激光原理与技术 第六章、激光器的模式选择和
激光原理考点总结
激光原理考点总结激光（Laser）是指一种由集中的电磁辐射所产生的具有高度单色性、相干性和方向性的光。
激光原理是激光器工作的基础，其中涉及到激光的产生和放大过程。
下面将从以下几个方面总结激光原理的考点。
1.电磁辐射：激光器利用电磁辐射的原理产生激光。
电磁辐射是由电场和磁场相互作用产生的波动现象，包括广义上的光波，其中可见光是电磁辐射的一种。
了解光波的特性和传播方式对理解激光原理很重要。
2.反射和吸收：激光器中的反射是激光产生和放大的关键过程。
反射镜的设置可以实现光的反复来回传播，使得光能够在增益介质中多次通过，增强光的能量。
另一方面，激光器中的吸收是影响激光输出功率和效率的因素之一、吸收是指光被介质吸收和转化为热能的过程。
3.激射和跃迁：激射是指从低能级向高能级跃迁的过程。
在激光器中，通过能量输入或外部激发，使得电子从基态跃迁到激发态。
而跃迁是指电子从一个能级到另一个能级的过程。
了解能级和电子跃迁的类型对激光器的设计和调谐至关重要。
4.反转粒子数和增益：激光器中的反转粒子数是指在激光器工作过程中，高能级粒子数目大于低能级粒子数目的情况。
这种不平衡的粒子数分布是产生和放大激光的关键。
通过提供能量，例如光或电能，可以增加反转粒子数，增强激光的输出功率。
5.波长选择和模式锁定：激光器的波长选择是指产生特定波长的激光。
波长选择可以通过选择合适的增益介质和谐振腔的设计来实现。
激光器中的模式锁定是指使光场处于稳定、精确的频率和相位关系的状态。
这对于精密测量、光谱分析和通信应用非常重要。
6.激光器结构和组成：激光器的结构和组成也是激光原理的考点。
激光器通常包括三个主要部分：激活介质（液体、固体或气体）、谐振腔（用于反射和放大光）和泵浦源（提供能量，如光波或电流）。
不同类型的激光器具有不同的结构，如气体激光器、固体激光器和半导体激光器。
综上所述，激光原理的考点包括电磁辐射、反射和吸收、激射和跃迁、反转粒子数和增益、波长选择和模式锁定以及激光器的结构和组成。
激光原理与技术
第二部分 激光技术部分
第五章 激光调制技术 第六章 激光模式选择技术 第七章 激光稳频技术 第八章 调Q技术与锁模技术
第三部分 激光应用部分
第九章 激光在精密测量中的应用 第十章 激光加工技术 第十一章 激光在信息技术中的应用 第十二章 激光在医学中的应用 第十三章 激光在科技前沿中的应用
教材
《激光原理与技术》 高等教育出版社 阎吉祥 2019.7 ￥25.7参考书ຫໍສະໝຸດ 《激光原理》 国防工业出版社
周炳琨等
2019.6
￥28.00
《激光原理及应用》
《激光技术》
电子工业出版社
科学出版社
陈家璧
蓝信钜
2019.8
2019.10
￥22.00
￥29.00
第一部分 激光原理部分
绪论 第一章 激光的基本原理及特性 第二章 光学谐振腔理论 第三章 典型激光器介绍 第四章 半导体激光器
激光原理与技术
答疑
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激光原理与技术 第六章、激光器的模式选择和
球面镜谐振腔的两个重要参数
g参数 g =（1-L/R） 其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。
菲涅尔数 N=a2/L 其中a为腔内有效孔径的半径，L为腔长。
衍射损耗是谐振腔参数g和菲涅尔数N的函数
光阑法选横模
• 在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减 小腔镜尺寸，即减小了谐振腔的菲涅耳 数N。菲涅耳数越小，衍射损耗就越大。 适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
色散腔粗选波长
• 当激光工作物质中有多个能级间可以发 生激光跃迁，从而可以产生多波长激光 辐射的情况下
• 或者工作物质有相当宽的增益线宽 • 如在应用中，需要选出对应某一波长
附近的一组纵模时 • 利用色散腔选择纵模是最为实用且有效
的方法
棱镜色散腔 光栅色散腔
短腔法选纵模
