由图可见，除基模uo的振幅在腔镜面上均匀 分布（uo=1）外，其它高阶模的振幅分布（ ）均为镜面边 缘比中心大，即能量相对集中在边缘。因而， 横模阶数越高，衍射损耗越大。
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u1 x
u2 x
2
u3 x
3
稳定腔的基模“0”与 邻近高阶横模“1”、 “2”的损耗差不多， 当基模“0”起振时， 横模“1”、“2”也易 受激起振，因而会形成 多模输出。
而色散腔法可作到(0．001～0．0001)μm的窄带。可以在某些 荧光线宽较宽的介质中选择较窄区域单独振荡、使谱线变窄一 些。
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棱镜色散腔
上图是利用色散棱镜实现粗选频率的装置。通 过调整光路，可以使进入棱镜的入射角α1 等于 离开棱镜的出射角α2，并等于布儒斯特角。 由物理光学知道, 利用色散棱镜分光，腔 内激光波长允许偏离中心波长的间隔 △λ(即允许的谱线宽度)为
单纵模工作的基本思想就是使得增益曲线阈 值以上的区域内，只包含一个纵模。 设计谐振腔，增大纵模间隔△vq，使得在增 益曲线的阈值以上区域，只有一个纵模可供 振荡， 使增益曲线变窄，使其阈值以上区域，只含 一个纵模。
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2．纵模选择方法 (1)色散腔法粗选频率
为了选择特定的谱线振荡，可以采用窄带介质膜反射 镜。介质膜的带宽一般只能做到0．01μm左右
分为两类：被动式稳频和主动式 稳频。
1．被动式稳频 尽量将激光器与变化的外界环境隔离开来，减小外界 环境对激光器的扰动
采用膨胀系数小的材料制作；
对系统
恒温控制 限震 密封隔声 稳定电流等措施
可以减小外界环境的变化对激 光器的影响
被动式稳频的稳定度只 能达到 10-7，要提高到 10-8以上，非常困难。
n ( n sin
2
B)
2 sin B ( dn / d )

式中，θ是激光腔内光束所允许的 发散角，αB是布儒斯特角(在图中， α1=α2＝αB)，dn／dλ表示棱镜材 料折射率随波长的变化率。
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若取θ＝0．1毫弧度，则对玻璃材料棱镜，在可见光区 域，有△λ≈0．001μm。这种棱镜色散法对一些激光 器进行振荡谱线选择，十分有效。
由稳频激光管和稳频 伺服系统组成。激光 管采用热膨胀系数很 小的石英管制成.
兰姆凹陷稳频装置
谐振腔的两个反射镜安置 在殷钢架上，其中一个贴 在压电陶瓷环上。
光电接收器一般采用硅光电 二极管，它将光信号转变为 相应的电信号。
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因此，相敏检 波器输出电压 的极性，与输 入误差信号的 相位有关，输 出电压的大小 反映了输入误 差信号的大小。
2．选横模的方法
有光阑法、非稳腔选横模法等。
(1)光阑法选横模
不同横模的光束半径不 同，基横模有最小的光 束半径，其它高阶模的 光束半径依次变大。
小孔选模激光器 在气体激光器中可以直接利用毛细管作光阑，减小 毛细管的直径，限制激活介质的横截面积，抑制高 阶横模，只允许基模起振。
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在固体激光器中，因激活介质的 直径不能做得太细，不可能通过 工作物质的直径抑制高阶模， 由激光原理知道，谐振腔内基模 有效光束半径ω(z)是随腔轴位置 z 变 化 的 ， 在 对 称 谐 振 腔 ( R1＝ R2)中，ω(z)的表示式为
加之非稳腔的模体积大， 有利于大功率、大能量激 光器工作。因此，选横模 本领高、大功率（能量） 输出，构成了非稳腔激光 器的突出优点。
但对于非稳腔，由于相 邻横模间的损耗相差很 大，易于作到只让最低 阶的基模“0”起振，抑 制掉其余的高阶模，即 使腔的增益很高，也不 会使高阶模振荡。
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因为腔内有会聚光束，使得光 阑处的功率密度很高，容易烧 坏光阑， 所以光阑要采用高熔点金属或 兰宝石一类的材料。 故这种结构不适于大功率、大 能量激光器选用。
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（2）非稳腔选横模
非稳腔是高损耗腔，利用几 何光学的近似理论分析，可 以得到几个较低次横模在腔 镜面上的场（场幅）分布， 如图所示。
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2．主动式稳频
在外界环境变化的情况下,保持谐振腔的光程腔长稳定不变。
其主要思想是， 选取一个稳定的
参考标准频率．当外界条件变化， 使其频率偏离标准频率时，设法 进行鉴别 同时产生出一个反映这个偏差的 误差信号，该误差信号可指明偏 离标准频率值的大小，且能指明 是偏大\偏小，并将误差信号转变 成执行信号 反馈给激光器的伺服机构，通 过控制系统自动调节腔长，使 激光工作频率稳定地在标准频 率上运转。
相敏检波器(PSD)采用环形相敏桥， 当输入信号与参考信号同相输入时, 输出一个负的直流电压； 当它们反相输入时，输出一个正的直流电压； 当输入信号为零、只有参考信号输入时，无输出电压。
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音频振荡器除了向 相敏检波器提供一个参 考信号外。还向压电陶 瓷环提供一个0～1V的 可调正弦电压，以对腔 长进行调制。
