激光器模式测量方法

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  一台激光器是否实现了单模(横模或纵模)运转,其运转时是否稳定。都需要有一定的检测方法,现就一般常用的观测法予以介绍。

  1.横模的直接观测法。众所周知,不同横模的光强在横截面上具有不同的分布。观测连续可见波段输出的激光器,只需在光路中放一光屏,横模形状将立即显现于屏上,可供观察与分析。

  对于红外与紫外波段输出激光器件,可使用显像管。

  红外激光束(如Nd3+:YAG,其λ==1.06um),经扩束后入射在显像管的接收面上,阴极接收光予以后发出光电子,经电子光学系统加速奔向阳极并聚集在荧光屏上。荧光屏便显现出激光束横模的光强分布图案。对紫外光只需配用合适的阴极材料亦可适用。此方法十分简便,只需配用一台小功率直流高压电源即可。也可用照相机拍摄不同时刻的横模图像以供研究。

  观测横模还可直接拍照,可根据激光器的输出波长来选择感光底片。目前,不同波长的感光底片品种日益增多,因而给横模模式的观测提供了有利条件。

  利用某种转换材料(使波长由长变短)制成薄片,可将红外光转换为可见光。这对一些中小功率的红光激光器观测其横模光斑图样十分方便。

  上述各种直接观测法的特点是简便,但观测是粗略的,分辨能力不高。

  2.光点扫描法测横模。此方法主要用来对连续输出的激光器进行观测。激光束(经扩束镜)扩大光斑后,投射到由电动机带动的转镜上,反射后再投向一带有小孔光阑的光电探测器上,经电子线路放大后接示波器显示波形。

  此法可将激光横模模式光强分布的二维图像变换到示波器上,显示出其相应的一维光强分布波形。若为基模,则示波器上呈现出光滑的高斯分布曲线。反之,示波器上会出现两个以上的波峰对应于多横模状态。右面是示波器上观测到的波形,左面是与之相对应的横模光斑图样。此法对于判定基模比直接观测法好,缩小光阑,波形清晰度可达相当高的程度,同时还可监视激光横模随时间的变化(稳定状况),这是一种较常用的方法。

  3.扫描干涉仪。此法是通过测量横模或纵模的频率来判定模式的。其分辨力可高达2.5×109。由谐振腔理论可知,该无源腔的谐振频率为:

  vmnq=c/2L[q+1/π(1+m+n)cos-1(g1g2)1/2]        (20-26)

  式中L为无源腔长,g1=1-L/R1,g2=1-L/R2,其中,R1和R2分别表示两反射镜的曲率半径,m和n为横模序数,q为纵模序数。若使扫描干涉仪的无源腔和待测激光光束匹配得当,需在无源腔内加小孔光阑,以增加高次横模的衍射损耗,那么扫描干涉仪的无源腔将只在基模(TEM00)谐振。此时将m=n=0代入上式可得:

  v00q=c/2L[q+1/πcos-1(g1g2)1/2]      (20-27)

  因此,只有待测激光束中满足频率条件式(20-27)的那些成分才能通过扫描干涉仪的无源腔。

  将无源腔的一反射镜与接通可调电压的压电陶瓷相连接,则可通过改变电压而使腔长变化,从而导致该无源腔所允许通过的激光频率发生变化。若此电压由示波器的锯齿波扫描电压提供,即对激光允许通过的频率进行周期性扫描。如果激光有多个频率均落在扫描周期的频率范围内,则在此周期时间内,这些频率将随时间先后通过无源腔,由光电探测器接收后,从示波器上显示出来。由此可见,用此法观测模式是十分清楚的。

    为防止反射光重新回到待测激光器中去,在光路中加装由偏振器和1/4波片组成的光学隔离器,此隔离器只允许光束从左至右单向通过。

  扫描干涉仪用于模式(横模及纵模)观测时,效果十分良好,如有模式竞争、不稳定现象及各种因素对频谱的影响都能观测到,它是测光技术中一种重要的测量仪器。