第二十次課激光原理

激光的三大性能參數(shù)峰值功率（或能量）脈沖寬度模式橫?？v模問(wèn)題1：模式多少對(duì)應(yīng)用有何影響？1目的：改善激光的方向性，提高單色性。目標(biāo)：選出基橫模，單縱模－空間相干性，時(shí)間相干性縱模：對(duì)頻率影響較大，為提高激光時(shí)間相干性或(空間)縱向相干性，必須選出單縱模。

——選頻橫模：主要影響光強(qiáng)均勻性和發(fā)散角。m↑或n↑，光斑半徑W↑，分布不均勻，發(fā)散角↑。為了改善激光的方向性和(空間)橫向相干性，必須選出基橫模。

——選模改善激光的方向性，提高單色性是實(shí)際應(yīng)用提出的要求。①激光加工等要求方向性。②激光全息、精密干涉計(jì)量等要求單色性好?！?.7選模技術(shù)問(wèn)題2：怎樣才能選出基橫模？21、橫模選取原則：加大基橫模和高階橫模損耗的差別，使高階橫模的損耗大于增益不能振蕩，而基模滿足閾值條件，保存下來(lái)，達(dá)到選出基橫模的目的。①TEM10模的衍射損耗δ10要大。（絕對(duì)值大）②必須盡量增大TEM10和TEM00模衍射損耗的比值δ10/δ00（相對(duì)值大，鑒別能力強(qiáng)）一、橫模選擇諧振腔一般的５種損耗反射損耗吸收損耗散射損耗輸出損耗衍射損耗對(duì)所有橫模都一樣橫模選擇的物理基礎(chǔ)32.影響衍射損耗的因素①腔型。不同的腔型，衍射損耗不同。(見P86圖3.13)②橫模數(shù)。橫模數(shù)越大，δ越大。(見P86圖3.13)TEM00模δ00最小。（見下圖）③g參數(shù)。腔型和N相同時(shí)，g越大，δ越大。④菲涅爾數(shù)N。腔型和g相同時(shí)，N越大，δ越小。在不同N，g下，和模的衍射損耗曲線，這是選模的設(shè)計(jì)依據(jù)。43、橫模選擇方法改變諧振腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以獲得各模衍射損耗的較大差別在一定的諧振腔內(nèi)插入附加的選模元件來(lái)提高選模性能

氣體激光器采用前類方法，固體激光器采用后類方法。腔參數(shù)g、N選擇法腔型和N相同時(shí)，g越大，δ越大。腔型和g相同時(shí)，N越大，δ越小。

圖4.1-2各種對(duì)稱腔的δ10/δ00與N的關(guān)系由右圖可見：橫模的鑒別力隨N的增加而變大，N要選擇適當(dāng)(折中一下：一般0.5—2)然而基模的輸出功率會(huì)因g、N參數(shù)的不同而不同，故在設(shè)計(jì)諧振腔時(shí)，還應(yīng)考慮基模模體積的問(wèn)題。①.諧振腔設(shè)計(jì)選橫模（即選擇合適的R1、R2、L）5②.非穩(wěn)腔選?！m用于高增益激光器選橫模凡滿足條件或的諧振腔稱之為非穩(wěn)腔（）。它的特點(diǎn)是存在著固有的光線發(fā)散損耗，傍軸光線在腔鏡面上經(jīng)歷相繼的反射時(shí)，每次都向外偏折，所以又稱為高損耗腔.其不同橫模的損耗有很大差異,且模體積大，有利于大功率、大能量輸出,橫模選擇本領(lǐng)高。近年來(lái)被廣泛用于高增益激光器中選橫模。6③微調(diào)諧振腔選模對(duì)于平面腔，當(dāng)腔鏡傾斜時(shí)，基模損耗增加最顯著，腔的微調(diào)有利于高階模的優(yōu)先振蕩。對(duì)于穩(wěn)定腔，由于基模體積最小而高階模的體積較大，當(dāng)腔鏡發(fā)生傾斜時(shí)，高階橫模損耗顯著增大，基模受到的影響較小，因而仍可繼續(xù)維持振蕩。這樣，適當(dāng)將腔鏡傾斜就可以抑制高階橫模。7根據(jù)高斯光束原理，通常在諧振腔內(nèi)插入小孔光闌的孔徑（半徑）應(yīng)與基橫模有效光束半徑ω（z）大致相等，即由上式可知，小孔光闌放在諧振腔不同位置時(shí)，其小孔光闌的半徑的大小是不同的。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單有效缺點(diǎn)：工作物質(zhì)的體積得不到充分應(yīng)用，影響輸出功率元件選模法

①小孔光闌法-在腔中加一小孔光闌使δ10↑來(lái)實(shí)現(xiàn)選模。是固體激光器中常用的選模方法。8②聚焦光闌法：如圖4-6所示，在腔內(nèi)插入兩個(gè)共焦透鏡，使光束在腔內(nèi)傳播時(shí)盡量經(jīng)歷較大的空間，以提高輸出功率。缺點(diǎn)：腔內(nèi)存在實(shí)焦點(diǎn)，容易損傷光闌。附加了兩個(gè)透鏡而增加了腔的插入損耗，并給調(diào)整帶來(lái)困難。③腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法：其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。

