激光原理與激光技術(shù)完整第七章課件

1、激光原理與激光技術(shù)完整第七章1第七章 模式選擇與測(cè)量概述：激光的許多應(yīng)用領(lǐng)域要求激光束具有好的光束質(zhì)量。光束質(zhì)量：方向性（橫模），單色性（縱模）橫模：激光束橫截面內(nèi)激光光場(chǎng)的分布。方形鏡穩(wěn)定球面腔橫模示意圖00tem10tem20tem00tem10tem20tem圓形鏡穩(wěn)定球面腔橫模示意圖激光原理與激光技術(shù)完整第七章2 實(shí)際中的激光器如不采取特殊措施，往往有多個(gè)橫模及多個(gè)縱模同時(shí)在腔內(nèi)振蕩，導(dǎo)致光束質(zhì)量差。為了提高光束質(zhì)量，就要采用橫模及縱模選擇技術(shù)，從眾多的模式中選出 模和單縱模。00tem縱模：沿諧振腔軸線上的激光光場(chǎng)分布。 單橫模，單縱模激光具有極好的相干性和單色性?；５陌l(fā)散角最小，

2、徑向強(qiáng)度分布均勻。00tem 7.1 橫模選擇技術(shù)一、橫模選擇原理 一臺(tái)激光器的諧振腔中可能有若干個(gè)穩(wěn)定的振蕩模，考慮由兩個(gè)反射鏡構(gòu)成的諧振腔，反射率分別為： ，單程損耗 ，單程增益系數(shù) ，工作物質(zhì)長(zhǎng) ，初始光強(qiáng) 在腔內(nèi)往返一周后，光強(qiáng)度變?yōu)椋?2r , r0ilg2012i= i r r (1)e x p 2 g l 激光原理與激光技術(shù)完整第七章3如果滿足下式：由閾值條件：2012iir r (1)e x p 2 g l 1現(xiàn)考慮最低階次的兩個(gè)橫模 ，單程損耗分別為 0010tem ,tem0010,120 0r r (1) ex p g l 1121 0r r (1) e x p g l

3、1則激光器可實(shí)現(xiàn)單橫 ( )運(yùn)轉(zhuǎn)00tem 橫模選擇的物理基礎(chǔ)是：利用諧振腔對(duì)不同階橫模具有不同衍射損耗的性能。（基模的衍射損耗最低，隨著橫模階次的增高，衍射損耗增加）。從而通過(guò)設(shè)計(jì)諧振腔，使上式滿足，實(shí)現(xiàn)選模。激光原理與激光技術(shù)完整第七章4 （1）衍射損耗在模的總損耗中占有重要地位，大小與其它非選擇性損耗相比擬（如腔內(nèi)各元件的吸收、散射）。兩條措施：盡量減小腔內(nèi)各元件的吸收、散射；減小腔的菲涅爾數(shù)n。 （2）橫模選擇除了要考慮各橫模衍射損耗絕對(duì)值大小，還要考慮橫模鑒別力（高階橫模與基模的衍射損耗比 大則利于選模）。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值求解，可畫(huà)出 隨著腔的菲涅爾數(shù)的變化曲線（在不同的腔構(gòu)型下， 值

4、）。變化趨勢(shì)： 隨著n的增大而增大，對(duì)于相同的n值， 隨著 的增大而減小。為了有效選擇橫模，要考慮到兩個(gè)問(wèn)題：1000/1000/1000/|g|1000/|g|二、橫模選擇的方法 兩類：1.改變諧振腔的結(jié)構(gòu)（氣體激光器常用這類方法）和參數(shù)以獲得各模衍射損耗的較大差別；2.在一定的諧振腔內(nèi)插入附加的選模元件。（固體激光器）激光原理與激光技術(shù)完整第七章51.1.諧振腔參數(shù)諧振腔參數(shù) g g 和和 n n 的選擇法的選擇法大的衍射損耗1000/大的 從選基模的角度，希望選擇較小的g 和 n 值， 但是n 值太小，模體積小，輸出功率低。因此，為了既能獲得基模振蕩，又能有較高的輸出功率，應(yīng)適當(dāng)增大n

5、值，這時(shí)，衍射損耗的絕對(duì)值降低，為了增大衍射損耗，就需要選擇 值，使腔處于穩(wěn)定區(qū)邊緣，即臨界工作狀態(tài)，（ ）當(dāng)諧振腔由穩(wěn)區(qū)向非穩(wěn)區(qū)過(guò)渡時(shí)，各階模的衍射損耗迅速增加，基模增加慢，高階模增加快，當(dāng)工作點(diǎn)移到某個(gè)位置時(shí)，所有高階模受到高的衍射損耗被抑制掉，最后只剩下基模運(yùn)轉(zhuǎn)。 實(shí)際中對(duì)于常用的大曲率半徑的雙凹球面穩(wěn)定腔來(lái)說(shuō)，n 通常取0.52之間，這時(shí) 模（腔長(zhǎng)為1m量級(jí)）的損耗約為 2% ，在此基礎(chǔ)上增大 值，使得 模的損耗大于增益，抑制 模。|g|g| 0,|g| 100tem10tem10tem|g|激光原理與激光技術(shù)完整第七章6 2. 2.小孔光闌法選模小孔光闌法選模特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便

