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激光器的横模选取调查报告
调查人:xxxxxxx
班级:xxxxxx
学校:扬州大学
学院:物理科学与技术学院
激光器产生激光的条件
衍射损耗〔曲线〕和菲涅尔数
三.
光阑法选取单横模
聚焦光阑法选取横模
腔内望远镜法选取横模
拓展选取横模的其他方法
激光器产生激光的条件
激光振荡的条件是增益G必须大于损耗系数a总。损耗可分为与横模阶数有关的衍射损耗与模式无关的其他损耗,如输出损耗、吸收、散射损耗等。基横模选择的实质是使TEM00模到达
因此,只需要控制个高阶模式的衍射的损耗,即可到达选取横模的目的。一般只要能抑制比基横模高一阶的TEM10模和TEM
衍射损耗〔曲线〕和菲涅尔数
在激光谐振腔内振荡的基横模使高斯光束,其光振幅和光强分布在与光轴垂直的平面上呈高斯函数形式,一直延伸到离光轴无限远处。因此,由于反射镜的有限尺寸的限制,每一次反射都会有一局部能衍射到镜面之外,造成能量损失。这种由于衍射效果应形成的光能量损失称为衍射损耗。
图-腔的衍射损耗表示的是如下图的腔内基横模高斯光束光强分布
图-腔的衍射损耗
ρ=x2+y2为镜面上某点与腔轴之间的距离w1为镜面光斑半径。定义单程衍射损耗为射到镜面之外而损耗掉的光功率Φ‘与射向镜面的总光功率
由上式可见反射镜半径越大,衍射损耗越小。在实际激光器中,反射镜面常常是足够大的,对光束的限制来自于增益介质的孔径。
由前面的讨论可知,横模阶次越高那么光斑尺寸越大。因此在a一定的情况下,越高阶的基横模,其衍射损耗越大。只有基横模的衍射损耗最小。
分析衍射损耗时,为了方便,经常引入一个称为“菲涅尔数“
的参量,定义为N=a2λL菲涅尔数越大,单程衍射损耗越小
δD=exp
图-不同腔的衍射损耗曲线上面衍射损耗与菲涅耳数的关系式是针对共焦腔基横模得到的。对于其他形式的谐振腔及高阶横模,这两者之间的关系会比拟复杂,一般没有解析表达式,只能用计算机模拟。通常将计算结果画成曲线,这就是衍射损耗
图-不同腔的衍射损耗曲线
3.
一.光阑法选取单横模
根本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑。
基模具有最小的光束半径,其他高阶模,其他光束半径依次增大。光阑法虽然结构简单,调整方便,但受小孔限制,工作物质的体积不能得到充分利用,输出的激光功率比拟小,腔内功率密度高时,小孔易损坏。
二.聚焦光阑法选取横模
为了充分利用激光工作物质,可以在腔内插入一个透镜组,使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间,以提高输出功率。这种方法叫做聚焦光阑法。下列图是其结构图。
由图可见,在腔内加上两个共焦透镜,光束经聚焦后,再通过一个小孔光阑。谐振腔采用平面腔,只有那些沿轴向行进的平行光束,经聚焦后才通过小孔往返振荡。在其他方向上的光束,聚焦后那么被小孔阻截。既保持了小孔光阑的选模特性,又提高了工作物质的利用率,提高了激光输出功率。
腔内望远镜法选取横模
由上述方法的根底上,又开展一种腔内加望远镜系统的选横模方法,其结构如下列图。在谐振腔内插入一组凹凸透镜组成的望远镜系统,将光阑放在凹透镜的左边,这样防止的实焦点。光阑所在不是焦点位置,不会因为能量过于集中而损伤光阑材料。装置中凹透镜的位置可以调节,相对于凸透镜可以选择适当的离焦量,用以补偿激光棒的热透镜效应。
综合来看,这种腔又三个方面优点:1.能充分利用激光物质,获得较大功率的基模输出。2.可以通过调节望远镜的离焦量得到热稳定性很好的激光输出。3.输出光大小适当,不致损伤光学元件。
选取横模的其他方法
凹凸腔选模:
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