長春理工大學 激光器件與技術第四章-3講

第4章

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模式選擇技術§4.3縱模選擇技術一.縱模選擇原理激光器中某一個縱模能否起振和維持振蕩主要取決于這一個縱模的增益與損耗值的相對大小。使諧振腔中可能存在的縱模中只有一個滿足振蕩的條件，則激光器即可實現單縱模運轉

。對同一個橫模的不同縱模之間，其損耗一樣的，但不同縱模之間的增益存在差異。利用不同縱模之間的增益差異，在腔內引入一定的選擇性損耗（如插入標準具），使欲選的縱模損耗最小，而其余縱模的附加損耗較大，即增大各縱模間凈增益差異，使得只有中心頻率附近的少數增益大的縱模建立起振蕩。

模式競爭機制！§4.3縱模選擇技術1.均勻增寬型譜線的縱模競爭(1)當強度很大的光通過均勻增益型介質時，由于受激輻射，粒子數反轉分布值下降，增益系數相應下降，但光譜的線型并不改變。(2)多縱模的情況下，如圖4-1所示，設有q-1，q，q+1三個縱模滿足振蕩條件。隨著腔內光強逐步增強，增益系數降到閾值以下，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光強繼續(xù)增長，最后變?yōu)榍€3的情形。(3)若此時的光強為Iq，則有G(vq

,Iq)=G閾，于是振蕩達到穩(wěn)定，使激光器的內部只剩下q縱模的振蕩。這種現象叫做“縱模的競爭”，競爭的結果總是最靠近譜線中心頻率的那個縱模被保持下來。(4)在均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器中，當激發(fā)比較強時，也可能有比較弱的其他縱模出現，這種現象稱為模的“空間競爭”。圖4-1均勻增寬型譜線縱模競爭每個發(fā)光粒子對形成整個光譜線型都有相同的貢獻§4.3縱模選擇技術2.非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩(1)對于非均勻增寬型介質來說，某一縱模的光強增強時，增益的飽和并不引起整個增益曲線下降，而是在該縱模對應的頻率處形成一個凹陷，即“燒孔效應”。每個發(fā)光粒子只對整個光譜線型中與它的中心頻率相應的部分有貢獻(2)如果一個非均勻增寬激光器有多個縱模的小信號增益系數都大于閾值的話，那么這些縱模就都可以建立自己的振蕩。(3)非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個縱模。非均勻增寬型增益飽和曲線頻率為v1、強度為I的光波通過非均勻增益介質時，由于受激輻射，反轉粒子數下降，導致增益也下降。由于各個發(fā)光粒子對光譜線型的貢獻不同，因此，只在v1附近寬度約為v1+Δv的范圍內有增益飽和作用，在增益曲線上產生“燒孔”?！?.3縱模選擇技術普通激光器的輸出（多橫模、多縱模）不同橫模具有不同的諧振頻率，故參與振蕩的橫模數越多，總的振蕩頻譜結構就越復雜；當腔內只存在單橫模TEM00振蕩時，其振蕩頻譜結構才比較簡單，為一系列分立的振蕩頻率，間隔為c/(2nL)。激光器的振蕩頻率范圍由工作物質的增益曲線寬度決定，而產生多縱模振蕩數則是由增益線寬和諧振腔兩相鄰縱模的頻率間隔決定的，即在增益線寬內，只要有幾個縱模同時達到振蕩閾值，一般都能形成振蕩。因此，對于一臺普通激光器，要實現單縱模運轉：頻率粗選法抑制不需要的譜線；橫模選擇法選出TEM00模；縱模選擇。§4.3縱模選擇技術二.縱模選擇方法色散腔粗選頻率1短腔法2F-P標準具法3復合腔法4其他方法5§4.3縱模選擇技術1.色散腔粗選頻率激光介質的譜線常常不止一條，在選單一頻率之前，如果先使激光處在單一的譜線上,對選縱模有利。例如：He-Ne激光器：632.8nm，1.15μm，3.39μm

Nd:YAG激光器：0.9μm，1.06μm，1.3μm原理：在腔中加入一色散元件，使不同波長的光在空間分離，其中只有較窄波長范圍的光振蕩，其他波長的光偏離腔外。選出一條譜線,譜線的寬度可以達到10nm色散元件：棱鏡、光柵?！?.3縱模選擇技術棱鏡光通過棱鏡時，由于棱鏡的色散效應(介質的折射率n與光的波長有關)，不同波長的光出射角不同，則損耗不同，能夠振蕩的光只有一范圍Δλ(缺點：引入腔內光束的透射損耗)