6、。缺點(diǎn)：受小孔限制，腔內(nèi)基模體積小，導(dǎo)致輸出功率小。 在腔內(nèi)插入合適尺寸的小孔光闌，可使高階橫模被遮擋掉一部分，降低諧振腔的菲涅耳數(shù)，增加衍射損耗，而基模順利通過(guò)，從而抑制高階橫模振蕩。 3. 3.腔內(nèi)插入透鏡選模腔內(nèi)插入透鏡選模激光原理與激光技術(shù)完整第七章7 之所以要把光斑聚焦到很小才加光闌，使因?yàn)檫@樣的話對(duì)高階橫模的損耗會(huì)增大，而對(duì)基模影響不大。 特點(diǎn)：既保留了小孔光闌的選模特性，又?jǐn)U大了基模體積，增加了激光輸出功率。4.4.非穩(wěn)腔選模非穩(wěn)腔選模 特點(diǎn)：1.非穩(wěn)腔具有較大的模體積 2.非穩(wěn)腔容易實(shí)現(xiàn)基模振蕩(不同模式間的損耗差異大)。激光原理與激光技術(shù)完整第七章8一、縱模選擇原理0qn 我

7、們知道，激光器的振蕩頻率范圍由工作物質(zhì)的增益曲線寬度決定，如果以 表示增益曲線高于閾值部分的寬度，相鄰縱模的頻率間隔為 ，則激光器內(nèi)可能同時(shí)振蕩的縱模數(shù)為（假設(shè)單橫模）：q0g( ) 7.2 縱模選擇技術(shù)激光原理與激光技術(shù)完整第七章9（一系列分立等間隔） 如果激光工作物質(zhì)有多條激光譜線，首先用頻率粗選法抑制不需要的譜線；其次用橫模選擇法選出 模（使頻譜結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單），最后再進(jìn)行縱模選擇。縱模選擇的基本思想：縱模選擇的基本思想： 控制各縱模的增益與損耗的相對(duì)大小，使其中只有一個(gè)縱模滿足振蕩的條件，從而實(shí)現(xiàn)單縱模的運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于同一橫模的不同縱模損耗相同，但增益不同。因此在腔內(nèi)引入一定的選擇性損耗，使欲

8、選擇的縱模損耗最小，而其余縱模的附加損耗加大，在激光形成的過(guò)程中，通過(guò)多縱模間的模競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，最終形成振蕩的是增益最大（損耗最小）的單縱模。 由衍射理論知，不同的橫模（ ）具有不同的諧振頻率（相同的縱模而言）。這樣當(dāng)多個(gè)橫模振蕩時(shí)，振蕩頻譜結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜；當(dāng)腔內(nèi)只有單橫模振蕩時(shí)頻譜結(jié)構(gòu)才較簡(jiǎn)單。mntem00temc=2nl激光原理與激光技術(shù)完整第七章101.1.色散腔粗選頻率色散腔粗選頻率 如果激光工作物質(zhì)具有多條發(fā)射不同波長(zhǎng)的激光譜線，如he-ne激光器可發(fā)射632.8nm，1.15um，3.39um三條譜線，那么，在縱模選擇之前，必須將頻率進(jìn)行粗選，抑制不需要的頻率。 通常是利用腔鏡反射膜的

9、光譜特性，或在腔內(nèi)插入棱鏡或光柵等色散元件，將不同波長(zhǎng)的光束在空間分離，使我們需要的較窄波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的光束在腔內(nèi)形成振蕩，其它波長(zhǎng)的光不被反饋而被抑制掉。二、縱模選擇的方法12設(shè)入射出射角相等12棱鏡色散腔激光原理與激光技術(shù)完整第七章11腔長(zhǎng)波長(zhǎng)所允許的最小分離范圍：221n sin2dn2(sin)2dd利用玻璃材料制成的棱鏡和可見(jiàn)光波段來(lái)說(shuō)，1mrad,1nm設(shè) d 光柵常數(shù)入射角出射角12光柵色散腔角色散率：材料的色散dddnddddnnsin() /sin22激光原理與激光技術(shù)完整第七章12光柵衍射主極大值條件：12d (sinsin)m, (m0,1, 2衍射級(jí)次）光柵的角色散率為：2

