1、,激光特性的控制与改善,6.2 激光器选模,一、激光单纵模的选取,1,短腔法,根据前面所学谐振腔知识可知，两相邻纵模间的频率差为：,其中为折射率，L为谐振腔腔长。,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即可。,一、激光单纵模的选取,1,短腔法,优缺点：,腔长受到限制，工作物质长度受限制，从而限制输出功率； 当谱线荧光宽度很宽时，就要使腔长很短，激光工作物质的长度则要缩短，难于实现粒子数反转和激光输出。,一、激光单纵模的选取,2,法布里-珀罗标准具法,法布里波罗标准具用透射率很高地材料制成，两个端面平行且镀有高反射率地反射膜，在激光器的谐振腔内几乎垂直于
2、腔轴地插入，如图6.2.1。,图6.2.1 法布里-珀罗标准具法示意图,一、激光单纵模的选取,2,法布里-珀罗标准具法,由于多光束干涉的结果，只允许若干个很窄的频率带宽的光通过，其透过光的频率为：,式子为工作物质的折射率，为标准具法线与谐振腔轴线的倾角，为标准具的折射率，d为标准具的厚度，m为整数。,一、激光单纵模的选取,2,法布里-珀罗标准具法,适当的调整角，就可以达到选频的目的。因为这时激光振荡的频率不仅要满足谐振条件，还要对标准具有最大的透过率，从频率的公式可以看出，满足最大透过率的相邻两纵模的间隔为：,讨 论,注：谐振腔相邻纵模频率间隔为：,一、激光单纵模的选取,2,法布里-珀罗标准具
3、法,结 论,一、激光单纵模的选取,2,三反射镜法,激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替。图6.2.2 三反射镜法,图6.2.2 三反射镜法,一、激光单纵模的选取,3,三反射镜法,说明：其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜。 这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其腔长为L1+L2；另一个由M3、M4组成，其腔长为L2+L3，两个谐振腔的纵模频率间隔分别为 c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3) ，只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要L2+L3足够小就可以获得单纵模输出。,二、激光单横模的选取,激光器的损耗分为两种： 1)与横模阶数
4、有关的衍射损耗 2)其它损耗（输出损耗、散射损耗、吸收损耗等）,横模选择的实质就是只有TEM00模振荡，一般只要抑制TEM10和TEM01模也就抑制其它更高阶横模了,二、激光单横模的选取,1,衍射损耗和菲涅尔数,由于镜子有限尺寸而引起的光能量损失，每一次反射都有光衍射到镜面外，造成损失，称为衍射损耗。,分析衍射损耗时为了方便，引入一个参量“菲涅尔数”，它定义为：,二、激光单横模的选取,1,衍射损耗和菲涅尔数,衍射损耗与菲涅耳数N的关系一般是比较复杂的，往往写不出解析的表达式而需要用计算机进行数字计算。 因此，通常都是将计数结果画成曲线，这就是所谓的衍射损耗曲线。,二、激光单横模的选取,1,衍射
5、损耗和菲涅尔数,衍射损耗曲线如图6.2.3,图示为圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的 曲线可见：基模的损耗最小，横模阶数越高，损耗越大；N值越大，损耗越大。,图6.2.3 不同腔的衍射损耗曲线,二、激光单横模的选取,1,衍射损耗和菲涅尔数,结论：抑制高阶横模需要两方面的条件,基横模光束的衍射损耗小，使得基横模不仅满足振荡的阈值条件，而且有较大功率输出； 高阶横模的衍射损耗足够大。,二、激光单横模的选取,2,光阑法选取单横波,问 题： 基模光斑半径最小，高阶横模的光束截面阶数越大半径越大比基横模大,常用思路： 在腔内靠近反射镜的地方放置一个半径与基模半径相当的小孔光阑，减小有效孔径a，从而减小菲涅
6、耳数N，就可以大大增加高阶横模的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。,二、激光单横模的选取,2,光阑法选取单横波,补 充： 气体激光器：毛细管直径较细可以代替小孔光阑，固体激光器，棒不可能很细，所以一要加入光阑聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模。,二、激光单横模的选取,3,聚焦光阑法选横模,装 置： 如图6.2.4所示，在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率。,图6.2.4 聚焦光阑法选横模,二、激光单横模的选取,3,聚焦光阑法选横模,原 理： 腔内加上两个共焦透镜，光束经聚焦后再经过小孔光阑，只有那些沿着轴向行进的平行光经聚焦后才能通过小孔光阑，往返振荡，其它方向上的光束聚焦后则被小孔阻截。,优 点： 这种装置既保证了小孔光阑的选模特性，又提高了激活介质的利用率。增大激光的输出功率。,二、激光单横模的选取,4,腔内望远镜法选横模,装 置：,原 理： 在聚焦光阑法的基础上，在谐振腔内插入一组由凹凸透镜组成的望远镜系统，将光阑放在凹透镜的左边，这样的结构避免了实焦点，光阑所在处不是焦点位置，不会因为能量过于集中而损坏光阑材料。,图6.2.5 腔内望远镜法选横模,二、激光单横模的选取,4,腔内望远镜法选横模,优 点： 充分利用工作物质，保证基模大功率输出；输出光斑大小适中，不至于损坏元件；望远镜离较量调节，是稳定性范围广、稳定性高,
