模式選擇技術第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五主要內容

5.1概述

5.3縱模選擇技術

5.4模式測量

5.2橫模選擇技術

第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五5.1概述選模的目的：1、減少激光的模式數2、改善激光的方向性3、提高單色性。第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

5.1概述激光器的模式：

模式：在腔內可能存在的穩定光場的本征態-模式。（本征態是指聚合物未經任何物質摻雜）量子理論：可能區分的光子態。量子電動理論：電磁場的可能區分的量子態。腔內：縱模和橫模

第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五5.1概述橫模：在腔中垂直腔軸方向的電磁場的本征態改善激光的方向性第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五5.1概述縱模：沿諧振腔軸線方向上的激光廣場（電磁場）分布。改善激光的單色性。第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五橫模橫模：腔內電磁場在垂直于其傳播方向z的橫向x-y面內存在的穩定場分布激光的模式表示：TEMmnTEM：橫向電磁場;m、n：橫模的序數m=n=0的模式（TEM00）稱為基模，光斑最簡單的結構不同的橫模，光場分布不同，光束的發散角不同第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五基橫模為什么要選出基橫模？基橫模特點：1、光強是高斯形2、發散角最小隨著橫模序數的增加：1、光場的范圍加大2、分布不均勻3、發散角越來越大。第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五為什么要選出基橫模一般激光器中有很多模式振蕩，實際的光場分布是復合模。為了改善激光的方向性，必須選出基橫模。第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五不同橫模的光場強度分布第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五改善激光方向性、提高單色性為什么要改善激光方向性、提高單色性？從實際應用需求來看：1、激光打孔2、激光全息第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五橫模的形成第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五橫模的選擇基本原理：不同橫模的衍射損耗不同腔的總損耗：δ=δd+δi激光振蕩的條件是

G>δ（單程增益大于單程損耗）第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五橫模的選擇要選出基橫模而使其他高階模不能振蕩兩條原則：①高階模與基橫模的衍射損耗之比要大，δ10/δ00大,即增大橫模間的衍射損耗差別。（δ10要大）②衍射損耗與總損耗之比δd/δ要大，即總損耗主要由衍射損耗決定。第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五影響衍射損耗的因素衍射損耗的大小是選橫模的關鍵，衍射損耗與哪些因素有關？(1)與腔型，即g參數有關，不同腔型，衍射損耗不同；g=1-L/Ra、穩定腔b、準穩腔c、非穩腔第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五影響衍射損耗的因素(2)與模序數有關，同一腔型不同橫模，衍射損耗不同TEM00模δ00最小，隨著模序數增加，δd增大第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五影響衍射損耗的因素(3)與菲涅耳數（N=a2/(L)）有關，同一腔型不同N，衍射損耗不同第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五影響衍射損耗的因素1、g、N一定時δ10<δ002、N一定時，gδ00δ103、g一定時，Nδ00δ10

第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五橫模的選擇理論

不同對稱腔的δ10/δ00值與N的關系

第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五橫模的選擇理論第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五橫模的選擇方法1.諧振腔參數g

和Ｎ的選擇法2.小孔光闌法選模3.腔內插入透鏡選橫模4、非穩腔的選模第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五諧振腔參數g

和Ｎ的選擇法第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五小孔光闌法選模在諧振腔中加一小孔光欄原理方法第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五腔內插入透鏡選橫模聚焦光欄法：透鏡+小孔光欄原理第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五腔內插入透鏡選橫模改進：正+負透鏡=望遠鏡第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五非穩腔的選模什么是非穩腔？特點第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五5.3縱模選擇技術一縱模選擇原理二縱模選擇方法第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五一縱模選擇原理

（1）實現單縱模選擇的過程：

減少熒光譜線選出基模

縱模選擇

振蕩的縱模數：（2）縱模選擇的基本思想第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五二縱模選擇方法特點：只能選出具有一定寬度的譜線，不能選出單一的頻率。1色散腔粗選頻率方法:利用腔鏡反射膜的光譜特性或在腔內插入棱鏡或光柵等色散元件，不同波長的光束在空間分離，然后設法僅使較窄波長區域內的光束在腔內形成振蕩。第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

圖5.3-1所示是腔內插入色散棱鏡的粗選裝置圖。AccTBCDO圖5.3-1色散棱鏡粗選原理示意圖α1=α2=αφ設腔內之光束所允許的發散角為θ，則由于色散棱鏡的分光作用，腔內激光波長所能允許的最小波長分離范圍為第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

另一種色散腔是用一個反射光柵代替諧振腔的一個反射鏡，如下圖所示：設腔內之光束所允許的發散角為θ，則光柵色散所能允許的最小分離波長范圍是：

2tanθ0θ第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五2F-P標準具法（1）F-P標準具的原理F-P對不同波長的光束具有不同的透過率：第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五相鄰兩透過率極大值的間隔（自由光譜區）為：除最大透過率外，其他頻率處的透過率與R有關—透過率曲線特點：R越大，峰越細銳透射峰頻率間隔相等第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五（2）選模

法線C/(2nL)腔諧振頻率C/(2nL)腔諧振頻率C/(2nd)腔諧振頻率單振蕩頻率上圖所示為F-P標準具法選縱模優點：在于標準具平行平面板間的厚度可以做得很薄，由于腔長沒有縮短，輸出功率仍可很大。第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五固體激光器增益線寬較寬，L大使縱模間隔小，精細度受工藝限制，需用雙標準器選模。氣體激光器增益線寬較窄，一個標準具即可；第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五3復合腔法

原理：用一個反射干涉儀系統取代諧振腔中的一個反射鏡，則其組合反射率是光波長(頻率)的函數。

特點：組合反射率R隨頻率做周期性變化，在某些特定頻率處R具有極大值。極大值之間的頻率間隔是可以通過調整復合腔長來改變的。第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五（1）邁克耳孫干涉儀式復合腔復合腔的頻率間隔為：適當選擇l1及l2，可以使復合腔的頻率間隔足夠大，即兩相鄰縱模間隔足夠大，與增益線寬相比擬時，即可實現單縱模運轉。

第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五（2）福克斯-史密斯(Fox-Smith)干涉儀復合腔復合腔的兩相鄰的頻率間隔為：選擇適當的l1及l2，使與增益線寬相比擬時，即可獲得單縱模輸出。第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五5.4模式測量方法

一直接觀測法二光點掃描法三掃描干涉儀法四F-P照相法

第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五一、直接觀測法不同的橫模光場分布不同。對于連續的可見光波段的中、小功率激光器，這種方法比較適用；中等功率的激光采用燒蝕法觀測。中小功率的紅外激光器，還可用變像管或CCD攝像機觀測橫模。變像管結構示意圖第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五二、光點掃描法利用光點掃描記錄出光強分布曲線，從曲線上找出對應的橫模。適用于連續激光器的橫模測量。圖所示為光點掃描法裝備某些模的光強分布和對應的模式圖樣第42頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五掃描干涉儀主要由一個無源腔構成，腔的諧振頻率：

下圖為掃描干涉儀測橫模原理圖：三、掃描干涉儀法第43頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五四、F-P照相法F-P照相法來觀測脈沖激光。

F-P照相法原理圖第44頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五F-P標準具的透過率為：投射最強時：T(λ)=12ndcosθ=mλm=0,±1,±2,..