Dλ為角色散率θ為腔內光束允許的發(fā)散角(1)§4.3縱模選擇技術光柵:根據光柵方程:α1為光線在光柵上的入射角，α2為光線在光柵上的衍射角。m為衍射級次通常光柵工作在自準直情況下，即α1=α2=α0，α0為光柵閃耀角，即光柵的平面法線與每條縫的平面法線之間的夾角。光柵方程簡化為:可見：當光柵常數d和衍射級次m一定時，波長是α0的正弦函數。旋轉光柵時，就可將所需要的波長選出。

(3)(2)(4)光柵色散所能允許的最小分離波長范圍為:

§4.3縱模選擇技術棱鏡選模vs光柵選模只能選出具有一定寬度的譜線，不能選出單一的頻率。光柵的選擇能力比棱鏡高；光柵法不存在光束的透射損耗，可適用于較寬廣的光譜區(qū)域的激光器。

§4.3縱模選擇技術2.短腔法激光振蕩的可能縱模數主要由工作物質的增益線寬Δv0和諧振腔的縱模間隔Δvq決定?？v模間隔Δvq=c/(2nL)與腔長成反比。原理：利用減少腔長的辦法增加縱模頻率間隔，當Δvq>Δv0時，實現單模振蕩。特點：①結構簡單，無插入損耗，只需縮短腔長即可實現單模。②輸出功率減小，腔長短，工作物質尺寸小，模體積小，輸出功率小。③比較適用于增益介質線寬Δv0窄的氣體激光器中。§4.3縱模選擇技術舉例：對于He-Ne激光器，當腔長L=1m時，縱模間隔Δvq=c/(2nL)=150MHz，在增益線寬Δv0=1500MHz范圍內可能有10個縱模振蕩；當腔長L縮短到10cm時，Δvq=1500MHz，此時就可能只有一個縱模振蕩。對于Nd:YAG激光器，增益線寬Δv0=200GHz范圍，若要求單縱模振蕩，就要求腔長為0.4mm。太短腔長限制激光器輸出功率，因此短腔法只適用于增益線寬較窄的激光器?！?.3縱模選擇技術3.法布里－珀羅標準具(F-P)法F-P原理：由兩塊平行板玻璃組成，它是利用多光束的干涉原理做成的。它對光的透過率和反射率均是波長(頻率)的周期函數.標準具的精細度：R為標準具的反射率；d為標準具的厚度φ為標準具中參與多光束干涉效應的相鄰兩光束的相位差α’為光束進入標準具后的折射角(5)當R>0.5時，該式才適用，而R值較小時，F的值就接近于2！§4.3縱模選擇技術標準具的幾個參數：標準具的厚度：nd標準具的反射率：R(6)標準具的自由光譜區(qū)：（有最大透過率的相鄰兩頻率的間隔）§4.3縱模選擇技術F-P選模原理：當把標準具放在腔內時，除了處于標準具最大透過率頻率的光之外，其他頻率的光由于反射損耗大，不能振蕩，激光的振蕩頻率受到限制。實現單一縱模的條件：通過F-P標準具的采用，使其決定的自由光譜區(qū)與激光工作物質的增益線寬相當，標準具只有一個最大透過率頻寬落在介質的增益線寬之內；§4.3縱模選擇技術雙標準具選單縱模氣體激光器的熒光線寬比較窄，只用一個標準具容易實現單縱模選??；對于固體激光器，由于熒光線寬很寬，腔內縱模數非常多，只用一個標準具往往難以實現。同時受工藝的限制，標準具的精細度不可能有很大數值。當激光器腔長較長時，縱模間隔較小，如果標準具的自由光譜區(qū)很大，則它的帶寬也很寬，難以保證單縱模振蕩，所以需插入第二個自由光譜區(qū)較小的標準具才能獲得單縱模輸出?！?.3縱模選擇技術輸出功率比較大。通過改變標準具參數的方法適用于各類激光器選模。存在插入損耗。腔內激光能量不能太高，否則損害標準具。F-P標準具選單縱模的特點：§4.3縱模選擇技術4.復合腔法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。組合反射率R隨頻率作周期性變化；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整復合腔長來改變。a)邁克爾遜干涉儀式b)?？怂?史密斯干涉儀式邁克爾遜干涉儀式復合腔，它由一個邁克爾遜干涉儀取代諧振腔的一個反射鏡構成。該腔可看做由兩個子腔組合而成，全反鏡M和M1組成一子腔，腔長為L+l1，諧振頻率為：§4.3縱模選擇技術而且第一個子腔的光束經過N個頻率間隔后的頻率正好和第二個子腔的光束經過N+1個頻率間隔的頻率再次相等。由此可得到復合腔的頻率間隔為另一個腔由全反鏡M和M2構成，腔長為L+l2，諧振頻率為：激光器的諧振頻率必須同時滿足上面兩個條件，即：可見：適當選擇l1和l2，使復合腔的頻率間隔足夠大，與增益線寬相比擬時，即可實現單縱模運轉。

