纪光现墨纪书

[L]:激光模限制技术

激光单元技术之一。根据光场的空间分布和传输特性，将激光中的振荡模式划分为不同的横向模式。根据频谱分为不同的纵向模式。当工作物质和激励条件给定时，激光振荡的实际横向模量和纵向模量主要由谐振腔的特性决定。谐振器(参见激光谐振器技术)的横向模量极限主要由基阶横向模和高阶横向模的损耗率之差决定。对于不稳定腔，这一差异较大，因此限模能力较强，输出光束发散角相对较小。对于稳定腔，上述差异较小，因此横模限制能力较小，输出光束发散角较大。亚稳腔的模限能力与不稳定腔相似。谐振腔的纵模频谱结构是由多束在多次往返过程中的干涉条件决定的。对于具有相同传输方向的光场，可以对应一系列离散的谐振频率。相邻两个共振频率之差为v=c/2L，其中c为光速，L为谐振腔长度。不同谐振频率对应的模式称为不同的纵模，用不同的纵模指数q表示。由于放置在谐振腔中的激光工作物质的激光增益带宽是有限的，因此只有在该增益带宽内的纵模频率才会实际振动，这意味着在给定工作物质、激发能级、和谐振器(见附图)。

上述谐振器限制了横向模式和纵向模式。在一定条件下，人们希望在不显著降低输出激光功率(或能量)水平的前提下，进一步人为压缩振荡的横向模态和纵向模态。因此，必须采用一系列特殊的附加技术，分别称为横模限制技术和纵模限制技术。

如上所述，激光振荡的横向模量主要取决于谐振腔类型的选择和特定几何参数的设计。不同腔型的选择(如不稳定腔和稳定腔)可导致振荡的横向模量和输出光束的发散角发生很大程度的变化(例如，从百分之几毫弧度到十几个毫弧度)。从这个意义上说，横模限制技术首先表现为谐振器类型的选择和特定参数的设计。当然，在确定谐振腔类型和具体参数的前提下，还可以进一步采取一些辅助措施，如孔径振膜法或场振膜法，进一步降低振荡的横向模量，压缩输出光束的发散角。然而，采取这种额外的模式限制措施往往伴随着不同程度的光输出功率的降低。此外，激光工作材料本身的静态光学质量不好，或者在工作过程中由于激发不均匀和激光振荡光场分布，都会进一步导致工作材料光学质量的恶化。以上两种情况也会使激光输出的发散角难以进一步压缩。

振荡纵向模式的数目由腔体的长度、增益线的宽度和激发能级决定。由增益线宽和激发能级决定的激光振荡的近似频率范围为v，腔允许的相邻两个纵模之间的频率间隔为v，则实际起始纵模数为v/v。可以看出，纵向振荡模量的减小可以通过两种方式实现：一是压缩激光允许启动频率范围v，即压缩有效增益带宽v;另一种方法是试图增加两个相邻的纵向振荡模式之间的频率间隔v。为了压缩有效增益带宽v，可以分别采用色散元的频谱选择反馈方法或频谱选择带通滤波器方法。前一种方法的原理是利用腔内的色散元件(光栅、棱镜等)，对腔内光束特别选定的相对较小的频率范围提供有效的光反馈能力，从而达到限制振荡频率范围的目的。后一种方法是在腔中放置一个或多个带通滤波器，例如法布里-佩罗标准，这样只有在狭窄频率范围内的光才能有效地通过腔多次振荡。为了增加相邻纵模之间的频率间隔v，可以缩短腔长L，但受激光工作材料长度等因素的限制。因此，实际上可以采用另一种方法，即组合腔(耦合腔)纵向模态限制的方法。因此，激光器的谐振腔可以设计成由几个相互耦合的谐振腔回路组成。在这种情况下，振荡光束在腔内形成振荡所必须满足的多波束干涉增强条件，不仅需要满足单个振荡电路，而且需要满足多个振荡电路的组合。这意味着谐振频率条件更加苛刻，导致实际振荡纵向模态之间的有效频率间隔v增加，振荡纵向模量相应减少。

理论和实验结果表明，在适当的设计考虑和激光工作条件下，可以实现单横模、单纵模的工作以及单横模和单纵模的同时工作。