• 谐振腔模间隔=C/2nL • 如果设计腔长L使模间隔
增益曲线宽度
g 则可以实现单纵模工作 例如：He-Ne 10cm
CO2 3m VCSEL
损耗
F-P标准具选模
复合腔法选纵模
1. 迈克尔逊式 复合腔
=C/2n(l1-l2)
l2 l1
1. Fox-Smith式 复合腔
=C/2n(l1+l2)
l2 l1
行波腔选纵模法
• 在均匀加宽工 作物质中，以 行波方式产生 激光振荡，消 除空间烧孔效 应就可以实现 单纵模输出
y’
V 检偏器
纵向电光调制原理
在x＇方向折射率比原来减小了1/2n03γ63Ez，而y＇方向的折 射率则增加了1/2n03γ63Ez，如图20－18（b）所示。当沿z轴 方向入射的线偏振光进入晶体后，即沿x＇、y＇方向分解 为两个互相垂直的偏振分量。由于它们的折射率不同，则 沿x＇方向振动的光传播速度快，称为“快光”；而沿y＇ 方向振动的光传播速度慢，称为“慢光”。则两束光经晶 体（长度为L）后，将产生位相差Δψ，则有：
激光原理与技术完整ppt课件
够存在于腔内的驻波(以某一波矢k为标志)称为电磁被的模式或光波模。一种模式是电
磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k区分。同时，考虑到电磁波的两种独立的偏振，
同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模。
精选ppt
9
下面求解空腔v内的模式数目。设空腔为V=ΔxΔyΔz的立方体，则沿三个
坐标轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为
第八章 激光器特性的控制和改善
8.1 模式选择 8.2 频率稳定 8.3 Q调制 8.4 注入锁定 8.5 锁模
精选ppt
5
第九章 激光器件
9.1 固体激光器 9.2 气体激光器 9.3 半导体激光器 9.4 染料激光器
精选ppt
6
第一章 激光的基本原理
本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐
（1.1.4）
式中E0为光波电场的振幅矢量，ν为单色平面波的频率，r为空间位置坐标矢量，k为波
矢。而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。
在自由空间，具有任意波矢k的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的
空间V(例如谐振腔)内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。这种能
第六章 激光器的放大特性
6.1 激光放大器的分类 6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性 6.3 纵向光均匀激励连续激光放大器
的增益特性 6.4 脉冲激光放大器的增益特性 6.5 放大的自发辐射（ASE） 6.6 光放大的噪声
精选ppt
4
第七章 激光振荡的半经典理论
7.1 激光振荡的自洽方程组 7.2 原子系统的电偶级距 7.3 密度距阵
二、光波模式和光子状态相格 从上面的叙述已经可以看出，按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态是等
第六章激光调制技术
1.5 1.0 0.5
0.2
0.4
0.6
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1.2
为什么要用光波作为信息载体？
信息
调制信号
信息
转播速度快
调制
信息容量大
激光
传输
接受
可以用光学系统进行变换,光盘存储
可以在透明介质中传输（光纤、水……）载波
大气、光纤
可以不用介质传输（真空、太空……）
可独立传播，互不干扰。
加载了信号的光波以群速度传播。
§6.1调制的基本概念
m a 为调制深度，即调幅系 数。 m a 1
调制波形为以信号波为上下 对称包络的波形。
1.5 1.5
1.0
0.5
0.2 0.5
1.0
1.5 1.5
1.0
