激光的原理与应用

（1）单色性好

我们知道，普通的白光有七种颜色，频率范围很宽。频率范围宽的光波在光纤中传输会引起很大的噪声，使通信距离很短，通信容量很小。而激光是一种单色光，频率范围极窄，发散角很小，只有几毫弧，激光束几乎就是一条直线。氦氖激光的谱线宽度，只有10-8nm，颜色非常纯。这种光波在光纤中传输产生的噪声很小，这就可以增加中继距离，扩大通信容量。现在已研究出单频激光器，这种激光器只有一个振荡频率。用这种激光器可以把十几万路的电话信息直接传送到100km以外。这种通信系统就可满足将来信息高速公路的需要了。 （2）相干性高

一个几十瓦的电灯泡，只能用作普通照明。如果把它的能量集中到1m直径的小球内，就可以得到很高的光功率密度，用这个能量能把钢板打穿。然而，普通光源的光是向四面八方发射的，光能无法高度集中。普通光源上不同点发出的光在不同方向上、不同时间里都是杂乱无章的，经过透镜后也不可能会聚在一点上。

激光与普通光相比则大不相同。因为它的频率很单纯，从激光器发出的光就可以步调一致地向同一方向传播，可以用透镜把它们会聚到一点上，把能量高度集中起来，送入光纤，这就叫相干性高。一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达1015w/cm2·sr，比太阳表面的亮度还高若干倍。 光纤通信用的半导体激光器的体积很小。和普通的晶体三极管差不多。它发出的光功率一般都不太大，通常只有几毫瓦。如果把它的能量高度集中，就很容易耦合进光纤。这对增加光纤通信的中继距离，提高通信质量是很有意义的。 （3）方向性强

激光的方向性比现在所有的其他光源都好得多，它几乎是一束平行线。如果把激光发射到月球上去，历经38.4万公里的路程后，也只有一个直径为2km左右的光斑。如果用的是探照灯，则绝大部分光早就在中途“开小差”了。

普通光源总是向四面八方发散的，这作为照明来说是必要的。但要把这种光集中到一点，则绝大多数能量都会被浪费掉，效率很低。半导体激光器发出的光绝大部分都很集中，很容易射入光纤端面。

? 方向性好：光束几乎在一条直线上传播,发散角几毫弧度 ? 单色性好: He-Ne激光的谱线宽度约2X10-9 nm

? 相干性好：He-Ne的相干长度200Km，而普通光源中最好的氪灯为0.78m ? 高亮度：普通激光的亮度比太阳高100亿倍 ? 可调谐：通过改变腔长可改变波长

? 可调制：振幅、偏振方向及频率等参数可以调制 （光通信采用） ? 能量可压缩：激光脉冲的持续时间 可以短到皮秒、飞秒、阿秒

激光技术内容

本单元讨论激光工程中的一些常用的单元技术。这些技术可以改变激光辐射的特性，以适应各种实际应用的需要。其中有的是直接对激光器谐振腔的输出特性发生作用，如选模技术、调 Q技术和锁模技术等。有的可独立应用于谐振腔外，如调制技术、偏转技术、非线性光学技术和激光放大技术等。 激光选模技术

一、横模选择原理 由激光原理可知，一台激光器的谐振腔中可能有若干个稳定的振荡模，只要某一模的单程增益大于其单程损耗，即满足激光振荡条件，该模式就有可能被激发而起振。设谐振腔两端反射镜的反射率分别为rl、r2，单程损耗为δ，单程增益系数为G，激光工作物质长度为L，则初始光强为I0的某个横模(TEMmn)的光在谐振腔内经过一次往返后，由于增益和损耗两种因素的影响，其光强变为 为

（1）阈值条件

（3）

（2）由此得出

现在考察两个最低阶次的横模TEM00和TEM10模的情况，它们的单程损耗分别用δ00和δ10表示，并认为激活介质对各横模的增益系数相同，当同时满足下列

两个不等式： （4）时，激光器即可实现单横

模(TEM00)运转。 那么，如何才能满足上述条件呢?谐振腔存在两种不同性质的损耗，一种是与横模阶数无关的损耗，如腔镜的透射损耗，腔内元件的吸收、散射损耗等；另一种则是与横模阶数密切相关的衍射损耗，在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，随着横模阶数的增高，其衍射损耗也逐渐增大。为了求出一般情况下的横模的δmn值，可利用计算机进行数值求解。图1所示的即为用数值求解方法得到的对称圆镜稳定球面腔的两个最低阶横模的单程损耗曲线。由图可见，在菲涅耳数N值相同的情况下，对称稳定腔的衍射损耗随│g│的减小而降低。谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗的性能是实现横模选择的物理基础，而适当选择菲涅耳数N值，使之满足（4）式，则可以实现单横模选择的目的。考虑到模式间的竞争，选单横模的条件还可以放宽些，即是激光器开始有多个横模满足阈值条件。如果各模式的增益相同，因基模的衍射损耗最小，因而在模式竞争中将占优势。一旦基模首先建立起振荡，就会从激活介质中提取能量，而且由于增益饱和效应，工作物质的增益将随之降低，当满足条件

（5）时，振荡趋于稳定。此时其他横模将因为不

再满足阈值条件被抑制掉，故激光器仍可以单横模运转。 为了有效地选择横模，还必须考虑两个问题，其一，横模选择除了考虑各横模衍射损耗的绝对值大小之外，还应考虑横模的鉴别能力，即基模与较高横模的衍射损耗的差别必须足

够大(即δ10／δ00比值大)，才能有效地把两个模区分开来，以易于实现选模，否则，选模就比较困难。横模衍射损耗的差别不仅与不同类型的谐振腔结构有关，而且还与腔的菲涅耳数N有关。图2示出了各种g因子对称腔的δ10／δ00值与菲涅耳数N的关系。图3示出了平-凹腔的δ10／δ00值与N的关系。图中虚线表示TEM00模各种损耗值的等损耗线。不同的N和g，损耗值相等的谐振腔都相应于同一条虚线。从上面图中可以看出：横模的鉴别力随N的增加而变大，但衍射损耗随N的增加而减小，所以N值必须选择适当，才能有效地进行选横模。另外，虽然共焦腔的δ10／δ00大，而平行平面腔小，然而，当N值不太小时，共焦腔的各横模的衍射损耗一般都很低，与腔内其他非选择性损耗相比也较小，因而就不宜实现选模，而且共焦腔基模体积很小，所以单模输出功率较低。与此相反，尽管平面腔的δ10／δ00值较低，但由于各模的衍射损耗的绝对值较大，只要选择较大的N值，就可以选出基模。而且它的基模体积较大，一旦形成单模振荡，输出功率就比较高。总之，要有效地进行选模，就必须考虑选择合适的腔型结构和合适的菲涅耳数N值(在下面选模方法中再分析)。其二，衍射损耗在模的总损耗中必须占有重要地位，达到能与其他非选择性损耗相比拟的程度。为此，必须尽量减小腔内各元件的吸收、散射等损耗，从而相对增大衍射损耗在总损耗中的比例。另外，通过减小腔的菲涅耳数N也可以达到这一目的。