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激光光束模式基本知识

时间: 2019-05-12 作者:激光超市 来源:激光超市 阅读: 869 次

横摸描述的是激光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。 纵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。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的光产生最大增益,其他频率的光被抑制掉,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。

横和纵的区别个人认为是从腔的结构来分的,横模(表现在光斑形状)的分布是和腔的横向(xy面)结构相关的;而纵模间隔是和腔的纵向尺寸相关的。横模是从电磁场的角度来分析激光的电场分布状况的。纵模是从频率的角度来分析激光频谱的分布状况的。

激光工程领域常用M2因子来描述光束特性:M2=束腰直径*远场发散角/ (1.27 *波长)这个公式可用于计算聚焦光斑大小。光束聚焦后的发散角可由系统的等效数值孔径来计算。M2是模式的表征,基模的M2为1.0,横模越是高阶M2就越大,从公式可以看出,聚焦光斑也越大。所以,简单说来,想要得到最小的光斑就得选基模激光输出,同时在相同甭浦条件下,基模输出的功率最小。所以人们只好在模式与功率之间权衡。当然,并不是说高阶模就一定不好,有时需要聚焦光斑大一些或者光强分布均匀一些,就得选高阶模输出。刚学激光的朋友,不要强迫自己搞明白为什么,只要懂得所有概念的含义以及应用方法就行了。搞激光工程的没有必要去理解激光的量子力学解释。

横模的选择

如果要提高输出激光的相干性,就需要限制纵模频率和横模的模式。在光学谐振腔内某些频率的光形成稳定的驻波,因为这些稳定驻波的频率与腔的纵向长度有关,故这样的每一个振动模式称为一个“纵模”(longitudinal mode),可以通过阈值条件或调节谐振腔的腔长来选择纵模频率。

输出激光的光强沿腔的横向也有不同振动模式的各种可能的稳定分布,这样的某一横向的光强分布模式称为一个“横模”(transverse mode)。激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。激光谐振腔两端有反射镜,腔内激光物质也有一定大小的横截面,光在腔内传播相当于不断经过光阑,因此会引起衍射,使振幅和相位的空间分布发生畸变。最后当振幅和相位的空间分布达到稳定状态时,才从输出镜输出激光。取激光器轴向为直角坐标系的z轴,以谐振腔中心点为原点,在与z轴垂直的平面上取互相垂直的x轴和y轴。用符号TEMmn表示各种横向模式。m、n均为正整数,分别表示在x轴和y轴方向上光强为零的那些点的序数,称为模式序数。输出激光束横截面上横模的光斑图表示在下图中。基模又称TEM00模,其光斑中任何一点光强都不为零。若光斑在x方向上有一点光强为零,称为TEM10模;在y方向上有一点光强为零,称为TEM01模。以此类推,模式序数m和n越大,光斑中光强为零的点的数目越多。除基模为低次模式外,其它的模式都称为高次模式。

激光横模

仅有基横模的激光束称为单横模激光,其平行性好,发散角小。有不同横向模式的激光束称为多横模。从空间相干性来说,各次横模的空间相干性都很好,但高次横模多数伴随多横模运转,因而空间相干性比基横模差些。

除有特殊需要外,一般都选择基横模输出,因为基横模有以下特点:亮度高 、发散角小 、在激光光束的横截面上径向光强分布较均匀、横截面上各点的位相相同,空间相干性最好。

调节谐振腔可抑制高阶横模,在谐振腔中插入半径略大于基横模半径的光阑,就可得到基横模的输出。

高斯光束

He-Ne激光器发射的基横模(TEM00)激光是高斯光束,即在光束的横截面上光强按高斯函数分布。

设一束沿z轴方向传播的高斯光束,其电矢量为:

点击《激光谐振腔和光束质量Laser Resonator & Beam Quality》下载更多参考资料。

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