2激光器中的模式竞争与跳模现象

2激光器中的模式竞争与跳模现象

激光器中的模式竞争与跳模现象

刘韬

北京工业大学 应用数理学院 000611班

指导教师：俞宽新

摘要 本文讨论了均匀加宽激光器中模式竞争的特点，以及形成模式竞争的原因。并讨论了由于模式竞争而产生的跳模现象，分析了产生跳模现象的原因，并给出跳模的规律。

关键词 均匀加宽激光器，模式竞争，跳模式现象

一、模式竞争

如果有多个模式的谐振频率落在均匀加宽工作物质的增益曲线振荡线宽范围内,由于各模式尽管频率不同，但使用的都是相同的反转粒子数密度，因此它们之间的竞争是很激烈的。图1画出了这一过程，为了讨论方便，假设有三个模式,频率分别为νq 1，νq+1，νq，开始时，这三个模式的小信号增益系数都大于阈值增益系数Gt，因而三个模式的光强Iq 1，Iq，Iq+1都逐渐增大，但由于增益饱和作用，整个增益曲线将随光强的增大而下降。当增益曲线下降到和图示中的曲线1时，νq+1模式的增益系数等于阈值Gt，因而Iq+1不再增大。但在此时，νq，νq 1两个模式的增益系数仍大于阈值，Iq，Iq 1还继续增大，整个增益曲线仍继续下降。这样很快就使得νq+1模式的增益系数小于阈值Gt，故该模式的光强Iq+1很快减弱直至熄灭。

同理，当增益曲线下降到图示中的曲线2时，νq 1模

的增益系数等于阈值Gt，因而Iq 1不再增大，但νq的

增益系数仍大于Gt，Iq继续增大，整个增益曲线还要

下降，这又将导致Iq

1很快熄灭。

νq的增益系当增益曲线下降到图示中的曲线3时，

数等于阈值Gt，Iq光强达到稳定值，不再增大。整个

增益曲线也就不再下降，最后，谐振腔内只有νq一个模

式形成稳定的振荡。这说明，均匀加宽激光器中满足阈

值条件的纵模在振荡过程中互相竞争，结果总是靠近中

心频率ν0附近的纵模取胜，其它模式都被抑制熄灭。

图1 模式竞争

二、跳模现象

均匀加宽激光器中模式竞争效应会引起激光器的所谓跳模现象，特别是在内腔式气体激光器刚点燃是很明显。精细测量输出激光的频率，会发现它随时间不断的起伏，如图2所示。随时间的延续，光频率逐渐减小，到某一时刻又突然发生跳变，增大到某一数值，然后又重复上述过程。但激光频率始终在谱线中心频率ν0附近变化。可以用图2来解释这种现象。图2中画的是激光器刚点燃时的情况。设此时频率为νq的纵模比νq+1模更靠近中心频率ν0，因此，νq模具有比较大的小信号

2激光器中的模式竞争与跳模现象

增益系数，两个模式竞争的结果，νq模取胜，νq+1模

被抑制。由于腔内温度的升高，放电管热膨胀，使得

粘贴在放电管两端的两个反射镜片之间的距离加大，

也就是谐振腔的腔长变大。这将使得各本证纵模的谐

振频率向低频方向漂移，输出激光的频率也随之减

小。当νq+1模的频率变成比νq模频率更接近中心频

率ν0时，νq+1模就可能战胜νq模取而代之，输出光

频率便由νq突然增至νq+1 ，产生一次跳模。腔长每

伸长一个半波长，就会产生一次跳模，激光频率就在

ν

0±c/4L范围内来回变化， L’为谐振腔的光学长

度。 '图2 跳模现象 下面来证明：腔长每伸长一个半波长，就会产生一次跳模。因为驻波条件为L'=q'

'λ2，q为整'数。即L等于光的半波长的整数倍。又因为两个本征纵模频率间隔为νq=c/2L，又因为激光频率就在ν0±c/4L'范围内来回变化，所以'cc= 即腔长每伸长一个半波长，就会产生一次2(L'+L')4L'

跳模。图2是某一个时刻，中心频率两边各有一个“门槛”，就是ν0±c/4L'。红色的模式在“门槛”之中，随着谐振频率向低频方向漂移，输出激光的频率也随之减小，之后又有一个模式进入“门槛”，把它又变成为红色。往返几个周期，就画出了一个锯齿形的频率图形。

参考文献

（1）激光原理与技术，俞宽新，北京工业大学出版社，1998年3月

（2）激光原理，周炳琨，国防工业出版社，2004年8月

（3）激光原理，陈钰清，浙江大学出版社，1992年5月

（4）激光原理基础，王喜山，山东科学技术出版社 1979年12月

（5）激光技术，蓝信钜，科学出版社，2000年8月