激光器特性的控制与改善.pptx
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1、模的基本特征模的基本特征主要包括:1、电磁场空间分布 E(x,y,z),包括腔的横截面内的场 分布(横模)和纵向场分布(纵模);2、谐振频率;3、在腔内往返一次经受的相对功率损耗;4、每一个模的激光束发散角。腔的参数 唯一确定 模的基本特征。腔的模式 也就是腔内可能区分的 光子状态。横模阶数越高横模阶数越高,光强分布就越复杂光强分布就越复杂且分布范围越大且分布范围越大,因而其光束发散角越大。因而其光束发散角越大。横模横模:在谐振腔的横截面内激光光场的分布在谐振腔的横截面内激光光场的分布.图图7.1-1 不同横模的光场强度不同横模的光场强度1.基模(TEM00)的光强分布图案呈圆形且分布范围很小
2、,其光束发散角最小,功率密度最大,因此亮度也最高,径向强度分布是均匀的。2.经过选模之后,输出功率可能有所降低,但由于发散度的改善,其亮度可提高几个数量级,横模选择技术是使激光发散角小横模选择技术是使激光发散角小。一台激光器的谐振腔中可能有若干个稳定的振荡模,只要某一种模的单程增益大于其单程损耗,即满足激光振荡条件,该模式就有可能被激发而起振。设谐振腔两端反射镜的反射率分别为r1、r2,单程损耗为,单程增益系数为G,激光工作物质长度为L,则初始光强为 I0的某个横模(TEMmn)的光在谐振腔内经过一次往返后,由于增益和损耗两种因素的影响,其光强变为:一一.横模选择原理横模选择原理7.1 横模选
3、择技术横模选择技术激光器即可实现单横模激光器即可实现单横模(TEM00)运转运转。阈值条件为 II0 即 I/I0 1由此得出 r1r2(1-)2 exp(2GL)1下面考察两个最低阶次的横模TEM00和TEM10模的情况,认为激活介质对各横模的增益系数相同,当同时满足下认为激活介质对各横模的增益系数相同,当同时满足下列两个不等式:列两个不等式:1 1 谐振腔存在两种不同性质的损耗,一种是与横模阶数无关的损耗;另一种则是与横模阶数密切相关的衍射损耗,在稳定腔中,基模的衍射损耗最小,随着横模阶数的增高,其衍射损耗也逐渐增大。由图可见,在菲涅耳数N值相同的情况下,对称稳定腔的衍射损耗随|g|的减小
4、而降低。谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗的性能谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗的性能是实现横模选择的理论基础是实现横模选择的理论基础。|g|=|1-L/R|图图 5.2-1 不同构形对称谐振腔的衍射损耗随不同构形对称谐振腔的衍射损耗随N的变化的变化N=2/(L),(a)TEM00模模N=2/(L),(b)TEM10模模100图5.2-2 各种对称腔的10/00与N的关系横模的鉴别力随N的增加而变大,但衍射损耗随N的增加而减小;N要选择适当(折中一下:一般 0.5-2)其一,衍射损耗在模的总损耗中必须占有重要地位。衍射损耗在模的总损耗中必须占有重要地位。其二,横模选择除了考虑各横模衍射损耗的绝对
5、值大小之外,还应考横模选择除了考虑各横模衍射损耗的绝对值大小之外,还应考虑横模的鉴别能力:虑横模的鉴别能力:即1000比值大。一类是改变谐振腔的结构和参数改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别,提高谐振腔的选模性能;另一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元件腔内插入附加的选模元件来提高选模性能。二、横模选择的方法二、横模选择的方法 图5.2-2示出了共焦腔的 1000 比值与菲涅耳数的关系。由图可见,当一定,|g|参数小,1000 大,但 00和10值也小,这样要选出基模并抑制高阶模,只有靠减小菲涅耳数来提高模损耗值。但是值太小时,模体积很小,输出功率也就很低。对常用的大曲率半径的
6、双凹球面稳定腔来说,选择菲涅耳数在0.5到2.0之间比较合适。1.谐振腔参数g 和的选择法 采用小孔光阑作为选模元件插入腔内是固体激光器中常用的选模方法,如图5.2-7所示。对于共心腔,这种方法尤其有效。由于高阶横模的光腰比基模的大,如果光阑的孔径选择得适当,就可以将高阶横模的光束遮住一部分,而基模则可顺利通过。腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜的横模截面,即减小了腔的菲涅耳数,因而各阶模的衍射损耗加大。只要小孔光阑的孔径选择适当便可选出基模。2.小孔光阑法选模图5.2-7 小孔光阑选模图5.2-8共心腔两低阶模衍射损耗与光阑孔径的关系%图5.2-9共心腔10/00与光阑孔径的关系图5.2-10
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