纵模选择和模的竞争

来源：本站发布时间：2014/12/5 9:59:26 点击量：

为了获得更好的单色性和相干性的激光束，要求激光以单频振荡，在一般情况下，多横模激光器是一个多频激光器，而多纵模激光器的频率间隔则更大。激光器的振荡纵横数目，由腔长、工作物质的增益线宽和激励水平等因素所决定。因为只有处于增益线宽内的那些纵模频率才有可能真正起振，形成多纵模振荡。某些实际应用，如光通讯、激光全息、精密计量等要求激光具有高单色性、高相干性，必须单频工作，而纵模选择又是单频工作的必要条件。
    假设由增益线宽和激励水平（阈值）所决定的激光振荡的大致频率范围为Δv，腔所允许的相邻两振荡的纵模频率间隔为δv，则实际起振的纵模数目为Δv/ δv。有此可见，减少振荡纵模数（即选纵模）可通过两条途径来实现：一是设法压缩激光器的增益带宽Δv；二是设法增大相邻两振荡纵模之间的频率间隔δv。
    对于纯均匀加宽介质的激光器，无论有多少频率满足空腔振荡条件并落在增益线宽内，往往只是一个频率（纵模）获得大于损耗的增益形成激光振荡。在均匀加宽介质激光器内，通过增益饱和效应，某一模式逐渐把其他的模式振荡抑制下去，最后只剩一个纵模振荡的现象，叫做模的竞争。竞争优胜的模式往往是最靠近增益线中心频率的那个。
纵模选择的方法主要有：
    1、色散腔法。当工作物质具有多条荧光谱线或一条较宽的谱带时，在腔内放入色散棱镜或反射光栅等光学元件，可以进行粗选纵模。使选频振荡的线宽压缩到0.1-1nm左右。
    但是这种方法不仅复杂，而且由于反射光栅非常低的效率导致激光器的效率也显著减少，通常低于94％。
    2、短腔法。对于短腔激光器其腔体本身就是一个可以做为色散元素的法布利－玻罗标准具（FP腔），这样的话在有效的频率范围内增大了纵模间隔。能级之间的强耦合参与到CO2分子辐射中使得最强的谱线才能起振成为可能。但是激光谱线竞争不仅取决于分子的发射强度，还取决于和腔模重叠的部分。如果在一条强发射谱线的中心附近没有腔模，它就不会振荡。由于CO2的谱线频率由CO2分子的结构决定，因此一旦选定一个分子体系，这就是个定值。而腔模的频率是由腔长决定，即δv ＝c/2L。有此可见，短腔可以增大纵模间隔，从而也使得较弱的谱线有机会与腔模重叠而较强的谱线却不会的情况成为可能。以下是两根谱线：10P20即10.59um和10P14即10.53um。

腔长调节CO2激光谱线的图示。当腔长为152.4mm时，10P20谱线与其中一个腔模重叠的更好，因此10P14谱线的振荡被抑制住。

另一个腔长调节CO2激光谱线的图示。当腔长为152.399mm，即比上图的腔长短了1um时，10P14谱线与其中一个腔模重叠的更好，因此可以起振而把具有更强增益的10P20谱线的振荡抑制住。

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