激光技术之模式选择讲解课件.ppt
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1、激光技术之-模式选择提要 基横模的选择 单纵模的选择7.1 概概 述述 要求激光方向性或单色性很好。要求对激光谐振腔的模式进行选择。模式选择技术可分为两大类: 一类是横模选择技术; 另一类是纵模选择技术。 从激光原理可知, 所谓横模所谓横模, 就是指在谐振腔的横截就是指在谐振腔的横截面内激光光场的分布。面内激光光场的分布。如图5.1-1所示的是几个低级横模的光场强度分布照片。横模阶数越高, 光强分布就越复杂且分布范围越大, 因而其光束发散角越大。不同横模的光场强度不同横模的光场强度TEM00 TEM10 TEM20 TEM30 TEM00 TEM10 TEM20 TEM30 TEM40 TEM
2、50 TEM21 TEM22 TEM01 TEM02 TEM03 TEM00 TEM10 TEM20 图图7.1-1 不同横模的光场强度不同横模的光场强度反之,基模 (TEM00) 的光强分布图案呈圆形且分布范围很小, 其光束发散角最小, 功率密度最大,因此亮度也最高,径向强度分布是均匀的。横模虽容易观察,但其产生原因较复杂,比如:不在轴不在轴上光束的加强干涉,工作物质的色散、散射效应及腔内上光束的加强干涉,工作物质的色散、散射效应及腔内光束的衍射效应等等,都对横模有影响光束的衍射效应等等,都对横模有影响。这里只就第一种原因作简单分析,认为在腔内光束除与腔轴严格平行外,有那些稍微偏离走“Z”字
3、形的光束, 虽经多次反射后, 仍未偏出腔外,能符合能符合 2nLcos =k条件条件, 因而在某一方向存在着加强干涉的波长, 设以Z代表腔轴方向,垂直Z的截面为XY平面。这截面所产生的部分横模如图。标记标记TEMmn中中TEM代表电磁横波代表电磁横波,图上的标记符号,是从微波技术上接过来的, m代表x方向上的波节数, n代表y方向上波节数。以轴为基准, TEM00代表单模代表单模或名基模或名基模。TEM10代表m=1, n=0的模,余类推。相邻横模的波长差,随着具体的腔的结构及反射镜的调节不同颇不一致。另外,相邻横模的偏振方向虽相同,但有的有位相差, 如图中所示的箭头。由应用光学可知, 其光斑
4、直径 d=f ( f为透镜焦距,为光束发散角)。 经过选模之后,输出功率可能有所降低, 但由于发散度的改善,其亮度可提高几个数量级, 横模选择技术是使激光横模选择技术是使激光发散角小发散角小。 如: n为折射率,L为腔长, 因 所以 取微分后 = c/2nL 纵模选择技术则是单频激光运转的必要手段。 ) 0(2cos2knLknLcnLkc2所谓纵模所谓纵模, 就是指沿谐振腔轴线方向上的激光光场分布就是指沿谐振腔轴线方向上的激光光场分布。对于一般腔长的激光器, 往往同时产生几个甚至几百个纵模振荡; 纵模个数取决于激光的增益曲线宽度及相邻两个纵模的频率间隔。本章分别简述这两类模式选择的原理。 5
5、.2 横模选择技术横模选择技术 由激光原理可知,一台激光器的谐振腔中可能有若干个稳定的振荡模,只要某一种模的单程增益大于其单程损耗,即满足激光振荡条件,该模式就有可能被激发而起振。设谐振腔两端反射镜的反射率分别为r1、r2,单程损耗为,单程增益系数为G,激光工作物质长度为L,则初始光强为 I0的某个横模(TEMmn)的光在谐振腔内经过一次往返后,由于增益和损耗两种因素的影响,其光强变为:#一.横模选择原理激光器即可实现单横模激光器即可实现单横模(TEM00)运转运转。 )2exp()1(2210GLrrII(5.2-1)阈值条件为 II0 即 I / I0 1由此得出 r1r2(1- )2 e
6、xp(2GL)1 (5.2-2)下面考察两个最低阶次的横模TEM00和TEM10模的情况,认为激活介质对各横模的增益系数相同,当同时满足下认为激活介质对各横模的增益系数相同,当同时满足下列两个不等式:列两个不等式:)exp()1 (0021GLrr 1 (5.2-3) )exp()1 (1021GLrr 1 (5.2-4) 谐振腔存在两种不同性质的损耗两种不同性质的损耗,一种是与横模阶一种是与横模阶数无关的损耗数无关的损耗;另一种则是与横模阶数密切相关的衍射另一种则是与横模阶数密切相关的衍射损耗损耗,在稳定腔中,基模的衍射损耗最小,随着横模阶数的增高,其衍射损耗也逐渐增大。 图5.2-1所示的
7、即为用数值求解方法得到的对称圆镜稳定球面腔的两个最低阶横模的单程衍射损耗曲线。由图可见, 在菲涅耳数N值相同的情况下, 对称稳定腔的衍射损耗随|g|的减小而降低。谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗的性能谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗的性能是实现横模选择的物理基础是实现横模选择的物理基础,| g | = | 1-L/R |图图 5.2-1 不同构形对称谐振腔的衍射损耗随不同构形对称谐振腔的衍射损耗随N的变化的变化N=2 / (L) , (a) TEM00模模N=2 / (L) , (b) TEM10模模100而适当选择菲涅耳数N值,使之满足(5.2-3)和(5.2-4) 式,则可以实现单横模选择