圖4-7腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法圖4-6聚焦光闌法9④可飽和染料選模在腔中放入有機(jī)染料，利用它的可飽和吸收特性選模。TEM00模功率密度高，染料易于飽和,損耗小，能振蕩。高階模功率密度低，染料不能飽和,損耗大，不能振蕩。問(wèn)題3：怎樣才能選出單縱模？101、縱模選擇的基本思想：激光器中某一個(gè)縱模能否起振和維持振蕩主要取決于這一個(gè)縱模的增益與損耗值的相對(duì)大小。對(duì)于同一個(gè)橫模的不同縱模而言，其損耗是相同的，但是不同縱模間卻存在著增益差異，因此，利用不同縱模之間的增益差異，在腔內(nèi)引入一定的選擇性損耗，使欲選的縱模損耗最小，而其余縱模的附加損耗較大，只有中心頻率附近的少數(shù)增益大的縱模建立起振蕩。最終形成并得到放大的是增益最大的中心頻率所對(duì)應(yīng)的單縱模。二、縱模選擇縱模選擇——在特定躍遷譜線范圍內(nèi)獲得單縱模的方法112、縱模選擇原則：擴(kuò)大相鄰縱模的增益差或人為引入損耗差，或增大縱模間隔3、縱模選擇方法：

色散腔法、短腔法、標(biāo)準(zhǔn)具法、復(fù)合腔法等。①色散腔法功能：將頻率進(jìn)行粗選，譜線的寬度可以達(dá)到1—10nm。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，將不同波長(zhǎng)的光束在空間分離，只使較窄波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的光束在腔內(nèi)形成振蕩，其他波長(zhǎng)的光束因不具有反饋能力而被抑制掉。12例1：激光器,可發(fā)射，和三條譜線。λHe-Nelaser:632.8nm,1.15μ,3.39μ色散腔法A：利用腔鏡反射膜的光譜特性(只對(duì)某個(gè)波段反射率大，其余波段被吸收)，僅使較窄波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的光束在腔內(nèi)形成振蕩。13光通過(guò)棱鏡時(shí)，不同的光出射角不同，則損耗不同，能夠振蕩的光只有一范圍。設(shè)腔內(nèi)之光束所允許的發(fā)散角為θ，則由于色散棱鏡的分光作用，腔內(nèi)激光波長(zhǎng)所能允許的最小波長(zhǎng)分離范圍為：式中：角色散率最大偏離角棱鏡的頂角β棱鏡色散腔色散腔法B：腔內(nèi)插入色散棱鏡14例2：某玻璃棱鏡對(duì)可見光的角色散率D=2.5×10-4rad/nm，若腔內(nèi)光束發(fā)散角θ≈1mrad，Δλ≈？4nm這種棱鏡色散法對(duì)一些激光器進(jìn)行選擇振蕩是十分有效的。如氬離子激光器兩條強(qiáng)工作譜線488nm和514.5nm就可采用此種色散進(jìn)行選擇。諧振腔所能選擇振蕩的最小波長(zhǎng)范圍由棱鏡的角色散率和腔內(nèi)振蕩光束的發(fā)散角決定。15色散腔法C：腔內(nèi)插入光柵用一個(gè)反射光柵代替諧振腔的一個(gè)反射鏡設(shè)d為光柵常數(shù)，α1為入射角，α2為反射角，則形成光柵衍射主極大值的條件是所以，只有滿足的光才能在腔中振蕩(入射光線和反射光線重合)。偏離此式的光損耗大，不能振蕩。通常光柵工作在自準(zhǔn)直狀態(tài)下，即16例3：設(shè)α=300,△α=1mrad,d=4.2×10-7m，則Δλ=？

不到1nm量級(jí)。由此可見，其色散選擇能力比棱鏡更高。光柵法優(yōu)點(diǎn)：由于不存在光束的透過(guò)損耗，因此可適用于較寬廣的光譜區(qū)域的激光器。色散腔法的局限：實(shí)現(xiàn)頻率粗選，在該條譜線的熒光線寬范圍內(nèi)，還存在著頻率間隔為的一系列分立的振蕩頻率，即多個(gè)縱模。如何進(jìn)一步從單條譜線中選出單一的縱模，就要采取如下的一些方法：光柵的角色散率17縮短腔長(zhǎng)，增大縱模間隔使得在Δνosc范圍內(nèi)只存在一個(gè)縱模，而其余的縱模都位于Δνosc之外，即例4：He-Ne激光器，Δνosc=1500MHz，設(shè)n=1，L=1m能否輸出單縱模？答：Δνq=150MHz，不能。若要求單縱模，則L=0.1m以下。短腔法局限：只適用于增益線寬較窄的激光器（如氦氖激光器）。由于L縮短，激光輸出功率必然受到限制。因此不適用于大功率單縱模輸出場(chǎng)合。②短腔法L大→L小→18L激光工作物質(zhì)

F-P標(biāo)準(zhǔn)具的設(shè)計(jì)要求插入FP后③.干涉選模法

（F-P標(biāo)準(zhǔn)具法）縱模間隔FP透過(guò)率設(shè)計(jì)原則：選擇FP參數(shù)，使得足夠大，以致在增益曲線的線寬內(nèi)只能容納一個(gè)透射率的最大值。選擇FP反射率r，使得在一個(gè)最大透射率峰值寬度內(nèi)只能容納一個(gè)振蕩頻率。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)單縱模振蕩了。r=r1r2FP19氣體激光器的熒光線寬一般比較窄，用標(biāo)準(zhǔn)具法選縱模時(shí)，只要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具就可以實(shí)現(xiàn)；但是對(duì)于固體激光器,由于熒光線寬很寬,所以不得不再插入第二個(gè)自由光譜區(qū)較小的標(biāo)準(zhǔn)具才能獲得單縱模。F-P選縱模的優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)具平行平面板間的厚度可以做得很薄，由于腔長(zhǎng)沒(méi)有縮短，輸出功率仍可很大