第4章激光的基本技术_

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1、第4章 激光的基本技术（1）选模技术 （2）稳频技术 （3）光束变换技术（聚焦、准直、扩束） （4）激光调制技术 （5）激光偏转激光的优点在于它具有良好的单色性、方向性和亮度高。理想的激光器输出光束应该只有一个模式，但是对于实际的 激光器，如果不进行模式选择，它们的工作状态往往是多模 的。含有高阶横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角大。含有多纵模及多横模的激光器单色性差。在激光准直、激光加工、非线性光学、激光测距等领域都需 要基横模激光束。在精密干涉测量、光通讯及全息照相等应 用中更要求激光是单横模和单纵模光束。因此，设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是必要的 。 4.1 激光器输出的选

2、模 选模技术-选频技术 利用选模技术-获得单模单频激光输出 激光纵模选取-提高激光的相干性 激光横模选取-提高激光亮度横模的选择：在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，随着横模阶次的增高，衍 射损耗将迅速增加。谐振腔中不同的横模具有不同的衍射损耗是横模选择的 物理基础。为了提高模式的鉴别能力，应该尽量增大高阶模式和基模的衍射 损耗比，同时，还应该尽量增大衍射损耗在总损耗中占有的比例；衍射损耗 的大小及模鉴别能力的值与谐振腔的腔型及菲涅耳系数有关。 纵模的选择：一般的谐振腔中，不同的纵模具有相同的损耗，因而进行模式 鉴别和选择时应可以利用不同纵模的不同增益。同时，也可以引入人为的损 耗差。 4.1.1

3、 激光单纵模的选取 1. 均匀增宽型谱线的纵模竞争(1) 当强度很大的光通过均匀增宽型介质时粒子数反转分布值 下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。(2) 多纵模的情况下，如图所示，设有q-1，q，q+1三个纵模 满足振荡条件。随着腔内光强逐步增强，q-1和q+1模都被抑 制掉，只有q模的光强继续增长，最后变为曲线3的情形。图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争(3)若此时的光强为Iq，则有 ，于是振荡达到稳定 ，使激光器的内部只剩下q纵模的振荡。这种现象叫做“纵模 的竞争”，竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那个纵模 被保持下来。(4)在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较强时，也可 能有

4、比较弱的其他纵模出现，如何解释？这种现象称为模的 “空间竞争”。4.1.1 激光单纵模的选取 2. 非均匀增宽型谱线的多纵模振荡非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 3. 单纵模的选取(1) 短腔法： 两相邻纵模间的频率差 ，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔 长，使 的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度 缺点 He-Ne激光器：荧光线宽 腔长 L=10cm，纵模间隔 (2) 法布里-珀罗标准具法： 如图所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴 方向插入一个法布里珀罗标准具 图(4-2) 法布里-珀罗标准具法示意图 由于多光束干涉的结果，对于 满足下列条件的光具有极高的 透射率

5、能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为： 谐振腔的纵模频率间隔为： 腔内插入F-P标准具法：调整F-P标准具的参数，使得在增益线宽范围内，只有一个透 射峰，同时在一个透射峰谱线宽度范围内只有一个模式起振， 则可以实现单纵模工作。即选模条件为：1. 选择合适的标准具光学长度，使标准具的自由光谱范围与 激光器的增益线宽相当。使在增益线宽内，避免存在两个或多 个标准具的透过峰。2. 选择合适的标准具界面反射率，使得被选纵模的相邻纵模 由于透过率低，损耗大而被抑制使m远大于纵，从而使得在整个谱线宽度内只有一个m具有最大透过率 。如果我们再适当地调整角，就可以使得具有最大透射率的m正好等于激 光器的多个

6、纵模中的某个纵模q所对应的频率q ，这样就使得只有纵模q对 标准具有较高的透射率而形成振荡。(3) 三反射镜法： 如图所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代 替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分 透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合图4-3 三反射镜法两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：4.1.2 激光单横模的选取 横模选择的原则 激光振荡的阈值条件为：Ga a为总损耗系数，它可表示为： a=i+m+d 其中i为激光束通过增益介质产生的损耗；m为激光束在谐振 腔镜面上由于透射、散射和吸收等因素而产生的损耗；d为激 光在谐振腔中因衍射而产生的损耗。则有 Gi+m