(7)(8)(9)可見：適當選擇l1和l2，使復合腔的頻率間隔足夠大，與增益線寬相比擬時，即可實現單縱模運轉。

§4.3縱模選擇技術?？怂?史密斯干涉儀式復合腔，諧振腔由兩個子腔組合而成，全反鏡M和M2組成一子腔，腔長為L+l2，諧振頻率為：而且第一個子腔的光束經過N個頻率間隔后的頻率正好和第二個子腔的光束經過N+1個頻率間隔的頻率再次相等。由此可得到復合腔的頻率間隔為：另一個腔由全反鏡M和M1構成，腔長為L+2l2+l1，光束從B→M2→B→M1，諧振頻率為：激光器的諧振頻率必須同時滿足上面兩個條件，即：(9)(10)(11)§4.3縱模選擇技術5.其他選縱模方法---環(huán)形行波腔選縱模在一般的直式諧振腔中，振蕩的光場是駐波場，存在駐波效應，造成腔內光強分布的空間縱向不均勻性，從而導致反轉粒子數空間分布不均勻或空間燒孔效應。為了使均勻加寬激光介質通過模式競爭以實現單縱模振蕩，必須消除腔內造成的空間非均勻效應的駐波場。采用環(huán)形腔結構，并在腔中放置由起偏器、法拉第旋轉器和石英晶片組成的光學隔離器，使激光器只能以行波方式單向傳播。在行波腔中，光強最大值不是固定在空間某處，而是隨著光波的傳播而改變的，受激輻射可均勻地消耗介質反轉粒子數，消除駐波效應。由于增益飽和，在各縱模間的模式競爭中，處于中心頻率的單縱模占優(yōu)勢，最終獲得單縱模激光輸出?！?.3縱模選擇技術5.其他選縱模方法---Q開關選單縱模基于不同縱模(同一橫模)間存在的增益差異選單縱模。Q開關處于不完全關閉時，中心頻率處少數增益大的縱模建立起振蕩，充分縱模間的競爭后，輸出中心頻率的縱模；Q開關打開后，使已形成的單縱模充分放大，最后輸出一個高功率的單模激光脈沖。§4.3縱模選擇技術要得到單一的模式，除了合適的方法之外，還需要注意以下幾個問題：1.光泵均勻-增益均勻2.固體工作物質的光學均勻性好-增益均勻3.腔鏡調整：盡量對稱使軸線重合,否則模式畸變。4.光學表面清潔5.動態(tài)比靜態(tài)困難6.破壞問題只有合理的選模方法，并克服種種不利因素，才能得到高質量的激光模?！?.4模式測量方法1.直接觀察法對于連續(xù)的可見光波段的中小功率激光器，在激光輸出光路上放置一個屏，用眼睛直接觀測激光的橫模圖樣。鑒別能力差，對強光和不可見光不適用。對中等功率的紅外激光，采用燒蝕法，用木塊、有機玻璃、耐火磚等觀測激光燒蝕出的圖形。對于1.06μm的近紅外激光，可采用上轉換材料將近紅外光轉換成可見光。對于中小功率的紅外激光器，可采用CCD相機觀測橫模。優(yōu)點是靈敏度高，鑒模能力比前幾種強?！?.3縱模選擇技術2.光點掃描法

把輸出激光光強在x、y方向上逐點掃描出，在示波器上顯示出來，或用函數記錄儀把光強的分布直接接收下來劃出曲線，根據曲線的形狀，判定模式。適用于連續(xù)激光器的橫模測量。3.掃描干涉儀法根據干涉儀原理，只有與干涉儀無源腔本征模一致的那部分激光光場才能耦合輸出。但是只適于連續(xù)激光器的輸出模式測量?！?.3縱模選擇技術4.F-P照相法主要是基于不同角度的入射光線，經標準具兩平面多次反射后，變成與光軸呈不同角度的一組平行光束，經L1后的透射光在透鏡L1的焦平面上形成等傾干涉條紋。借助于干涉條紋的套數，可以判別激光器的模式情況。通過照相可直接測量屏上干涉亮條紋的寬度，進而求出激光的線寬。適于連續(xù)激光器和脈沖激光器?？v模選