10、122dsinsinddcos012當(dāng) （光柵的閃耀角）02 tand02 tano030 ,1m rad,0.4nm1nm設(shè)特點(diǎn)：色散選擇能力比棱鏡更高，光柵法不存在光束的透過(guò)損耗，透明的 光譜區(qū)域?qū)?。設(shè)腔內(nèi)允許的發(fā)散角為 ，則最小分離波長(zhǎng)范圍：激光原理與激光技術(shù)完整第七章13( )thgo( )g2.2.短腔法短腔法 縮短諧振腔長(zhǎng)度，可增大相鄰縱模間隔，以致在熒光譜線有效寬度內(nèi)，只存在一個(gè)縱模，從而實(shí)現(xiàn)單縱模振蕩。特點(diǎn)：只適合增益線寬窄的激光器 （對(duì)于增益寬的激光器，要求 的腔長(zhǎng)極短，不可能實(shí)現(xiàn)）。 同時(shí)短腔長(zhǎng)限制了輸出功率， 對(duì)于大功率單縱模場(chǎng)合不適 用 。激光原理與激光技術(shù)完整第七章1

11、43.f-p3.f-p標(biāo)準(zhǔn)具法標(biāo)準(zhǔn)具法f-p標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)不同波長(zhǎng)具有不同的透射率：特點(diǎn)： 標(biāo)準(zhǔn)具的厚度可以做得很薄，自由光譜區(qū)比腔諧振頻率大得多，對(duì)于增益線寬很寬的物質(zhì)均能獲得單縱模振蕩，并且腔長(zhǎng)沒(méi)有縮短，輸出功率不受影響。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具傾角使透射峰與不同縱模的頻率重合，就可以獲得調(diào)諧輸出。增益曲線諧振腔頻率標(biāo)準(zhǔn)具頻率單縱模激光原理與激光技術(shù)完整第七章15厚度0ndc2cos折射率標(biāo)準(zhǔn)具自由光譜區(qū)：折射角精細(xì)度：反射率rf, r1r10/f 線寬（帶寬）： 當(dāng)激光工作物質(zhì)增益線寬很大時(shí)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具難以奏效，往往采用雙標(biāo)準(zhǔn)具選模。增益曲線諧振腔頻率標(biāo)準(zhǔn)具粗選單縱模粗選結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)具再選激光原理與激光技術(shù)完整

12、第七章16邁克耳孫干涉儀式復(fù)合腔4. 4. 復(fù)合腔法復(fù)合腔法1l2l復(fù)合腔的頻率間隔：12c2(ll )適當(dāng)選擇 使得 足夠大，與增益線寬相比擬時(shí)，可實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。12l , l5. 5. 其它選縱模方法其它選縱模方法（1）環(huán)形腔（行波）選縱模激光原理與激光技術(shù)完整第七章17激光晶體偏振器法拉第旋轉(zhuǎn)器偏振器 在均勻加寬激光器中，由于駐波效應(yīng)，容易形成空間燒孔效應(yīng)，從而形成多縱模蕩。采用如左圖所示的環(huán)形行波腔，消除空間燒孔效應(yīng)。由于增益飽和，在各縱模的競(jìng)爭(zhēng)中，最靠近中心頻率處的單縱模占優(yōu)勢(shì)，最終獲得單縱模的激光輸出。（2）q開(kāi)關(guān)選單縱模 開(kāi)始時(shí)， 開(kāi)關(guān)處于不完全關(guān)閉狀態(tài)，中心頻率附近的少數(shù)增益

13、大的縱模建立起振蕩，其余增益小達(dá)不到閾值的不能起振。另一方面，這少數(shù)縱模是在臨界振蕩條件下進(jìn)行振蕩的，激光形成過(guò)程長(zhǎng)，競(jìng)爭(zhēng)較為充分，最終能形成激光的是增益最大的中心頻率處的縱模。激光原理與激光技術(shù)完整第七章187.3 模式測(cè)量方法可見(jiàn)光 屏紅外 上轉(zhuǎn)換材料做成的薄片（紅外 可見(jiàn)光） 變像管，ccd 攝像機(jī)特點(diǎn): 簡(jiǎn)單直觀，鑒別能力不高。一、直接觀測(cè)法主要用于連續(xù)激光器的觀測(cè)一臺(tái)激光器到底是什么模式（橫模、縱模），需要進(jìn)行測(cè)量。原理：原理：不同橫模的光強(qiáng)在橫截面上具有不同的分布狀況。二、光點(diǎn)掃描法示波器轉(zhuǎn)鏡laser激光原理與激光技術(shù)完整第七章19 由諧振腔理論知，不同的模式（橫模、縱模）具有不同的頻率譜?？刹捎妙l率可調(diào)的f-p掃描干涉儀測(cè)出各頻率分布，并判別出激光模式。00tem01tem三、掃描干涉儀法鋸齒波發(fā)生器lase