試談模式選擇技術(shù)(已修改)
2025-02-16 21:40 本頁面
【正文】 第二章 模式選擇技術(shù) 概 述 要求激光方向性或單色性很好。要求對激光諧振腔的模式進(jìn)行選擇。模式選擇技術(shù)可分為兩大類 : 一類是橫模選擇技術(shù) 。 另一類是縱模選擇技術(shù)。 從激光原理可知 , 所謂橫模 , 就是指在諧振腔的橫截面內(nèi)激光光場的分布。 如圖 的光場強(qiáng)度分布照片。橫模階數(shù)越高 , 光強(qiáng)分布就越復(fù)雜且分布范圍越大 , 因而其光束發(fā)散角越大。圖 不同橫模的光場強(qiáng)度TEM00 TEM10 TEM20 TEM30 TEM00 TEM10 TEM20 TEM30 TEM40 TEM50 TEM21 TEM22 TEM01 TEM02 TEM03 TEM00 TEM10 TEM20 圖 不同橫模的光場強(qiáng)度反之，基模 (TEM00) 的光強(qiáng)分布圖案呈圓形且分布范圍很小 , 其光束發(fā)散角最小 , 功率密度最大，因此亮度也最高，徑向強(qiáng)度分布是均勻的。橫模雖容易觀察，但其產(chǎn)生原因較復(fù)雜，比如： 不在軸上光束的加強(qiáng)干涉，工作物質(zhì)的色散、散射效應(yīng)及腔內(nèi)光束的衍射效應(yīng)等等，都對橫模有影響 。這里只就第一種原因作簡單分析，認(rèn)為在腔內(nèi)光束除與腔軸嚴(yán)格平行外，有那些稍微偏離走 “Z”字形的光束 , 雖經(jīng)多次反射后, 仍未偏出腔外， 能符合 2nLcosθ =kλ 條件 , 因而在某一 θ方向存在著加強(qiáng)干涉的波長 , 設(shè)以 Z代表腔軸方向，垂直 Z的截面為 XY平面。這截面所產(chǎn)生的部分橫模如圖。標(biāo)記 TEMmn中 TEM代表電磁橫波 ，圖上的標(biāo)記符號，是從微波技術(shù)上接過來的， m代表 x方向上的波節(jié)數(shù) , n代表 y方向上波節(jié)數(shù)。以軸為基準(zhǔn) , TEM00代表單?；蛎?。 TEM10代表 m=1， n=0的模，余類推。相鄰橫模的波長差，隨著具體的腔的結(jié)構(gòu)及反射鏡的調(diào)節(jié)不同頗不一致。另外，相鄰橫模的偏振方向雖相同，但有的有 π位相差 , 如圖中所示的箭頭。由應(yīng)用光學(xué)可知 , 其光斑直徑 d=fθ ( f為透鏡焦距， θ為光束發(fā)散角 )。 經(jīng)過選模之后，輸出功率可能有所降低 , 但由于發(fā)散度的改善，其亮度可提高幾個(gè)數(shù)量級 , 橫模選擇技術(shù)是使激光發(fā)散角小 。 如 : n為折射率， L為腔長 , 因 所以 取微分后 Δν = c/2nL 縱模選擇技術(shù)則是單頻激光運(yùn)轉(zhuǎn)的必要手段。 所謂縱模 , 就是指沿諧振腔軸線方向上的激光光場分布 。對于一般腔長的激光器 , 往往同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)甚至幾百個(gè)縱模振蕩 。 縱模個(gè)數(shù)取決于激光的增益曲線寬度及相鄰兩個(gè)縱模的頻率間隔。本章分別簡述這兩類模式選擇的原理。 橫模選擇技術(shù) 由激光原理可知，一臺激光器的諧振腔中可能有若干個(gè)穩(wěn)定的振蕩模，只要某一種模的單程增益大于其單程損耗，即滿足激光振蕩條件，該模式就有可能被激發(fā)而起振。設(shè)諧振腔兩端反射鏡的反射率分別為 r r2，單程損耗為 δ， 單程增益系數(shù)為 G， 激光工作物質(zhì)長度為 L， 則初始光強(qiáng)為 I0的某個(gè)橫模 (TEMmn)的光在諧振腔內(nèi)經(jīng)過一次往返后，由于增益和損耗兩種因素的影響，其光強(qiáng)變?yōu)?: 一 .橫模選擇原理激光器即可實(shí)現(xiàn)單橫模 (TEM00)運(yùn)轉(zhuǎn) 。 ()閾值條件為 I≥I0 即 I / I0 ≥ 1由此得出 r1r2(1? )2 exp(2GL)≥1 ()下面考察兩個(gè)最低階次的橫模 TEM00和 TEM10模的情況， 認(rèn)為激活介質(zhì)對各橫模的增益系數(shù)相同，當(dāng)同時(shí)滿足下列兩個(gè)不等式： ＞ 1 () ＜ 1 () 諧振腔存在 兩種不同性質(zhì)的損耗 ， 一種是與橫模階數(shù)無關(guān)的損耗 ； 另一種則是與橫模階數(shù)密切相關(guān)的衍射損耗 ，在穩(wěn)定腔中，基模的衍射損耗最小，隨著橫模階數(shù)的增高，其衍射損耗也逐漸增大。 圖 球面腔的兩個(gè)最低階橫模的單程衍射損耗曲線。由圖可見， 在菲涅耳數(shù) N值相同的情況下 , 對稱穩(wěn)定腔的衍射損耗隨 |g|的減小而降低。 諧振腔對不同階橫模有不同衍射損耗的性能是實(shí)現(xiàn)橫模選擇的物理基礎(chǔ) ，| g | = | 1L/R |圖 不同構(gòu)形對稱諧振腔的衍射損耗隨 N的變化N=α2 / (λL) ， (a) TEM00模 N=α2 / (λL) ， (b) TEM10模100而適當(dāng)選擇菲涅耳數(shù) N值，使之滿足 ()和 () 式，則可以實(shí)現(xiàn)單橫模選擇的目的?？紤]到模式間的競爭，選單橫模的條件還可以放寬些，當(dāng)滿足條件 ()其一， 衍射損耗在模的總損耗中必須占有重要地位 ，達(dá)到能與其他非選擇性損耗相比擬的程度。為此，必須盡量減小腔內(nèi)各元件的吸收、散射等損耗，從而相對增大衍射損耗在總損耗中的比例。通過減小腔的菲涅數(shù) N也
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