第五章模式選擇技術(shù)

第五章 模式選擇技術(shù)Mode SelectionTechniques 1 概述2 橫模選擇技術(shù)3 縱模選擇技術(shù)4 模式測量方法 主要內(nèi)容 5 1概述 5 3縱模選擇技術(shù) 5 4模式測量 5 2橫模選擇技術(shù) 5 1概述 選模的目的 1 減少激光的模式數(shù)2 改善激光的方向性3 提高單色性 5 1概述 激光器的模式 模式 在腔內(nèi)可能存在的穩(wěn)定光場的本征態(tài) 模式 本征態(tài)是指聚合物未經(jīng)任何物質(zhì)摻雜 量子理論 可能區(qū)分的光子態(tài) 量子電動理論 電磁場的可能區(qū)分的量子態(tài) 腔內(nèi) 縱模和橫模 5 1概述 橫模 在腔中垂直腔軸方向的電磁場的本征態(tài)改善激光的方向性 5 1概述 縱模 沿諧振腔軸線方向上的激光廣場 電磁場 分布 改善激光的單色性 橫模 橫模 腔內(nèi)電磁場在垂直于其傳播方向z的橫向x y面內(nèi)存在的穩(wěn)定場分布激光的模式表示 TEMmnTEM 橫向電磁場 m n 橫模的序數(shù)m n 0的模式 TEM00 稱為基模 光斑最簡單的結(jié)構(gòu)不同的橫模 光場分布不同 光束的發(fā)散角不同 基橫模 為什么要選出基橫模 基橫模特點(diǎn) 1 光強(qiáng)是高斯形2 發(fā)散角最小隨著橫模序數(shù)的增加 1 光場的范圍加大2 分布不均勻3 發(fā)散角越來越大 為什么要選出基橫模 一般激光器中有很多模式振蕩 實(shí)際的光場分布是復(fù)合模 為了改善激光的方向性 必須選出基橫模 不同橫模的光場強(qiáng)度分布 改善激光方向性 提高單色性 為什么要改善激光方向性 提高單色性 從實(shí)際應(yīng)用需求來看 1 激光打孔2 激光全息 橫模的形成 橫模的選擇 基本原理 不同橫模的衍射損耗不同腔的總損耗 d i激光振蕩的條件是G 單程增益大于單程損耗 橫模的選擇 要選出基橫模而使其他高階模不能振蕩兩條原則 高階模與基橫模的衍射損耗之比要大 10 00大 即增大橫模間的衍射損耗差別 10要大 衍射損耗與總損耗之比 d 要大 即總損耗主要由衍射損耗決定 影響衍射損耗的因素 衍射損耗的大小是選橫模的關(guān)鍵 衍射損耗與哪些因素有關(guān) 1 與腔型 即g參數(shù)有關(guān) 不同腔型 衍射損耗不同 g 1 L Ra 穩(wěn)定腔b 準(zhǔn)穩(wěn)腔c 非穩(wěn)腔 影響衍射損耗的因素 2 與模序數(shù)有關(guān) 同一腔型不同橫模 衍射損耗不同TEM00模 00最小 隨著模序數(shù)增加 d增大 影響衍射損耗的因素 3 與菲涅耳數(shù) N a2 L 有關(guān) 同一腔型不同N 衍射損耗不同 影響衍射損耗的因素 1 g N一定時 10 002 N一定時 g 00 103 g一定時 N 00 10 橫模的選擇理論 不同對稱腔的 10 00值與N的關(guān)系 橫模的選擇理論 橫模的選擇方法 1 諧振腔參數(shù)g和 的選擇法2 小孔光闌法選模3 腔內(nèi)插入透鏡選橫模4 非穩(wěn)腔的選模 諧振腔參數(shù)g和 的選擇法 小孔光闌法選模 在諧振腔中加一小孔光欄原理方法 腔內(nèi)插入透鏡選橫模 聚焦光欄法 透鏡 小孔光欄原理 腔內(nèi)插入透鏡選橫模 改進(jìn) 正 負(fù)透鏡 望遠(yuǎn)鏡 非穩(wěn)腔的選模 什么是非穩(wěn)腔 特點(diǎn) 5 3縱模選擇技術(shù) 一縱模選擇原理二縱模選擇方法 一縱模選擇原理 1 實(shí)現(xiàn)單縱模選擇的過程 減少熒光譜線選出基?？