雷射單元技術之一。雷射器內的振盪模式，按光場空間分布或傳輸特性之不同，而區分為不同的橫模；按頻譜之不同而區分為不同的縱模。在工作物質和激勵條件為給定的條件下，雷射振盪的實際橫模數與縱模數主要由共振腔特性所決定。
基本介紹
- 中文名：雷射限模技術
- 模式：振盪
- 空間分布：傳輸特性之不同
- 分類：不同的橫模
介紹
共振腔（見雷射共振腔技術）對橫模數目的限制，主要由基橫模與高階橫模的損耗率差異所決定；對非穩腔而言,這個差異較大,故限模能力強,輸出光束髮散角比較小；對穩定腔而言,上述差異較小,故限橫模能力較小,輸出光束髮散角較大；介穩腔的限模能力，則可做到與非穩腔相近。共振腔的縱模頻譜結構，是由腔內光束多次往返過程中的多光束干涉條件所決定的。對具有相同傳輸方向的光場而言，可對應一系列分立的共振頻率，相鄰兩共振頻率之差為δv=c/2L，這裡c為光速，L為共振腔長；與不同共振頻率對應的模稱為不同的縱模,以不同的縱模指數q來表征。由於置於共振腔內的雷射工作物質的雷射增益頻寬是有限的，因此只有處於這一增益頻寬內的那些縱模頻率才有可能真正起振，這意味著在工作物質、激勵水平和共振腔為給定的情況下，能實際形成振盪的縱模數也是有限的（見附圖）。 上面所提到的共振腔對橫模和縱模的限制能力是有一定限度的，在某些條件下，人們希望能在儘可能保證輸出雷射功率（或能量）水平不明顯降低的前提下，能進一步人為地壓縮振盪橫模與縱模數；為此就必須採取一系列專門的附加技術，分別稱為限橫模技術和限縱模技術。
限橫模技術 如前所述，雷射器的振盪橫模數，主要是由共振腔型的選擇和具體幾何參量的設計所決定的。選擇不同的腔型（如非穩腔與穩定腔），可導致振盪橫模數和輸出光束髮散角較大程度的變化（例如從零點幾毫弧度到十幾毫弧度）。從這種意義上來說，限橫模技術，首先表現為共振腔型的選擇和具體參量的設計考慮。當然,在共振腔型和具體參量已確定的前提下,還可進一步採取一些輔助性的措施，例如採用孔徑光闌或者視場光闌的方法，亦能達到進一步減少振盪橫模數和壓縮輸出光束髮散角的目的。但採取這種附加的限模措施，往往同時伴隨著輸出光功率的不同程度的降低；除此之外，雷射工作物質本身的靜態光學質量不佳，或在運轉過程中由於激勵不均勻和雷射振盪光場分布不均勻等因素，會進一步導致工作物質的光學質量變壞。以上兩種情況，也會使對雷射器輸出發散角的進一步壓縮變得困難。
限縱模技術 雷射器的振盪縱模數目，由腔長、工作物質增益線寬和激勵水平等因素所決定。設由增益線寬和激勵水平所決定的雷射振盪的大致頻率範圍為 Δv，腔所允許的相鄰兩振盪縱模的頻率間隔為δv，則實際起振的縱模數目為Δv/δv。由此可見，減少振盪縱模數可通過兩條途徑來實現：一種途徑是設法壓縮允許的雷射起振頻率範圍Δv，亦即設法壓縮雷射器的有效增益頻寬Δv；另一種途徑則是設法增大相鄰兩振盪縱模之間的頻率間隔δv。為壓縮有效增益頻寬Δv，可分別採取色散元件光譜選擇反饋方法或者腔內光譜選擇帶通濾波器方法。前一種方法的原理是利用腔內色散元件(光柵、稜鏡等)對特殊選定的比較小的頻率範圍內的腔內光束提供有效的光學反饋能力，從而達到限制振盪頻率範圍的目的。後一種方法是在腔內置放一塊或多塊法布里－珀羅標準具之類的帶通濾光元件，使得只有較窄頻率範圍內的光才能在腔內多次往返形成有效振盪。