8、的目的。考虑到模式间的竞争,选单横模的条件还可以放宽些,当满足条件 1)exp()1 (0021GLrr(5.2-5)其一,衍射损耗在模的总损耗中必须占有重要地位衍射损耗在模的总损耗中必须占有重要地位,达到能与其他非选择性损耗相比拟的程度。为此,必须尽量减小腔内各元件的吸收、散射等损耗,从而相对增大衍射损耗在总损耗中的比例。通过减小腔的菲涅数N也可以达到这一目的。时即可。为了有效地选择横模,为了有效地选择横模, 还必须考虑两个问题还必须考虑两个问题,其二,横模选择除了考虑各横模衍射损耗的绝对值大小横模选择除了考虑各横模衍射损耗的绝对值大小之外,还应考虑横模的鉴别能力之外,还应考虑横模的鉴别能力
9、,即基模与较高横模的衍射损耗的差别必须足够大(即1000比值大),才能有效地把两个模区分开来,以易于实现选模。图5.2-2 各种对称腔的10/00与N的关系横模的鉴别力随N的增加而变大,但衍射损耗随N的增加而减小; N要选择适当(折中一下:一般 0.5-2)横模衍射损耗的差别不仅与不同类型的谐振腔结构有关,而且还与腔的菲涅耳数N有关。图5.2-2示出了各种g因子对称腔的1000值与菲涅耳数N的关系。g = | 1-L/R |N=2 / (L)100图5.2-2 各种对称腔的10/00与N的关系5.2-3示出了平-凹腔的1000值与N的关系。横模的鉴别力随N的增加而变大,但衍射损耗随N的增加而减
10、小,所以N值必须选择适当(0.5-2), 才能有效地进行选横模。(矛盾) 横模选择方法可分为两类:一类是改变谐振腔的结构和参数改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别,提高谐振腔的选模性能;另一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元件腔内插入附加的选模元件来提高选模性能。气体激光器采用前类方法,固体激光器采用后类方法。二、横模选择的方法二、横模选择的方法 图5.2-2示出了共焦腔的 1000 比值与菲涅耳数的关系。由图可见,当一定, |g| 参数小, 1000 大,但 00和10值也小,这样要选出基模并抑制高阶模,只有靠减小菲涅耳数来提高模损耗值。但是值太小时,模体积很小,输出功率也就
11、很低。对常用的大曲率半径的双凹球面稳定腔来说, 选择菲涅耳数在0.5到2.0之间比较合适。1.谐振腔参数g 和的选择法适当地选择谐振腔参数,R,, 使它们运转于稳定区边缘, 即运转于临界工作状态,则有利于选模,因为各阶横模中最低阶模(TEM00模)的衍射损耗最小。 图图5.2-4在不同在不同值时,模衍射损耗值时,模衍射损耗|g|的关系的关系g =1-L/R 以TEM00模和TEM01模为例,图5.2-4示出了在不同的菲涅耳数时,这两个模的单程衍射损耗差与|g|的变化关系。 采用小孔光阑作为选模元件插入腔内是固体激光器中常用的选模方法, 如图5.2-7所示。对于共心腔, 这种方法尤其有效。由于高
12、阶横模的光腰比基模的大,如果光阑的孔径选择得适当,就可以将高阶横模的光束遮住一部分,而基模则可顺利通过。再由衍射理论可知,腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜的横模截面,即减小了腔的菲涅耳数,因而各阶模的衍射损耗加大。只要小孔光阑的孔径选择适当,TEM00模和TEM10模满足(5.2-3)和(5.2-4)式,便可选出基模。2.小孔光阑法选模图5.2-7 小孔光阑选模 图5.2-8示出了在共心腔中心处加不同孔径的光阑对TEM00模和TEM0模衍射损耗的影响。曲线上标明的是反射镜半径对应的菲涅耳数。由图可知,当小孔光阑孔径r很小时,两种模式的损耗都很大,二者差别也很小,随着r增加, 两模式的(10/ 0
13、0)值增加,在 = 0.3时,达到最大(a为圆形反射镜的半径),这时TEM10模损耗约20%,而基模仅损耗1%,这时光阑孔径为最佳。当 0.5时,模式损耗与不加光阑时基本相同。Lra图5.2-8共心腔两低阶模衍射损耗与光阑孔径的关系 %LraLra图5.2-9示出了在同一个谐振腔中两个最低阶模衍射损耗比值 (10 / 00)与菲涅耳数的关系。由图可以看出,对固体的值,10/ 00值对某一个光阑孔径有一个极大值,利用此孔径选模最为有利。对于2.5 20的共心腔, 为0.280.36更合适。Lra图5.2-9共心腔10 / 00与光阑孔径的关系图5.2-10 聚焦光阑法选模这种方法是在谐振腔内插入
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