7、+d 选横模的实质是使需要的横模（一般为基模TEM00）满足上式 产生振荡，而使不需要的横模（一般为高阶模）不满足上式而 被抑制，从而达到滤去高阶模的目的。由于上式中的G、i、 m对不同横模来说是相同的，因而满足振荡阈值条件主要由 衍射损耗d来决定。为了达到上述目的，应当尽量减小i和 m，或相对增长d，使得腔的总损耗a中衍射损耗d能起决定 作用，因而有利于选模。 横模选择常遵循的原则是：必须尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比（差异），即 尽量增大比值1000。使高阶横模相对基模而言更易于抑制 而难于起振；必须尽量减小内部损耗i及镜面上的损耗m，而相对增大 衍射损耗d在总损耗a中的比例。 一.

8、衍射损耗和菲涅耳数(1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。 (2)如图所示的球面共焦腔，镜面上的基 横模高斯光束光强分布可以表示为 (3)单单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率与射向镜 面的总光功率之比：图4-4 腔的衍射损耗(4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入参量“菲涅尔数”，它 定义为 ：单程衍射损耗表示为：对于共焦腔的基横模来说，衍 射损耗只与菲涅耳数N有关，N 越大则衍射损耗越小。菲涅耳 数是表征谐振腔衍射损耗的一 个特征参数。二. 衍射损耗曲线1. 衍射损耗与菲涅耳数N的关系一般是比较复杂的，往往写不出解析的表达式而 需要用计算机进行数字计算。因此，通常都是将计数结果

9、画成曲线，这就是所谓 的衍射损耗曲线。图画出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的 曲线，1N越大则 越小； 2在同样的N下，横模序数越高则 越大 ；3. 在同样的N和同样的横模序数下，共焦腔 的 比平行平面腔的 小得多，这是由于 凹面镜的会聚作用使光能更集中于中心处的 缘故。图中画出了对称腔TEM00模的单程衍射损耗随菲涅耳数的变化。在相同的N下，越接近于共焦腔(g0)衍射损耗越小。基模体积问题某一模式的模体积用来描述该模式在腔内所扩展的空间范围。 模体积大，对该模式的振荡起作用的激发态粒子数就多，因而 ，输出功率大。反之，模体积小，输出功率就小。基模体积是随腔型和g、N参数变化而变化的。 g=

10、1-L/R 腔的结构参数；N 菲涅尔数由谐振腔理论分析可知，当考虑对称腔情况时（R1R2）， 基模（TEM00）高斯光束的束腰W0可表示为： 具有如下性质： 当增大腔镜曲率半径R时，基模束腰W0亦随之增大，从而基 模体积亦随之增大。所以平行平面腔有较大的基模体积。 当R为一定值时，W0随腔L变化存在一极大值，可得出极大 值条件为LR（共焦腔）。以上性质在选模技术中具有实用意义。 此外，横模选择也是单频激光器所要求的必要条件。只有在 单横模的基础上选出单纵模才能获得激光的单频振荡。 （1）腔型及参数g、N的选择谐振腔的横模选择是以腔内不同横模具有不同的衍射损耗为根据的。而不同 的谐振腔类型及不同

11、的腔参数，其衍射损耗又各不相同。通常在设计谐振腔时，适当选择腔类型和腔参数g、N就可以获得基模输出。共焦腔（g=0）比值1000最大，这似乎有利于选模，然而共焦腔的基 模损耗00以及TEM10模的损耗10都太小了。为了抑制高阶模，就必须减 小腔的非涅尔数N。N值减小，基模体积变小，使输出功率下降。若采用平行平面腔，虽比值1000不大，但00及10都较大，容许选 择较大的N值，其TEM10模仍可处于不能振荡的抑制状态下，由于它们的基模 体积较大，一旦实现单横模振荡，其输出功率就可能很高。 三. 激光单横模选择方法 （2）光阑法选模 目前光阑法选模最为普遍，也十分简单，只需在谐振腔中插入一个适当大