為增大相鄰縱模之間的頻率間隔δv，誠然可採取縮短腔長L的方法,但卻受到雷射工作物質長度等因素的限制。因此，實際上可採用另外一種方法，即組合腔（耦合腔）限縱模的方法。為此，可設計雷射器的共振腔由多個共振腔迴路相互耦合組合而成；此情況下，振盪光束在腔內為形成振盪而必須滿足的多光束干涉增強條件，這不僅要求滿足某一個單獨的振盪迴路而且要求滿足由它們組合而成的振盪迴路；這意味著共振頻率條件更加苛刻，從而導致實際振盪縱模之間的有效頻率間隔δv增大和相應的振盪縱模數減少。
理論與實驗均表明，在適當的設計考慮和雷射器工作條件下，單橫模運轉、單縱模運轉以及單橫模、單縱模的同時運轉，均是可以作到的。
限橫模技術 如前所述，雷射器的振盪橫模數，主要是由共振腔型的選擇和具體幾何參量的設計所決定的。選擇不同的腔型（如非穩腔與穩定腔），可導致振盪橫模數和輸出光束髮散角較大程度的變化（例如從零點幾毫弧度到十幾毫弧度）。從這種意義上來說，限橫模技術，首先表現為共振腔型的選擇和具體參量的設計考慮。當然,在共振腔型和具體參量已確定的前提下,還可進一步採取一些輔助性的措施，例如採用孔徑光闌或者視場光闌的方法，亦能達到進一步減少振盪橫模數和壓縮輸出光束髮散角的目的。但採取這種附加的限模措施，往往同時伴隨著輸出光功率的不同程度的降低；除此之外，雷射工作物質本身的靜態光學質量不佳，或在運轉過程中由於激勵不均勻和雷射振盪光場分布不均勻等因素，會進一步導致工作物質的光學質量變壞。以上兩種情況，也會使對雷射器輸出發散角的進一步壓縮變得困難。
限縱模技術 雷射器的振盪縱模數目，由腔長、工作物質增益線寬和激勵水平等因素所決定。設由增益線寬和激勵水平所決定的雷射振盪的大致頻率範圍為 Δv，腔所允許的相鄰兩振盪縱模的頻率間隔為δv，則實際起振的縱模數目為Δv/δv。由此可見，減少振盪縱模數可通過兩條途徑來實現：一種途徑是設法壓縮允許的雷射起振頻率範圍Δv，亦即設法壓縮雷射器的有效增益頻寬Δv；另一種途徑則是設法增大相鄰兩振盪縱模之間的頻率間隔δv。為壓縮有效增益頻寬Δv，可分別採取色散元件光譜選擇反饋方法或者腔內光譜選擇帶通濾波器方法。前一種方法的原理是利用腔內色散元件(光柵、稜鏡等)對特殊選定的比較小的頻率範圍內的腔內光束提供有效的光學反饋能力，從而達到限制振盪頻率範圍的目的。後一種方法是在腔內置放一塊或多塊法布里－珀羅標準具之類的帶通濾光元件，使得只有較窄頻率範圍內的光才能在腔內多次往返形成有效振盪。為增大相鄰縱模之間的頻率間隔δv，誠然可採取縮短腔長L的方法,但卻受到雷射工作物質長度等因素的限制。因此，實際上可採用另外一種方法，即組合腔（耦合腔）限縱模的方法。為此，可設計雷射器的共振腔由多個共振腔迴路相互耦合組合而成；此情況下，振盪光束在腔內為形成振盪而必須滿足的多光束干涉增強條件，這不僅要求滿足某一個單獨的振盪迴路而且要求滿足由它們組合而成的振盪迴路；這意味著共振頻率條件更加苛刻，從而導致實際振盪縱模之間的有效頻率間隔δv增大和相應的振盪縱模數減少。
理論與實驗均表明，在適當的設計考慮和雷射器工作條件下，單橫模運轉、單縱模運轉以及單橫模、單縱模的同時運轉，均是可以作到的。
