色散腔粗选波长
• 当激光工作物质中有多个能级间可以发 生激光跃迁，从而可以产生多波长激光 辐射的情况下
• 或者工作物质有相当宽的增益线宽 • 如果在应用中，需要选出对应某一波长
附近的一组纵模时 • 利用色散腔选择纵模是最为实用且有效
的方法
棱镜色散腔 光栅色散腔
短腔法选纵模
• 谐振腔模间隔=C/2nL • 如果设计腔长L使模间隔
TEM11模
TEM01模
TEM02模
TEM21模
TEM00模 TEM10模
TEM01模 TEM11模
纵模选择极其意义
• 在激光器纵模频率 间隔小于增益曲线 宽度的情况下，如 果不加任何控制激 光器一般将产生多 纵模输出
• 激光的很多应用中 需要单色性很好的 窄线宽光源，纵模 选择在这时就是必 不可少的技术
相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例
球面镜谐振腔的两个重要参数
g参数 g =（1-L/R） 其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。
菲涅尔数 N=a2/L 其中a为腔内有效孔径的半径，L为腔长。
衍射损耗是谐振腔参数g和菲涅尔数N的函数
光阑法选横模
• 在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减 小腔镜尺寸，即减小了谐振腔的菲涅耳 数N。菲涅耳数越小，衍射损耗就越大。 适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
介稳腔和非稳腔选模
• 介稳腔和非稳腔由于 模式衍射损耗增加， 高阶模起振比较困难， 所以只要适当控制腔 参数就可以实现基模 输出。
• 非稳腔还有模体积大， 可以充分利用增益介 质实现大功率输出的 优点。
g2
非稳区
非稳区
-1
非稳区
1
01 -1
g1
非稳区
特殊腔镜选模
1、高斯镜选模
腔镜反射率呈高斯分 布，使腔镜选择性对 基模提供反馈，而对 高阶模损耗很大，由 此实现基模振荡。
增益
实际振荡 的纵模
损耗
2、横模选择技术
激光振荡的建立条件是增益G大于损耗 G = i + m+ d
其中i为激光在腔内传输由于散射、吸收产生的损耗， m为反射镜产生的损耗； d为谐振腔中由衍射产生的 损耗。
选择横模的两个原则 1. 必须尽量增大高阶模与基模的衍射损耗比 2. 必须尽量减少腔内其他损耗i和镜面损耗m ，从而
第六章、激光器的模式选择和调制技 术
1. 激光模式选择极其意义 2. 横模选择技术 3. 纵模选择技术 4. 激光模式测量技术 5. 激光调制的基本概念 6. 激光调制技术
1、激光模式选择极其意义
激光的优点在于功率高、方向性好、单 色性和相干性好，一个理想的激光器输 出光应按需要控制输出模式，大多情况 下我们希望只输出单横摸和单纵模输出。
• 小孔光阑方法最简单易行，且有效。但 同时须考虑模体积问题。
设计腔参数g、N选择横模
• 在增益较小的激光器件中，可以通过适 当的腔参数设计选择基横模
• N一定时g参数绝对值越小，各模式的d 也越小，比值10 /00增大。
• 因此，考虑各模式的d ，以及10 /00， 同时考虑模体积，适当选择g和N就可以 选出基模。如He-Ne激光器。
• 外调制是指加载信号在激光输出后进行，通常是 在激光谐振腔外，光路上放置调制器。
• 激光调制有调幅、调频、调相和脉冲调制等方式
6、激光调制技术
设腔内为自由空间腔长为l，傅立叶传输方程为
H=exp[ j（2/ ）l 1- 2- 2 ]
全反镜一端复振幅可写为
B(x’,y’)=A(u,v)exp[j2(xu+yu)] exp[ j（2/ ）l 1- 2- 2 ]dudv
如果我们制作一个反射镜，反射系数R可以表示为
R2（x’,y’)=b*(x’,y’)/b(x’,y’)
4、激光模式测量技术
横模测量技术
激光器
小孔扫描法
CCD射象法
激光器
CCD
衰减片
纵模测量技术
匹配透镜
• 扫描干涉仪
光栏
探测器
隔离器
压电陶瓷
• 光谱分析仪
5、激光调制的基本概念
• 把欲传输的信息加载于激光载波的过程为激光调 制
• 激光调制根据其与激光器的关系，可分为内调制 和外调制
• 内调制是指加载调制信号在激光振荡过程中进行， 即以调制信号的规律去改变激光振荡参数，从而 改变激光输出特性以实现调制
其中*代表共轭
反射波则由下式表示
b(x’,y’) R2（x’,y’)= b*(x’,y’)
= A*(u,v)exp[-j2(xu+yu)] exp[- j（2/ ）l 1- 2- 2 ]dudv
当其通过距离l的自由空间传播回输出镜时有

a’(x,y) = A*(u,v)exp[-j2(xu+yv)]dudv=a*(x,y)
因此产生了，以控制输出光束发散角、 光强分布为主要目的的横模选择技术， 以及以获得窄线宽为主要目的纵模选择 技术。
横模选择极其意义
• 激光器的横模决定 了输出光束的光强 分布和发散角
• 从工业的钻孔、焊 接到光通信，从激 光医疗到激光测距， 基横模输出都非常 重要
TEM00模
TEM10模
TEM20模
此技术可以有效选择 模式输出，并实现大 模体积运转，提高激 光器的单模输出功率。
R D
2、相位供轭反射镜谐振腔选横模
在一个激光谐振腔内设输出镜一端的光厂分布为： a(x,y) = A(u,v)exp[j2(xu+yv)]dudv
式中exp[j2(xu+yv)]是方向余弦
=u
= v = 1- 2- 2
增益曲线宽度
g 则可以实现单纵模工作 例如：He-Ne 10cm
CO2 3m VCSEL
损耗
F-P标准具选模
复合腔法选纵模
1. 迈克尔逊式 复合腔
=C/2n(l1-l2)
l2 l1
1. Fox-Smith式 复合腔
=C/2n(l1+l2)
l2 l1
行波腔选纵模法
• 在均匀加宽工 作物质中，以 行波方式产生 激光振荡，消 除空间烧孔效 应就可以实现 单纵模输出
将输出镜系数选择为 这样经过一次往返 实现了自在现。
R1(x,y)=a(x,y)/a*(x,y) a(x,y)= R1(x,y) a*(x,y)
实际上我们可以设计任意强度分布和形状的光场作为我
们希望的振荡模式，制造一对符合要求的相位共轭镜，
以达到选模目的。
3、纵模选择技术
• 色散腔法粗选波长 • 短腔法选纵模 • F-P标准具法 • 复合腔法选纵模 • 行波腔选纵模 • 其他纵模选择方式