12、小 的小孔光阑，便可抑制高阶横模而获得基模输出。此法具有以下几种不同形 式： 小孔光阑选模 由于基模具有最小的光斑尺寸，而其它高阶模的光斑尺寸则 依次变大。所以对气体激光器，可采用选择放电管的毛细管 直径的大小，来限制激活介质的横截面积，达到选模的目的 。但对大多数固体激光器而言，激活介质的直径不可能做得 太细。故欲抑制高阶横模，可在谐振腔中放置一个适当大小 的小孔光阑，其孔径大小恰好阻止其余高阶横模而让TEM00 模顺利通过。插入小孔光阑相当于减小腔镜的横截面积，即 减小了谐振腔的菲涅尔数N，使00及10都有所增大，从而选 出基模。 小孔光阑半径应与基模光束的光斑尺寸W(z)大致相等。即：

13、r0=W(z) 由此可见，光阑放在腔内不同位置时，其光阑半径的大小r0是 不同的。 实验时，只需在激光器内插入一个光阑，逐步减小光阑的孔 径，就可以使光束的模式转变到基模输出。 聚焦光阑法 小孔光阑法具有结构简单、调整方便等优点。但由于光阑较小 ，使基模体积变小，使输出功率下降较大。所以此法仅适用于 增益较低的气体激光器。为了扩大基模体积，通常在谐振腔中 安置透镜进行选模，如图所示。其原理是使腔内平行光束聚焦 ，再在焦点处插入一个小孔光阑，使得只有沿轴向行进的平行 光束才能通过小孔往返振荡，而其它方向上的光束被小孔光阑 所阻截。这种选模方法，扩大了激活介质的基模体积，从而提 高了激活晶体的利用

14、率，增大了激光输出功率（或能量）。 此法虽扩大了基模体积，但由于使用了二个透镜，增加了腔内 损耗，而且调整困难。腔内存在聚焦光束，使光阑处的光功率 密度过高，易使光阑烧坏，因此光阑材料须选用高熔点金属或 蓝宝石一类特殊材料。故不适用大功率、大能量激光器件。 图4-6 聚焦光阑法腔内望远镜法 猫眼”谐振腔将聚焦光阑装置再作改进，即将平面镜移到焦点处贴近光 阑，在透镜处放置另一个较大的光阑，此称为“猫眼”腔。它具有高选模性、模体积大、腔长短、结构紧凑等优点。 但腔镜处于焦点位置，要求镜面能耐受强光照射。 图4-7 腔内望远镜法（3）其它选模方法。 棱镜选模方法。选模原理是基于临界角附近光束的反射率

15、随 入射角的变化而迅速变化。棱镜可如此放置：使之对于轴向附 近很窄的范围（1）内的光线有高的反射率，入射光束，以临 界角c入射到面上，再经面全反射回来。凡偏离c的光束，其 反射率不高。于是作为高阶横模（其发散角较大）被滤掉，从 而选现基模。 饱和吸收染料选模。因TEM00模的功率密度高，在染料中很 容易饱和而使染料变得透明。但高阶横模其功率密度低，不易“ 漂白”染料，两者的损耗具有较大的差异，从而达到选基模的目 的。 调节腔镜选模。光学谐振腔的反射镜主光轴与激活介质的轴 线重合时，不同横模的衍射损耗都较小，当镜轴与腔轴偏离时 ，则不同横模的衍射损耗都会相应增加。因高阶横模损耗大， 受到影响较大。而基横模损耗小，受到影响小，容易获得基模 输出，但输出功率会因此而下降。 四.高阶横模的抑制一般说来，抑制高阶横模需要两方面的条件：一方面是要求基横模光束的衍射损 耗小，使得基横模不仅满足振荡的阈值条件，而且有较大的功率输出；另一方面 是要求高阶横模的衍射损耗足够大。两种常用的抑制高阶横模的方法如下。1调节反射镜2腔内加光阑：高阶横模的光束截面比基横模大，故减小增益介质的有效孔 径a，从而减小菲涅耳数N，就可以大大增加高阶横模的衍射损耗，以致将它们 完全抑制掉。最简单的办法就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光阑（用于 增益较低的气体激光器），如图所示。4.2 激光器的稳频稳定度