[激光原理与应用-22]：《激光原理与技术》-8- 控制技术-选模技术：横模纵模

Posted 2022-12-14 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 什么是激光的模式

1.1 激光的特性参数

1.2 激光的“模”

1.3 选模

第2章 纵模

2.1 什么是纵模

2.2 纵模的决定因素

2.3 单纵模的选模方法

第3章 横模

3.1 什么是横模

3.2 纵模的决定因素

3.3 单横模的选择方法

3.4 光阑

第1章 什么是激光的模式

1.1 激光的特性参数

激光是一种电磁波，所谓激光的模式，就是输出电磁波的各种参数或特性，包括

• 频率大小
• 幅度大小
• 相位大小
• 功率大小
• 偏振方向

1.2 激光的“模”

“模”就是模式，就是激光的电磁波的分布情况：

横模：是从电磁场的角度来分析激光的电场分布状况的，或称为电磁波在横截面上的能量分布情况。

纵模：是从频率的角度来分析激光频谱的分布状况的。

1.3 选模

 

 

第2章 纵模

2.1 什么是纵模

纵模是指激光的上下震荡的模式，即激光震荡频率的大小。

激光在谐振腔中是反复震荡，其震荡频率与谐振腔的长度有一定的数值关系。

模是与激光腔长度相关的，所以叫做“纵模”，是描述激光频率的。

 

 

2.2 纵模的决定因素

理论上激光腔内可以产生无数个等间距频率的光，但由于增益介质只对特定频率（谐振频率）的光产生最大增益，其他频率的光被抑制掉，即在谐振时会筛选出符合谐振频率的谐振激光，所以，激光器一般仅输出一个特定频率的激光。

纵模是指频率而言的。沿腔的轴线方向（纵向）形成驻波，驻波的波节数由q决定。

通常将由整数q所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模。

不同的q值相应于不同的纵模。

纵模q(q个不同频率)单独的决定模的谐振频率个数。

上图中，注意观察横纵坐标代表的物理量，说明在一个频率区间内，分布了5个纵模（即五个频率的激光，q=5），且强度不等，如同一个不理想的带通滤波器。

在实际的激光器谐振腔振荡中，会出现模式竞争现象，增益大的纵模（如图中的中心处纵模）会“强者愈强”，使得增益小的纵模最终无法达到激光器振荡阈值，不再振荡，实现单模选频输出，即单纵模输出。

简单的说纵模就是频率, 横模就是激光在横切面上的电磁场分布。

纵模是沿腔轴线方向的电磁场的本征态. 纵模数表示激光震荡的频率数, 表征激光的单色性好坏. 单一纵模的单色性最好. 

所谓的纵模，对应一个输出的波长，

单纵模，腔内只有一个单个波长；

多（纵）模，腔内有多个波长；

（这是腔Q值高，线宽无限窄的情况；如果腔的Q值低，多模看起来也就1个波长，只是显的线宽比较宽而已）

拿图片直观看，纵模间距 ：

其中  为光速，

举个例子，腔长15cm，那么纵模间距就是1GHz，

（栗子很好用的，你就不用看公式和单位了：30cm 500MHz、50cm 300MHz…无脑怼）

一个激光，可以是单纵模的，也可以是多纵模的，看怎么设计了...

2.3 单纵模的选模方法

（1）方法1：法布里-珀罗标准具

 

法布里-珀罗干涉仪是主要由两块平板玻璃或石英板构成的一种干涉仪。两块板朝里的表面各镀有高反射率的部分透射膜，并且相互平行；两板之间形成一平行平面空气层。光在这两个镀膜面之间空气层之间反复反射，形成多光束的等倾干涉圆环。

法布里-珀罗干涉仪结构和光路如图1所示。为避免没有镀膜的外表面反射的光的干扰，两块平板常做成楔形，楔角约1'-10'。

 （2）方法2：三反射镜法

 

第3章 横模

3.1 什么是横模

横摸描述的是激光在横截面上的光斑上的能量分布情况，

横模可以从激光束横截面上的光强分布看出来，

横摸描述的是激光照射在平面上的光斑上的能量分布情况。

光斑类似树木的横截面的形状。

如下图所示，高斯分布的光束的截面上光强分布曲线情况：中心高，辐向减小，满足高斯分布。

由于中心为一个光斑，称之为TEM00基模，这是最简单的一种横模。

至于TEMxy的命名规则，见下图：

上图就是激光束在横截面上的能量分布的几种模式，其中00称为基模。

3.2 纵模的决定因素

3.3 单横模的选择方法

 

 

单横模的选择方法是在谐振腔内放置合适的光阑。

3.4 光阑

光阑是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体。

它可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏。其作用可分两方面,限制光束或限制视场(成像范围)大小。

光学系统中限制光束最多的光阑，称为孔径光阑，限制视场(大小)最多的光阑，称为视场光阑。

由上可知,孔径光阑和视场光阑两者都是实物。

决定光学系统的孔径光阑的一般规则是：从物点看光阑或光阑的像，由其中张角最小的那一个,来决定光学系统的孔径光阑。如果张角最小的是某光阑的像，则该光阑本身就是孔径光阑。