試談模式選擇技術(shù)(文件)
【正文】 圖 一臺激光器是否實現(xiàn)了單模 (橫模或縱模 )運轉(zhuǎn)，以及運轉(zhuǎn)是否穩(wěn)定，都需要用一種合適的方法觀測進行鑒別。激光的通路上放置一個屏，可看到橫模圖樣 (光斑 )；中等功率的激光采用燒蝕法觀測，用木塊、玻璃、耐火磚等觀測激光燒蝕出的圖形，以鑒別其橫模圖樣。直接觀測法簡單直觀，但鑒別能力不高，是一種粗略的觀測方法。對于中、小功率的紅外激光器，還可以用 變像管或 CCD攝像機觀測橫模。 模式測量方法 不同橫模的光強在橫截面上具有不同的分布狀況。采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，并在腔中放置由起偏器、法拉第旋轉(zhuǎn)器 (相當(dāng)于 光 二極管 )和石英晶體片組成的光學(xué)隔離器，使激光束只能以行波方式單向傳播。 Δν=c/[2(l1l2)] () Δν=c/[2(l1l2)]圖 (b)所示的為一個?？怂?— 史密斯 (FoxSmith)干涉儀式復(fù)合腔。該腔可以看成由兩個子腔組合而成，全反射鏡 M和 M1組成一子腔，腔長為 L+l1，諧振頻率 υ 1i={c/[2(L+ l1)]}qi(設(shè) n=1)。求出第二個標(biāo)準具的表面平整度為 λ/30， R2=75%， 則標(biāo)準具厚度 d2=c/(2nΔνm2)=。 設(shè)工作物質(zhì)為 Nd:YAG的固體激光器，其熒光線寬Δν0為 21011Hz，諧振腔長 L=850mm，由此可算得縱模間隔 Δνq=c/2nL=108Hz(設(shè) n=1)。由圖可見 , 處于中心頻率的縱模與標(biāo)準具最大透過率的 Δνm相一致，故該模損耗最小，即 Q值最大，可以起振，而其余的縱模則由于附加損耗太大， Q值過低而不能形成激光振蕩。 標(biāo)準具的厚度 d比諧振腔的長度 L小得多 , 因此它的自由光譜區(qū)比諧振腔的縱模間隔大得多。()T(λ)是波長或 φ及 R的函數(shù)圖 法線圖 FP標(biāo)準具的透過率下圖示出了當(dāng) R取不同值時， T(ν)與 φ的變化曲線。由于腔長縮短，激光輸出功率必然受到限制。 ２ .短腔法λHeNe laser: , μ , 即所謂短腔法選縱模。由此可見，其色散選擇能力比棱鏡更高。式中， m＝ 1,2…… 為衍射級次。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)激光波長所能允許的最小波長分離范圍為()色散率的倒數(shù)為單位偏向角波長的變化量例如：用玻璃材料制成的棱鏡和可見光波段來說，在θ≈1mrad時，能達到的 Δλ ≈1nm。A c cTBCDO圖 棱鏡色散粗選裝置法線 法線α1 = α2 = αφ因 2c+T=1800, 又 β+T=1800 所以 c= β/2 由四邊形 ABCD知 T+2 α+(180 Φ)=360 由四邊形 ABCO知 β+T=1800 上兩式聯(lián)立得 : α= (Φ + β)/2,所以 (由折射定律，見上面公式） ()設(shè)光線進入棱鏡的入射角 α1與光線離開棱鏡的出射角 α2相等，即α1 =α2= α 。例如 , HeNe激光器，可發(fā)射 nm， ? m = 1150 nm， ?m = 3390 nm三條譜線。 縱模選擇的基本思想：激光器中某一個縱模能否起振和維持振蕩主要取決于這一個縱模的增益與損耗值的相對大小?！ 募す庠淼弥彩菨M足非穩(wěn)定條件 g1g21或g1g20的球面諧振腔稱之為非穩(wěn)腔（ gn = 1L/Rn）。 這種方法雖然擴大了基模模體積，但附加了兩個透鏡而增加了腔的插入損耗，并給調(diào)整帶來困難。圖 共心腔 δ10 / δ00與光闌孔徑的關(guān)系圖 聚焦光闌法選?！? 這種方法是在諧振腔內(nèi)插入透鏡或透鏡組配合小孔光闌進行選模，光闌放在透鏡的焦點上。 當(dāng) ，模式損耗與不加光闌時基本相同。只要小孔光闌的孔徑選擇適當(dāng)， TEM00模和 TEM10模滿足()和 ()式，便可選出基模。 腔 號一般 一般① 確切地說，該腔仍屬于一般穩(wěn)定腔，但十分接近平行平面平平 ①表 選基模的有關(guān)參數(shù)表 P 176 采用小孔光闌作為選模元件插入腔內(nèi)是固體激光器中常用的選模方法 , 如圖 。圖 TEM00模的有效光束半徑例如：有一腔長 L為 1m的 HeNe激光器，其輸出鏡透過率 T=%。 (2)當(dāng)曲率半徑 R一定時， ω0隨腔長 L變化存在一極大值。 固然 , 采用不同的腔型和參數(shù) g、 N，可以選出基模，然而基模的輸出功率 (或能量 )卻會因腔型的不同和 g、 N參數(shù)的不同而不同 , 因為基模模體積是隨著腔型和 g、 N參數(shù)變化而變化的，故為了獲得大的功率輸出，在設(shè)計諧振腔時，還應(yīng)考慮基模模體積的問題。 以 TEM00模和 TEM01模為例，圖 涅耳數(shù) Ｎ 時，這兩個模的單程衍射損耗差與 |g|的變化關(guān)系。由圖可見，當(dāng) Ｎ 一定 , |g| 參數(shù)小， δ10／ δ00 大，但 δ00和 δ10值也小，這樣要選出基模并抑制高階模，只有靠減小菲涅耳數(shù) Ｎ來提高模損耗值。
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