試談模式選擇技術(shù)(完整版)
【正文】 的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以獲得各模衍射損耗的較大差別，提高諧振腔的選模性能；另一類是在一定的諧振 腔內(nèi)插入附加的選模元件 來(lái)提高選模性能。通過(guò)減小腔的菲涅數(shù) N也可以達(dá)到這一目的 。 橫模選擇技術(shù) 由激光原理可知，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，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。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。圖 不同橫模的光場(chǎng)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(chǎng)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。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。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(duì)橫模有影響 。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 )。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(zhǎng)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(guò)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) 。時(shí)即可。氣體激光器采用前類方法，固體激光器采用后類方法。常常采用一個(gè)腔鏡為平面鏡 , 另一腔鏡為球面鏡的穩(wěn)定腔，通過(guò)使反射鏡間距 L逐漸趨于 R來(lái)選模 , 這類諧振腔的模衍射損耗差與 L的關(guān)系 ,也可以由圖 5. 2 4得出?！ ∮?(1)可看出，當(dāng)其他條件相同時(shí) , 為增大基模體積， 應(yīng)盡可能選較大的曲率半徑 Ｒ , 這種腔在極限情況下就變成了平行平面腔。由于高階橫模的光腰比基模的大，如果光闌的孔徑選擇得適當(dāng)，就可以將高階橫模的光束遮住一部分，而基模則可順利通過(guò)。由圖可以看出，對(duì)固體的 Ｎ 值，δ10/ δ00值對(duì)某一個(gè)光闌孔徑有一個(gè)極大值，利用此孔徑選模最為有利。但要求凹面反射鏡的曲率中心與透鏡的焦點(diǎn)重合。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。定義棱鏡的角色散率為 ，即波長(zhǎng)每變化。對(duì)其他各級(jí)譜線而言，光柵的角色散率可由 ()式確定，即在入射角一定的前提下，單位波長(zhǎng)的反射角的變化。因 Δν0=1500MHz,若要求單縱模振蕩就要求 L=。相鄰兩透過(guò)率極大值的間隔為 (類似于前面的 ):上式通常稱為標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜區(qū)。 FP標(biāo)準(zhǔn)具選縱模的優(yōu)點(diǎn)在于標(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。圖 所示的是兩種組合干涉復(fù)合腔的原理圖。這是由一個(gè)棱鏡組成的復(fù)合腔，兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，起分光作用的是一個(gè)單一的平面，因而避免了一般分光鏡兩個(gè)平面帶來(lái)的多光束干擾；第二，可將棱鏡放在恒溫槽中，保證 l l2的穩(wěn)定 在均勻加寬激光器中，可以采用環(huán)形行波腔獲得單縱模振蕩，其裝置結(jié)構(gòu)如圖 。激光的通路上放置一個(gè)屏，可看到橫模圖樣 (光斑 )；中等功率的激光采用燒蝕法觀測(cè)，用木塊、玻璃、耐火磚等觀測(cè)激光燒蝕出的圖形，以鑒別其橫模圖樣。對(duì)于中、小功率的紅外激光器，還可以用 變像管或 CCD攝像機(jī)觀測(cè)橫模。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。該腔可以看成由兩個(gè)子腔組合而成，全反射鏡 M和 M1組成一子腔，腔長(zhǎng)為 L+l1，諧振頻率 υ 1i={c/[2(L+ l1)]}qi(設(shè) n=1)。 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(zhǎng) L=850mm，由此可算得縱模間隔 Δνq=c/2nL=108Hz(設(shè) n=1)。 標(biāo)準(zhǔn)具的厚度 d比諧振腔的長(zhǎng)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。由于腔長(zhǎng)縮短，激光輸出功率必然受到限制。由此可見(jiàn)，其色散選擇能力比棱鏡更高。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()色散率的倒數(shù)為單位偏向角波長(zhǎng)的變化量例如：用玻璃材料制成的棱鏡和可見(jiàn)光波段來(lái)說(shuō)，在θ≈1mrad時(shí)，能達(dá)到的 Δλ ≈1nm。例如 , HeNe激光器，可發(fā)射 nm， ? m = 1150 nm， ?m = 3390 nm三條譜線?！ 募す庠淼弥?，凡是滿足非穩(wěn)定條件 g1g21或g1g20的球面諧振腔稱之為非穩(wěn)腔（ gn = 1L/Rn）。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(jìn)行選模，光闌放在透鏡的焦點(diǎn)上。只要小孔光闌的孔徑選擇適
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