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（2）短腔法选纵模
由谐振腔理论已知，纵模间隔为
vq
c 2L
显然，减小腔长，可以增大纵模间隔
vq
，当
vq
大到等于增益线宽时，在增益线宽内只含有 一个纵模，即可实现单纵模振荡。
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（3）法布里一珀罗标准具法选纵模
在谐振腔内放置一个法布里一珀罗标准具。 F-P标准具相当于一个滤光片，它对于不同波长的透 过率分布如右图所示。图中的R为F-P标准具表面对 入射光的反射率
度为△P的周期性变化。
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当△v一定时，△P的大小及输 出功率变化的相位，仅与输出 功率调谐曲线相应工作点的位 置和斜率有关。
例如，相应外界因素的影响， 激光器的振荡中心频率分别 处在vA、vO、vB处，由于相应 vA处的功率调谐曲线的斜率是 负值，所得到的输出功率的 变化与调制信号同频、反相；
压电陶瓷环的长度为几厘米。环的内外表面有两 个电极，由于电致伸缩效应，在外表面外加正电 压时，环伸长(腔长缩短)，而加负电压时。
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兰姆凹陷稳频的基本过程如
下：当压电陶瓷环上加有音 频(例如lkHz)调制电压时，其
长度产生周期性的伸缩，激
光器的腔长将以同样的频率 周期性地变长和缩短。 激光的振荡频率将会产生幅度 为△v的周期性变化，激光器 的输出功率也将相应地产生幅
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v q 是相邻透射峰的频率间隔，
由下式确定： vq
vq
c 2 n d cos
式中c是真空中的光速，n′是F-P标准具介质折射率，d是标准具 厚度，θ是光进入F-P标准具内的折射角。光垂直入射时，
vq
c 2 n d
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当将F-P标准具插人谐振腔时，激光器的 振荡频率既要满足谐振腔的共振条件， 又要满足F-P标准具有最大透过率要求。 一旦F-P标准具的厚度d小到使等于增益 曲线的宽度，就可以实现单纵模运转。 其选纵模原理，如图所示。 由于F-P标准具选纵模的谐振腔长度没有 缩短．所以输出功率仍可较大。
二、纵模选择
1.选纵模的意义和基本思想
纵模是指沿谐振腔的纵向（轴向）场分布， 它主要决定了激光器光振荡的频率。
为了获得单色性好的激光输出， 激光器应当单频振荡，工作于单 纵模状态。纵模选样技术就是保 证激光器单频工作的基本技术。
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在激光器的增益曲线阈值以 上范围内包含有多个纵模， 则激光器将会多模运转。
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兰姆凹陷稳频技术
由激光原理，由于增益饱和效应，其 输出功率变化形式如图所示。
形状呈钟形，在中心频率v0 处有一 个凹陷--兰姆凹陷。
由于凹陷的宽度(约是谱线宽度的百
分之一)远比谱线宽度窄，在v0 附近
频率v的微小改变，都将引起输出功 率的显著变化。
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将谱线中心频率v0选作标准频率，通 过对输出光强的监测，实时地确定工 作频率相对v0的偏离，利用灵敏的腔 长自动补偿伺服系统，即可使激光频 率稳定在v0上运转，这就是兰姆凹陷 稳频基本思想
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稳频
选模技术获得了单频振荡，由于内部和外部 条件的变化，谐振频率仍然会在整个增益线 型内移动，使输出频率变化，频率漂移。
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1．引起腔长变化的主要因素是：
•
•
反射镜的支架材料的热膨胀，使腔长变化；
机械振动会引起谐振腔支架的振动，导致腔长变化。 例如，一个腔长L＝150mm的He—Ne激光器，振动引起
一类针对激光束的发 散角，改善其方向性 的横模选择技术，
另一类限制激光频谱 数目的纵模选择技术。
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1、横模选择
1）．选横模的意义和物理基础
基横模工作也是单频激光器所必须的要求，因为只有在单横 模的基础上选单纵模。才能获得激光的单频振荡。
由激光原理已知，激光器振 荡的条件是激光器的增益G 必须大于其损耗α。即G>α。 考虑到激光器的实际损耗， 该条件也可表示为
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当输出功率通过光电接收器被变换成电 误差信号后，
相应v0 工作频率状态的电信号不能通过 选频放大器(其放大频率选定为lkHz)，
而相应vA 和vB 工作频率状态的电信号， 可以通过选频放大器，并加到PSD上。
相应vA，v0、vB三种状态的PSD输出电 压分别为正、零、负的直流误差电压， 它们经直流放大后，加到压电陶瓷环上， 使环变长、不变和变短，从而使激光器 谐振腔腔长相应地缩短、不变和变长。
光栅建立起来以后，脉冲后沿通过染料 时，会因受到后向散射而被压缩。
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选模
激光束质量高
良好的方向性 极好的单色性
模式角度来说 高质量的激光束 单横模 单纵模