v模選擇 振蕩的縱模數(shù) 2 縱模選擇的基本思想 二縱模選擇方法 特點(diǎn) 只能選出具有一定寬度的譜線 不能選出單一的頻率 1色散腔粗選頻率 方法 利用腔鏡反射膜的光譜特性或在腔內(nèi)插入棱鏡或光柵等色散元件 不同波長的光束在空間分離 然后設(shè)法僅使較窄波長區(qū)域內(nèi)的光束在腔內(nèi)形成振蕩 圖5 3 1所示是腔內(nèi)插入色散棱鏡的粗選裝置圖 設(shè)腔內(nèi)之光束所允許的發(fā)散角為 則由于色散棱鏡的分光作用 腔內(nèi)激光波長所能允許的最小波長分離范圍為 另一種色散腔是用一個反射光柵代替諧振腔的一個反射鏡 如下圖所示 設(shè)腔內(nèi)之光束所允許的發(fā)散角為 則光柵色散所能允許的最小分離波長范圍是 2tan 0 2F P標(biāo)準(zhǔn)具法 1 F P標(biāo)準(zhǔn)具的原理 F P對不同波長的光束具有不同的透過率 相鄰兩透過率極大值的間隔 自由光譜區(qū) 為 除最大透過率外 其他頻率處的透過率與R有關(guān) 透過率曲線 特點(diǎn) R越大 峰越細(xì)銳 透射峰頻率間隔相等 2 選模 上圖所示為F P標(biāo)準(zhǔn)具法選縱模 優(yōu)點(diǎn) 在于標(biāo)準(zhǔn)具平行平面板間的厚度可以做得很薄 由于腔長沒有縮短 輸出功率仍可很大 固體激光器增益線寬較寬 L大使縱模間隔小 精細(xì)度受工藝限制 需用雙標(biāo)準(zhǔn)器選模 氣體激光器增益線寬較窄 一個標(biāo)準(zhǔn)具即可 3復(fù)合腔法 原理 用一個反射干涉儀系統(tǒng)取代諧振腔中的一個反射鏡 則其組合反射率是光波長 頻率 的函數(shù) 特點(diǎn) 組合反射率R隨頻率做周期性變化 在某些特定頻率處R具有極大值 極大值之間的頻率間隔是可以通過調(diào)整復(fù)合腔長來改變的 1 邁克耳孫干涉儀式復(fù)合腔 復(fù)合腔的頻率間隔為 適當(dāng)選擇l1及l(fā)2 可以使復(fù)合腔的頻率間隔足夠大 即兩相鄰縱模間隔足夠大 與增益線寬相比擬時 即可實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn) 2 ?？怂?史密斯 Fox Smith 干涉儀復(fù)合腔 復(fù)合腔的兩相鄰的頻率間隔為 選擇適當(dāng)?shù)膌1及l(fā)2 使與增益線寬相比擬時 即可獲得單縱模輸出 5 4模式測量方法 一直接觀測法二光點(diǎn)掃描法三掃描干涉儀法四F P照相法 一 直接觀測法 不同的橫模光場分布不同 對于連續(xù)的可見光波段的中 小功率激光器 這種方法比較適用 中等功率的激光采用燒蝕法觀測 中小功率的紅外激光器 還可用變像管或CCD攝像機(jī)觀測橫模 變像管結(jié)構(gòu)示意圖 二 光點(diǎn)掃描法 利用光點(diǎn)掃描記錄出光強(qiáng)分布曲線 從曲線上找出對應(yīng)的橫模 適用于連續(xù)激光器的橫模測量 圖所示為光點(diǎn)掃描法裝備 某些模的光強(qiáng)分布和對應(yīng)的模式圖樣 掃描干涉儀主要由一個無源腔構(gòu)成 腔的諧振頻率 下圖為掃描干涉儀測橫模原理圖 三 掃描干涉儀法 四 F P照相法 F P照相法來觀測脈沖激光 F P照相法原理圖 F P標(biāo)準(zhǔn)具的透過率為 投射最強(qiáng)時 T 1 2ndcos m m 0 1 2 滿足上式的 是同心圓環(huán)亮紋 若激光束的譜寬為 則 有一寬度 圓環(huán)寬度 若待測光只有一個頻率 則產(chǎn)生圓環(huán)清晰 如二個模式 由于 不同 角不同 條紋不重合 根據(jù)干涉條紋的套數(shù)來判定激光的模式 特點(diǎn) 不但能測定模式數(shù) 而且可以測出激光譜寬 適用于連續(xù)和脈沖的激光器 小結(jié) 一 選模的目的 減少腔內(nèi)的模式數(shù) 橫模 基橫模 方向性最好 縱模 單縱模 單色性最好 二 橫模選擇技術(shù) 1 橫模選擇原理2 橫模選擇方法 諧振腔參數(shù)g和