频域分布
e(t) Ac cos(ct c )
ma 2
Ac cos((c
m )t c )
0.5
0.2 0.5 1.0 1.5
§6.2电光调制
(1)折射率椭球(D,n)
对于任意方向入射的光波波矢K，通 过坐标原点O做以K为法线的平面Σ ， Σ 与椭球面相交，交线为一椭圆 ，该椭圆的两个主轴的方向就是两 个相互正交的D1和D2，两个主半轴的 长度对应的折射率是n1和n2。
新激光第六章激光器模式选择技术PPT课件
实现模式匹配需要对激光器的结构参数进行调整，如改变反射镜的曲率半径、调整激光介 质的折射率分布等。同时，还需要对激光器的工作条件进行优化，如控制泵浦源的功率、 调整冷却水的温度等。
模式稳定性分析
01
模式稳定性定义
模式稳定性是指激光器在长时间运行过程中，输出光束模式的稳定性和
一致性。
02 03
80%
法布里-珀罗标准具
一种具有极高光谱分辨率的光学 滤波器，可用于精确选择特定波 长的纵模。
100%
光纤光栅
利用光纤光栅的波长选择性反射 特性，实现特定波长的纵模选择 。
80%
声光调制器
通过声光效应改变谐振腔内光场 的分布，从而控制特定纵模的增 益或损耗。
03
激光器横模选择技术
横模产生原因及影响
采取隔离措施，如使用隔震平 台、减少外部振动对激光器的 影响，以及降低环境温度波动 等，可以提高激光器的模式稳 定性。
采用自适应控制技术
通过自适应控制技术，如自适 应光学系统或电子控制系统， 可以实时监测并调整激光器的 输出光束模式，以保持其稳定 性和一致性。
05
新型激光器模式选择技术探讨
微纳激光器模式选择技术
纵模影响
多个纵模同时存在会导致激光输 出光谱展宽、功率不稳定、光束 质量下降等问题。
纵模选择方法
被动选择法
利用谐振腔的自然选模特性，通过调 整腔长、反射镜反射率等参数实现纵 模选择。
主动选择法
在谐振腔内引入额外的光学元件或非 线性效应，主动控制特定纵模的增益 或损耗，实现纵模选择。
典型纵模选择器件
量子点模式选择
01
通过控制量子点的尺寸、形状和组成，实现量子点激光器的模
第六讲激光的调Q与锁模
27
1968年开始横模锁定的研究，稍后又开 始了纵横模同时锁定的研究，70年代后又发 展了主动加被动双锁模（损耗调制加相位调 制）、主动加调Q及同步锁模等方法 。 纵模锁定的方法主要有，自锁、主动锁 模（内调制包括损耗调制和相位调制）及被 动锁模（可饱和吸收染料锁模），下面分别 加以讨论。
28
1、纵模锁定
1 t1 2 2 I ( t ) E ( t ) 0 E ( t ) dt t1 q 因为 1 t1 2 1 2 2 0 Eq cos (qt q ) dt Eq t1 q q2 1 t1 0 Eq E cos( t ) cos( t ) dt 0 q q q q q t1 q q 所以 N 1 2 I ( t )＝ Eq q 0 2
15
下面用数学形式来定量地分析激光输出与 相位锁定的关系。若多模激光器的所有振荡 模均有相等的振幅E0。超过阈值的纵模共有 2N+1个，各相邻模的相位差都是n ，并设处 在介质增益曲线中心的模(q=0)，其角频率为 0，其相位为0，即以中心模的相位为参考相 位。
16
振幅特性
对于一个腔长为L的平行平面腔，如果忽 略了腔的非线性色散效应，则两相邻纵模的 频率间隔相等，由（1）式
5
在多模振荡时，如果使振荡模的频率间隔 保持一定，并且使各模之间只有确定的相位 关系，这时激光输出是一系列周期脉冲，这 种激光器叫做“锁模”激光器，相应的技术 叫做“锁模技术”。
6
假设在激光工作物质的净增益线宽内包 含有N个纵模，那么，这时激光器输出的光波 电场是N个纵模电场的和： N （2） E ( t ) E cos( t )
第六讲 激光的锁模 技术
1
6．1 锁模技术
激光原理与技术复习——简答题
激光原理复习题----填空简答论述1.什么是光波模式？答：光波模式:在一个有边界条件限制的空间内，只能存在一系列独立的具有特定波矢的平面单色驻波。
这种能够存在于腔内的驻波（以某一波矢为标志）称为光波模式。
2.如何理解光的相干性？何谓相干时间、相干长度？答：光的相干性:在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某些特性的相关性。
