教学课件第二节激光器的振荡模式和模式选择.ppt

《教学课件第二节激光器的振荡模式和模式选择.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、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

2、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

3、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在均匀加宽激光器中,几个满足阈值条件的纵模在振荡过程中互相竞争,结果总是靠近中心频率v0的一个纵模得胜,形成稳定振荡,其他纵模

4、都被抑熄灭。因此,理想情况下,均匀加宽稳态激光器的输出应是单纵模的,单纵模的频率总是谱线中心频率附近。同样,不同横模间也会发生上述竞争过程,由于不同横模具有不同的阈值,竞争的情况比较复杂。图二图三图四(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Gt,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

5、称作增益的空间烧孔效应。由以上分析可知,均匀加宽稳态激光器应为单纵模输出。但实际上,当激发较强时往往出现多纵模振荡。激发越强,振荡模式越多。下面分析产生这一现象的原因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。如果激活粒子的空间转移很迅速,空间烧孔便无法形成。在气体工作物质中,

6、粒子作无规热运动,迅速的热运动消除了空间烧孔,所以以均匀加宽为主的高气压气体激光器可获得单纵模振荡。在固体工作物质中,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。如不采取特殊措施,以均匀加宽为主的固体光器一般为多纵模振荡。在含光隔离器的环形行波腔内,光强沿轴向均匀分布,不存在空间烧孔,因而可以得到单纵模振荡。激光器中,除了存在轴向空间烧孔外,由于横截面上光场分布的不均匀性,还存在着横向的空间烧孔。

7、由于横向空间烧孔的尺度较大,激活粒子的空间转移过程不能消除横向空间烧孔。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,因此当激励足够强时,可形成多横模振荡。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

8、数大于Gt的纵模都能稳定振荡。图非均匀加宽激光器的增益曲线和振荡模谱在非均匀加宽激光器中也存在模竞争现象。例如,当νq=νo时,νq+1及νq-1模形成的两个烧孔重合,也就是说,它们共用同一种表观中心频率的激活粒子,因而存在模竞争,此时νq-1模及νq+1模的输出功率会有无规起伏。此外,当相邻纵模所形成的烧孔重叠时,相邻纵模因共用一部分激活粒子而相互竞争。二、激光器的横模