模式選擇技術(shù)-展示頁(yè)
2024-10-15 15:55本頁(yè)面
【正文】 這截面所產(chǎn)生的部分橫模如圖。 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 。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。 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(chǎng)的分布。模式選擇技術(shù)可分為兩大類 : 一類是橫模選擇技術(shù) 。第五章 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(duì)激光諧振腔的模式進(jìn)行選擇。 另一類是縱模選擇技術(shù)。 如圖 模的光場(chǎng)強(qiáng)度分布照片。 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。這里只就第一種原因作簡(jiǎn)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(zhǎng) , 設(shè)以 Z代表腔軸方向，垂直 Z的截面為 XY平面。 標(biāo)記 TEMmn中 TEM代表電磁橫波 ，圖上的標(biāo)記符號(hào)，是從微波技術(shù)上接過(guò)來(lái)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)。 TEM10代表 m=1， n=0的模，余類推。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。 經(jīng)過(guò)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(jí) , 橫模選擇技術(shù)是使激光發(fā)散角小 。 )0(2c o s2 ???? ???? knLknL??c? nLkc2??所謂縱模 , 就是指沿諧振腔軸線方向上的激光光場(chǎng)分布 。 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。 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。 )2e x p ()1( 2210 GLrrII ??? () 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(duì)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： )e x p ()1( 0021 GLrr ?? ＞ 1 () )e x p ()1( 1021 GLrr ?? ＜ 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(wú)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。 由圖可見(jiàn)， 在菲涅耳數(shù) N值相同的情況下 , 對(duì)稱穩(wěn)定腔的衍射損耗隨 |g|的減小而降低?？紤]到模式間的競(jìng)爭(zhēng)，選單橫模的條件還可以放寬些，當(dāng)滿足條件 1)e x p ()1( 0021 ?? GLrr ? () 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。通過(guò)減小腔的菲涅數(shù) N也可以達(dá)到這一目的 。為了有效地選擇橫模， 還必須考慮兩個(gè)問(wèn)題， 其二， 橫模選擇除了考慮各橫模衍射損耗的絕對(duì)值大小之外，還應(yīng)考慮橫模的鑒別能力 ，即基模與較高橫模的衍射損耗的差別必須足夠大 (即 δ10／ δ00比值大 )，才能有效地把兩個(gè)模區(qū)分開(kāi)來(lái)，以易于實(shí)現(xiàn)選模。 N要選擇適當(dāng) (折中一下： 一般 ) 橫模衍射損耗的差別不僅與不同類型的諧振腔結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且還與腔的菲涅耳數(shù) N有關(guān)。 g = | 1L/R | N=α2 / (λL) 100 圖 各種對(duì)稱腔的 δ10/δ00與 N的關(guān)系 凹腔的 δ10／ δ00值與 N的關(guān)系。 橫模選擇方法可分為兩類：一類是 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，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。 二、橫模選擇的方法 圖 δ10／ δ00 比值與菲涅耳數(shù) Ｎ 的關(guān)系。但是 Ｎ 值太小時(shí)，模體積很小，輸出功率也就很低。 g 和 Ｎ 的選擇法 適當(dāng)?shù)剡x擇諧振腔參數(shù) Ｒ １ ， R２ ， Ｌ , 使它們運(yùn)轉(zhuǎn)于穩(wěn)定區(qū)邊緣 , 即運(yùn)轉(zhuǎn)于臨界工作狀態(tài)，則有利于選模，因?yàn)楦麟A橫模中最低階模 (TEM00模 )的衍射損耗最小。 圖 在不同 Ｎ 值時(shí)，模衍射損耗 |g|的關(guān)系 ∣g ∣ =∣1 L/R∣ 由圖可見(jiàn)，隨著 | g |值趨于是 1， TEM01模的單程衍射損耗增加的速率比 TEM00模要快得多。反射鏡的微小失調(diào)使通光孔徑有所減小，將會(huì)使腔內(nèi)光束損耗大大增加 , 引起輸出功率下降，甚至發(fā)生不振蕩的現(xiàn)象。由諧振腔理論分析可知 , 一般穩(wěn)定球面腔之 TEM00模的有效光束半徑 ω(z)沿腔軸 z方向是以雙曲線規(guī)律傳輸?shù)?, 如圖 。若只考慮對(duì)稱腔的情況，其表示式為
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