相干时间：光沿传播方向通过相干长度所需的时间，称为相干时间。
相干长度：相干光能产生干涉效应的最大光程差，等于光源发出的光波的波列长度。
3.何谓光子简并度，有几种相同的含义？激光源的光子简并度与它的相干性什么联系？答：光子简并度：处于同一光子态的光子数称为光子简并度。
光子简并度有以下几种相同含义：同态光子数、同一模式内的光子数、处于相干体积内的光子数、处于同一相格内的光子数。
联系：激光源的光子简并度决定着激光的相干性，光子简并度越高，激光源的相干性越好。
4.什么是黑体辐射？写出公式,并说明它的物理意义。
答：黑体辐射：当黑体处于某一温度的热平衡情况下，它所吸收的辐射能量应等于发出的辐射能量，即黑体与辐射场之间应处于能量（热）平衡状态，这种平衡必然导致空腔内存在完全确定的辐射场，这种辐射场称为黑体辐射或平衡辐射。
物理意义：在单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中黑体的电磁辐射能量。
.5.描述能级的光学跃迁的三大过程，并写出它们的特征和跃迁几率。
Page10答：(1)自发辐射：处于高能级的一个原子自发的向跃迁，并发射一个能量为的光子，这种过程称为自发跃迁，由原子自发跃迁发出的光波称为自发辐射。
特征：a) 自发辐射是一种只与原子本身性质有关而与辐射场无关的自发过程,无需外来光。
b) 每个发生辐射的原子都可看作是一个独立的发射单元，原子之间毫无联系而且各个原子开始发光的时间参差不一，所以各列光波频率虽然相同，均为，各列光波之间没有固定的相位关系，各有不同的偏振方向，而且各个原子所发的光将向空间各个方向传播，即大量原子的自发辐射过程是杂乱无章的随机过程，所以自发辐射的光是非相干光。
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色散腔粗选波长
• 当激光工作物质中有多个能级间可以发 生激光跃迁，从而可以产生多波长激光 辐射的情况下
• 或者工作物质有相当宽的增益线宽 • 如果在应用中，需要选出对应某一波长
附近的一组纵模时 • 利用色散腔选择纵模是最为实用且有效
的方法
棱镜色散腔 光栅色散腔
短腔法选纵模
• 谐振腔模间隔=C/2nL • 如果设计腔长L使模间隔
TEM11模
TEM01模
TEM02模
TEM21模
TEM00模 TEM10模
TEM01模 TEM11模
纵模选择极其意义
• 在激光器纵模频率 间隔小于增益曲线 宽度的情况下，如 果不加任何控制激 光器一般将产生多 纵模输出
• 激光的很多应用中 需要单色性很好的 窄线宽光源，纵模 选择在这时就是必 不可少的技术
相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例
球面镜谐振腔的两个重要参数
g参数 g =（1-L/R） 其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。
菲涅尔数 N=a2/L 其中a为腔内有效孔径的半径，L为腔长。
衍射损耗是谐振腔参数g和菲涅尔数N的函数
光阑法选横模
• 在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减 小腔镜尺寸，即减小了谐振腔的菲涅耳 数N。菲涅耳数越小，衍射损耗就越大。 适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
介稳腔和非稳腔选模
• 介稳腔和非稳腔由于 模式衍射损耗增加， 高阶模起振比较困难， 所以只要适当控制腔 参数就可以实现基模 输出。
• 非稳腔还有模体积大， 可以充分利用增益介 质实现大功率输出的 优点。
g2
非稳区
非稳区
-1
非稳区
1
01 -1
g1
非稳区
特殊腔镜选模
1、高斯镜选模
腔镜反射率呈高斯分 布，使腔镜选择性对 基模提供反馈，而对 高阶模损耗很大，由 此实现基模振荡。
增益
实际振荡 的纵模
损耗
2、横模选择技术
激光振荡的建立条件是增益G大于损耗 G = i + m+ d
