第五章--模式选择技术.ppt

第五章,模式选择技术Mode-SelectionTechniques,1）概述2）横模选择技术3）纵模选择技术4）模式测量方法,主要内容,5.1概述,5.3纵模选择技术,5.4模式测量,5.2横模选择技术,5.1概述,选模的目的：1、减少激光的模式数2、改善激光的方向性3、提高单色性。,5.1概述,激光器的模式：模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态-模式。（本征态是指聚合物未经任何物质掺杂）量子理论：可能区分的光子态。量子电动理论：电磁场的可能区分的量子态。腔内：纵模和横模,5.1概述,横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态改善激光的方向性,5.1概述,纵模：沿谐振腔轴线方向上的激光广场（电磁场）分布。改善激光的单色性。,横模,横模：腔内电磁场在垂直于其传播方向z的横向x-y面内存在的稳定场分布激光的模式表示：TEMmnTEM：横向电磁场;m、n：横模的序数m=n=0的模式（TEM00）称为基模，光斑最简单的结构不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同,基横模,为什么要选出基横模？基横模特点：1、光强是高斯形2、发散角最小随着横模序数的增加：1、光场的范围加大2、分布不均匀3、发散角越来越大。,为什么要选出基横模,一般激光器中有很多模式振荡，实际的光场分布是复合模。为了改善激光的方向性，必须选出基横模。,不同横模的光场强度分布,改善激光方向性、提高单色性,为什么要改善激光方向性、提高单色性？从实际应用需求来看：1、激光打孔2、激光全息,横模的形成,横模的选择,基本原理：不同横模的衍射损耗不同腔的总损耗：=d+i激光振荡的条件是G（单程增益大于单程损耗）,横模的选择,要选出基横模而使其他高阶模不能振荡两条原则：高阶模与基横模的衍射损耗之比要大，10/00大,即增大横模间的衍射损耗差别。（10要大）衍射损耗与总损耗之比d/要大，即总损耗主要由衍射损耗决定。,影响衍射损耗的因素,衍射损耗的大小是选横模的关键，衍射损耗与哪些因素有关？(1)与腔型，即g参数有关，不同腔型，衍射损耗不同；g=1-L/Ra、稳定腔b、准稳腔c、非稳腔,影响衍射损耗的因素,(2)与模序数有关，同一腔型不同横模，衍射损耗不同TEM00模00最小，随着模序数增加，d增大,影响衍射损耗的因素,(3)与菲涅耳数（N=a2/(L)）有关，同一腔型不同N，衍射损耗不同,影响衍射损耗的因素,1、g、N一定时10002、N一定时，g00103、g一定时，N0010,横模的选择理论,不同对称腔的10/00值与N的关系,横模的选择理论,横模的选择方法,1.谐振腔参数g和的选择法2.小孔光阑法选模3.腔内插入透镜选横模4、非稳腔的选模,谐振腔参数g和的选择法,小孔光阑法选模,在谐振腔中加一小孔光栏原理方法,腔内插入透镜选横模,聚焦光栏法：透镜+小孔光栏原理,腔内插入透镜选横模,改进：正+负透镜=望远镜,非稳腔的选模,什么是非稳腔？特点,5.3纵模选择技术,一纵模选择原理二纵模选择方法,一纵模选择原理,（1）实现单纵模选择的过程：减少荧光谱线选出基模纵模选择,振荡的纵模数：,（2）纵模选择的基本思想,二纵模选择方法,特点：只能选出具有一定宽度的谱线，不能选出单一的频率。,1色散腔粗选频率,方法:利用腔镜反射膜的光谱特性或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，不同波长的光束在空间分离，然后设法仅使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡。,图5.3-1所示是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。,设腔内之光束所允许的发散角为，则由于色散棱镜的分光作用，腔内激光波长所能允许的最小波长分离范围为,另一种色散腔是用一个反射光栅代替谐振腔的一个反射镜，如下图所示：,设腔内之光束所允许的发散角为，则光栅色散所能允许的最小分离波长范围是：,2tan0,2F-P标准具法,（1）F-P标准具的原理,F-P对不同波长的光束具有不同的透过率：,相邻两透过率极大值的间隔（自由光谱区）为：,除最大透过率外，其他频率处的透过率与R有关透过率曲线,特点：,R越大，峰越细锐,透射峰频率间隔相等,（2）选模,上图所示为F-P标准具法选纵模,优点：在于标准具平行平面板间的厚度可以做得很薄，由于腔长没有缩短，输出功率仍可很大。,固体激光器增益线宽较宽，L大使纵模间隔小，精细度受工艺限制，需用双标准器选模。,气体激光器增益线宽较窄，一个标准具即可；,3复合腔法,原理：用一个反射干涉仪系统取代谐振腔中的一个反射镜，则其组合反射率是光波长(频率)的函数。特点：组合反射率R随频率做周期性变化，在某些特定频率处R具有极大值。极大值之间的频率间隔是可以通过调整复合腔长来改变的。,（1）迈克耳孙干涉仪式复合腔,复合腔的频率间隔为：,适当选择l1及l2，可以使复合腔的频率间隔足够大，即两相邻纵模间隔足够大，与增益线宽相比拟时，即可实现单纵模运转。,（2）福克斯-史密斯(Fox-Smith)干涉仪复合腔,复合腔的两相邻的频率间隔为：,选择适当的l1及l2，使与增益线宽相比拟时，即可获得单纵模输出。,5.4模式测量方法,一直接观测法二光点扫描法三扫描干涉仪法四F-P照相法,一、直接观测法,不同的横模光场分布不同。对于连续的可见光波段的中、小功率激光器，这种方法比较适用；中等功率的激光采用烧蚀法观测。中小功率的红外激光器，还可用变像管或CCD摄像机观测横模。,变像管结构示意图,二、光点扫描法,利用光点扫描记录出光强分布曲线，从曲线上找出对应的横模。适用于连续激光器的横模测量。,图所示为光点扫描法装备,某些模的光强分布和对应的模式图样,扫描干涉仪主要由一个无源腔构成，腔的谐振频率：,下图为扫描干涉仪测横模原理图：,三、扫描干涉仪法,四、F-P照相法,F-P照相法来观测脉冲激光。,F-P照相法原理图,F-P标准具的透过率为：,投射最强时：T()=1,2ndcos=mm=0,1,2,.,满足上式的是同心圆环亮纹。若激光束的谱宽为，则有一宽度-圆环宽度。,若待测光只有一个频率，则产生圆环清晰。如二个模式，由于不同角不同，条纹不重合。,根据干涉条纹的套数来判定激光的模式。,特点：不但能测定模式数，而且可以测出激光谱宽。适用于连续和脉冲的激光器。,小结,一、选模的目的：减少腔内的模式数,横模：基横模方向性最好。纵模：单纵模单色性最好,二、横模选择技术,1、横模选择原理2、横模选择方法：,谐振腔参数g和