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1、激光技术之-模式选择提要基横模的选择单纵模的选择7.1概述要求激光方向性或单色性很好。要求对激光谐振腔的模式进行选择。模式选择技术可分为两大类:一类是横模选择技术;另一类是纵模选择技术。从激光原理可知,所谓横模,就是指在谐振腔的横截面内激光光场的分布。如图5.1-1所示的是几个低级横模的光场强度分布照片。横模阶数越高,光强分布就越复杂且分布范围越大,因而其光束发散角越大。不同横模的光场强度TEM00TEM10TEM20TEM30TEM00TEM10TEM20TEM30TEM40TEM50TEM21TEM22TEM01TEM02TEM03TEM00TEM10TE
2、M20图7.1-1不同横模的光场强度反之，基模(TEM00)的光强分布图案呈圆形且分布范围很小,其光束发散角最小,功率密度最大，因此亮度也最高，径向强度分布是均匀的。横模虽容易观察，但其产生原因较复杂，比如：不在轴上光束的加强干涉，工作物质的色散、散射效应及腔内光束的衍射效应等等，都对横模有影响。这里只就第一种原因作简单分析，认为在腔内光束除与腔轴严格平行外，有那些稍微偏离走“Z”字形的光束,虽经多次反射后,仍未偏出腔外，能符合2nLcosθ=kλ条件,因而在某一θ方向存在着加强干涉的波长,设以Z代表腔轴方向，垂直Z的截面为XY平面。这截面所产生的部分横模如图
3、。标记TEMmn中TEM代表电磁横波，图上的标记符号，是从微波技术上接过来的，m代表x方向上的波节数,n代表y方向上波节数。以轴为基准,TEM00代表单模或名基模。TEM10代表m=1，n=0的模，余类推。相邻横模的波长差，随着具体的腔的结构及反射镜的调节不同颇不一致。另外，相邻横模的偏振方向虽相同，但有的有π位相差,如图中所示的箭头。由应用光学可知,其光斑直径d=fθ(f为透镜焦距，θ为光束发散角)。经过选模之后，输出功率可能有所降低,但由于发散度的改善，其亮度可提高几个数量级,横模选择技术是使激光发散角小。如:n为折射率，L为腔长,因所以取微分后Δν=c/
4、2nL纵模选择技术则是单频激光运转的必要手段。所谓纵模,就是指沿谐振腔轴线方向上的激光光场分布。对于一般腔长的激光器,往往同时产生几个甚至几百个纵模振荡;纵模个数取决于激光的增益曲线宽度及相邻两个纵模的频率间隔。本章分别简述这两类模式选择的原理。5.2横模选择技术由激光原理可知，一台激光器的谐振腔中可能有若干个稳定的振荡模，只要某一种模的单程增益大于其单程损耗，即满足激光振荡条件，该模式就有可能被激发而起振。设谐振腔两端反射镜的反射率分别为r1、r2，单程损耗为δ，单程增益系数为G，激光工作物质长度为L，则初始光强为I0的某个横模(TEMmn)的光在谐振腔内经
5、过一次往返后，由于增益和损耗两种因素的影响，其光强变为:##一.横模选择原理激光器即可实现单横模(TEM00)运转。(5.2-1)阈值条件为I≥I0即I/I0≥1由此得出r1r2(1-)2exp(2GL)≥1(5.2-2)下面考察两个最低阶次的横模TEM00和TEM10模的情况，认为激活介质对各横模的增益系数相同，当同时满足下列两个不等式：＞1(5.2-3)＜1(5.2-4)谐振腔存在两种不同性质的损耗，一种是与横模阶数无关的损耗；另一种则是与横模阶数密切相关的衍射损耗，在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，随着横模阶数的增高，其衍射损耗也逐渐增大。图5.2-1所
6、示的即为用数值求解方法得到的对称圆镜稳定球面腔的两个最低阶横模的单程衍射损耗曲线。由图可见，在菲涅耳数N值相同的情况下,对称稳定腔的衍射损耗随
7、g
8、的减小而降低。谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗的性能是实现横模选择的物理基础，
9、g
10、=
11、1-L/R
12、图5.2-1不同构形对称谐振腔的衍射损耗随N的变化N=α2/(λL)，(a)TEM00模N=α2/(λL)，(b)TEM10模100而适当选择菲涅耳数N值，使之满足(5.2-3)和(5.2-4)式，则可以实现单横模选择的目的。考虑到模式间的竞争，选单横模的条件还可以放宽些，当满足条件(5.2-5)其一，衍射损耗在模的
13、总损耗中必须占有重要地位，达到能与其他非选择性损耗相比拟的程度。为此，必须尽量减小腔内各元件的吸收、散射等损耗，从而相对增大衍射损耗在总损耗中的比例。通过减小腔的菲涅数N也可以达到这一目的。时即可。为了有效地选择横模，还必须考虑两个问题，其二，横模选择除了考虑各横模衍射损耗的绝对值大小之外，还应考虑横模的鉴别能力，即基模与较高横模的衍射损耗的差别必须足够大(即δ10／δ00比值大)，才能有效地把两个模区分开来，以易于实现选模。图5.2-2各种对称腔的δ10/δ00与N的关系横模的鉴别力随N的增加而变大，但衍射损耗随N的增加而减小;N要选择适当(折中一下：一般0
14、.5-2)横模衍射损耗的差别不仅与不同
