当温度升为时，移到谱线宽度之外，而降到谱线宽度以内，并与温度漂移线型时函数相同。2019/11/18182qLq激光频率降至一定程度时又跳回原来的频率——跳模现象纵模在谐振腔中是以驻波形式出现的。一个纵模对应于腔内沿纵向的一个稳定的光场分布。，即（实际就是驻波条能够形成稳定的光场分布的条件是腔件）称为纵模的序数，表示沿纵长为半波长的整向驻波的数倍波节数。2019/11/1819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。202()''12001121=ln()2iGLitGGrrIeIGrrGLt-激光稳定状态的建立过程时达到稳定状态2019/11/1821qqHqqLGGGGtt四、均匀加宽谱线的模式竞争（1）单纵模振荡当足够小，足够大，使得只有一个纵模频率落在范围内，并且增益。当的光强不断增增益曲线不断下压增益正好等于，就建立了一个稳定状加时，导致，最终使得的，实现单纵模输出，激态光的单色性好。2019/11/1822核心问题:与饱和效应相关的模式(纵模或横模)之间的竞争！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。一、均匀增宽型谱线的纵模竞争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：，都落入内各自都有：11qqqvvv、、0GG阈Fv23(2)竞争或自选模过程阈G1qvqv1qvG00v如图，开始时：阈GG011,,qqqIII由于饱和效应，增益曲线下降。当降到曲线1时：1阈GGq1Iq+1停止上升，而Iq-1和Iq继续上升，增益曲线继续下降，使Iq+1迅速减小并熄灭。阈GGq1当降到曲线2时：阈GGq12Iq-1停止上升，而Iq继续上升，增益曲线继续下降，使阈GGq1，Iq-1熄灭。324当降到曲线3时：阈GGq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。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2526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，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”。G阈0：由于驻波场而造成的增益在空间分布不均匀的现象。：由于模式竞争而产生的单纵模是以驻波的形式沿轴向分布，驻波的波腹表示光强最大值，而波节表示光强的最小值。光强最大值所在的空间位置，有较多的光子参与受激辐射过程，使得该处的反转粒子数浓度以及空间烧孔效应原因增益系数变小。2019/11/18270000相反，在波节处反转粒子数浓度及增益系数是腔中最大值。如果腔内除单纵模以外，还有其他一些频率的光波在反射镜之间来回传播，形成驻波，的波节点恰与某个频率驻波的波腹点重合，则的光波可能获得较大增益，形成激光。这种振荡一般较弱，且可且能形成多个。2019/11/1828频率为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，使轴向各点的反转集居数密度和增益系数不同，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，这种现象称为增益的空间烧孔效应(spatialholeburning)。空间烧孔引起多模振荡q模腔内光强分布只有q模存在时的反转集居数密度的分布q'模腔内光强分布图•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，这一现象称为纵模的空间竞争。•如果激活粒子的空间转移很迅速，空间烧孔便无法形成。•气体工作物质中，粒子作无规则热运动，迅速的热运动消除了空间烧孔，以均匀加宽为主的高气压激光器可获得单纵模振荡。•固体工作物质中，激活粒子被束缚在晶格上，借助粒子和晶格的能量交换形成激发态粒子的空间转移，激发态粒子在空间转移半个波长所需的时间远远大于激光形成所需的时间，所以空间烧孔不能消除。以均匀加宽为主的固体激光器一般为多纵模振荡。怎样消除？采用含光隔离器的环形行波腔•由于横截面上光场分布的不均匀性，存在横向的空间烧孔。不同横模的光场分布不同，它们分别使用不同空间的激活粒子，当光强足够强时，可形成多横模振荡。二、非均匀加宽激光器的多纵模振荡一般情况下，外激励G0满足阈值条件的纵模振荡模式数1、多纵模振荡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，均能振荡，若激励越强，G0越大，满足振荡的纵模数越多。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，造成输出功率的起伏。激发增强IIG,结论：非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。3334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，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使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。(2)法布里-珀罗标准具法。(3)三反射镜法。)2(Lcνqqν如果激光工作物质具有发射多条不同波长的激光谱线，那么，在纵模选择之前，必须将频率进行粗选,将不需要的谱线抑制掉。例如,He-Ne激光器，可发射623.8nm，1.15m=1150nm，3.39m=3390nm三条谱线。二.纵模选择的方法,(色散腔粗选频率、短腔法、标准具法、复合腔法等)1.色散腔粗选频率λHe-Nelaser:0.6328,1.15,3.39μ01234μ35通常是利用腔镜反射膜的光谱特性(只对某个波段反射率大)或在