3-6激光器的输出特性-激光器的输出选频

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1、4.1.1单纵模的选取一均匀增宽型谱线的纵模竞争1.对于均匀增益型介质，当强度很大的光通过时粒子数反转分布值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变，如图：当谐振腔的长度足够大，即多纵模的情况下且每个纵模的小讯号增益都大于增益阈值时，这些纵模都可能在腔内形成振荡。如图所示，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件。随着腔内光强逐步增强，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光强继续增长，最后变为曲线3的情形。若此时的光强为Iq，则有，于是振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模的振荡。这种现象叫做“纵模的

2、竞争”，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二非均匀增宽型谱线的多纵模振荡对非均匀增宽型介质来说，某一种纵模的光强增强时，增益的饱和并不引起整个增益曲线下降，而是在该纵模对应的频率处形成一个凹陷（即“烧孔”效应）。如果一个非均匀增宽谱线稳定激光器有多个纵模的小讯号增益系数都大于阈值的话，那么这些纵模就都可以建立自己的振荡三单纵模的选取要提高光束的单色性和相干长度，就需要使激光器工作在单一频率下。常用的选频方法：1.缩短谐振腔的长度：q=c/2L这种方法的缺点是由于腔长缩短，使得双程增益减少

3、，常常得不到足够的输出功率，因此，这种方法常用在对激光输出功率要求不高的场合。2.腔内插入标准具：如图所示，在外腔激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里－波罗标准具。它是用透射率很高的材料制成，两个端面平行且镀有高反射率的反射膜，其对于满足的光具有极高的透射率。这时的产生的激光频率不仅要符合谐振条件，还要对标准具有最大的透射率。能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为而谐振腔的纵模频率间隔为使m远大于纵，从而使得在整个谱线宽度内只有一个m具有最大透率。如果我们再适当地调整角，就可以使得具有最大

4、透射率的m正好等于激光器的多个纵模中的某个纵模q所对应的频率q、这样就使得只有纵模q对标准具有较高的透射率而形成振荡3.三反射镜法：如图所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当投射率的部分透射部分反射镜。这个组合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。如果L2、L3较短，就形成了一个短谐振腔和一个长谐振腔的耦合。两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3

5、)4.1.2激光单横模的选取一衍射损耗与菲涅耳数1.如图所示，设有一个腔长为L，反射镜直径为2a的激光器，腔内传播的是一高斯光束，该光束在镜面处的场强分布可以写为：由于光强的分布正比于场强的平方，故镜面处的光强分布为:从上式看出光强I的分布一直弥散到，但是由于反射镜尺寸的限制，处的光能量将落到镜面外而逸出腔体，这将引起能量的损耗，这种由于衍射效应使光束向边缘处弥散而形成的光能量的损耗称为“衍射损耗”。设射向镜面的总光功率为I，落在处因而损耗了的光功率为I’，则我们定义谐振腔的单程衍射损耗为下面以共焦腔为例，估算

6、一下单程衍射损耗，先计算I和I’：反射镜半径a越大，则衍射损耗越小。镜面光斑尺寸越小，则衍射损耗也越小。下面我们把上式进一步具体化，从而引入一个在衍射理论中经常用到的参量——菲涅耳数。由共焦腔基横模的镜面光斑尺寸对于共焦腔的基横模来说，衍射损耗只与菲涅耳数N有关，N越大则衍射损耗越小。菲涅耳数是表征谐振腔衍射损耗的一个特征参数。二衍射损耗曲线1.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。图画出了圆截面

7、共焦腔和圆截面平行平面腔的曲线，1．N越大则越小；2．在同样的N下，横模序数越高则越大；3.在同样的N和同样的横模序数下，共焦腔的比平行平面腔的小得多，这是由于凹面镜的会聚作用使光能更集中于中心处的缘故。二衍射损耗曲线图中画出了对称腔TEM00模的单程衍射损耗随菲涅耳数的变化。在相同的N下，越接近于共焦腔(g＝0)衍射损耗越小。三高阶横模的抑制一般说来，抑制高阶横模需要两方面的条件：一方面是要求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，而且有较大的功率输出；另一方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大

8、。下面介绍两种常用的抑制高阶横模的方法。1．调节反射镜2．腔内加光阑：高阶横模的光束截面比基横模大，故减小增益介质的有效孔径a，从而减小菲涅耳数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。最简单的办法就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光阑（用于增益较低的气体激光器），如图所示。