其中i为激光在腔内传输由于散射、吸收产生的损耗， m为反射镜产生的损耗； d为谐振腔中由衍射产生的 损耗。
选择横模的两个原则 1. 必须尽量增大高阶模与基模的衍射损耗比 2. 必须尽量减少腔内其他损耗i和镜面损耗m ，从而
第六章、激光器的模式选择和调制技 术
1. 激光模式选择极其意义 2. 横模选择技术 3. 纵模选择技术 4. 激光模式测量技术 5. 激光调制的基本概念 6. 激光调制技术
1、激光模式选择极其意义
激光的优点在于功率高、方向性好、单 色性和相干性好，一个理想的激光器输 出光应按需要控制输出模式，大多情况 下我们希望只输出单横摸和单纵模输出。
• 小孔光阑方法最简单易行，且有效。但 同时须考虑模体积问题。
设计腔参数g、N选择横模
• 在增益较小的激光器件中，可以通过适 当的腔参数设计选择基横模
• N一定时g参数绝对值越小，各模式的d 也越小，比值10 /00增大。
• 因此，考虑各模式的d ，以及10 /00， 同时考虑模体积，适当选择g和N就可以 选出基模。如He-Ne激光器。
• 外调制是指加载信号在激光输出后进行，通常是 在激光谐振腔外，光路上放置调制器。
• 激光调制有调幅、调频、调相和脉冲调制等方式
6、激光调制技术
设腔内为自由空间腔长为l，傅立叶传输方程为
H=exp[ j（2/ ）l 1- 2- 2 ]
全反镜一端复振幅可写为
B(x’,y’)=A(u,v)exp[j2(xu+yu)] exp[ j（2/ ）l 1- 2- 2 ]dudv
如果我们制作一个反射镜，反射系数R可以表示为
R2（x’,y’)=b*(x’,y’)/b(x’,y’)
4、激光模式测量技术
横模测量技术
激光器
小孔扫描法
CCD射象法
激光器
CCD
衰减片
纵模测量技术
匹配透镜
• 扫描干涉仪
光栏
探测器
隔离器
压电陶瓷
• 光谱分析仪
5、激光调制的基本概念
• 把欲传输的信息加载于激光载波的过程为激光调 制
• 激光调制根据其与激光器的关系，可分为内调制 和外调制
• 内调制是指加载调制信号在激光振荡过程中进行， 即以调制信号的规律去改变激光振荡参数，从而 改变激光输出特性以实现调制
其中*代表共轭
反射波则由下式表示
b(x’,y’) R2（x’,y’)= b*(x’,y’)
= A*(u,v)exp[-j2(xu+yu)] exp[- j（2/ ）l 1- 2- 2 ]dudv
当其通过距离l的自由空间传播回输出镜时有
a’(x,y) = A*(u,v)exp[-j2(xu+yv)]dudv=a*(x,y)
因此产生了，以控制输出光束发散角、 光强分布为主要目的的横模选择技术， 以及以获得窄线宽为主要目的纵模选择 技术。
横模选择极其意义
• 激光器的横模决定 了输出光束的光强 分布和发散角
• 从工业的钻孔、焊 接到光通信，从激 光医疗到激光测距， 基横模输出都非常 重要
TEM00模
TEM10模
TEM20模
此技术可以有效选择 模式输出，并实现大 模体积运转，提高激 光器的单模输出功率。
R D
2、相位供轭反射镜谐振腔选横模
在一个激光谐振腔内设输出镜一端的光厂分布为： a(x,y) = A(u,v)exp[j2(xu+yv)]dudv
式中exp[j2(xu+yv)]是方向余弦
=u
= v = 1- 2- 2
增益曲线宽度
g 则可以实现单纵模工作 例如：He-Ne 10cm
CO2 3m VCSEL
损耗
F-P标准具选模
复合腔法选纵模
1. 迈克尔逊式 复合腔
=C/2n(l1-l2)
l2 l1
1. Fox-Smith式 复合腔
=C/2n(l1+l2)
l2 l1
行波腔选纵模法
• 在均匀加宽工 作物质中，以 行波方式产生 激光振荡，消 除空间烧孔效 应就可以实现 单纵模输出
将输出镜系数选择为 这样经过一次往返 实现了自在现。
R1(x,y)=a(x,y)/a*(x,y) a(x,y)= R1(x,y) a*(x,y)
实际上我们可以设计任意强度分布和形状的光场作为我
们希望的振荡模式，制造一对符合要求的相位共轭镜，
以达到选模目的。
3、纵模选择技术
• 色散腔法粗选波长 • 短腔法选纵模 • F-P标准具法 • 复合腔法选纵模 • 行波腔选纵模 • 其他纵模选择方式