单频激光器的纵模选择技术分享

在谈到单纵模与多纵模有何区别时，首先要理解，“纵模”的模式分布图（即频谱图），横轴的物理量是频率，即“纵模”代表了频率，单纵模就是指只有一个中心频率。

单纵模激光器又叫单频激光器，特点是输出的激光模式既满足单横模又满足单纵模，其谐振腔内部只有单一纵模进行震荡，并且输出光强呈现高斯分布。除了激光本身良好的单色性和方向性外，单频激光器拥有普通激光器难以达到的相干长度长、谱线宽度窄的特点，而多纵模的激光器就是多个纵模，光谱线宽比较宽。

单纵模激光器相比于多模运转的激光器，不仅具有稳定性强、光束质量好等优点，而且其输出谱线窄、具有良好的相干性，在钠导星技术、多普勒测风雷达、光通信、精密测距、引力波探测、非线性光学、工业以及国防等领域发挥着重要的作用。其中，固体单纵模激光器具有工作波长范围宽、功率拓展性强等优点，得到了广泛的关注和应用。然 而，对固体激光器而言，实现稳定的单纵模运转，需要根据不同的工作条件采取不同的纵模选择技术。

短腔法

对于一个固定参数的谐振腔，腔内能谐振的纵模是确定的，其纵模间隔与腔长成反比关系。激光器运转时，由于纵模之间的竞争，只有增益带宽内的纵模更容易保留下来，输出激光的纵模数量可用增益线宽与纵模间隔的比值来描述。因此，缩短腔长增大相邻纵模之间的间隔能够使有效带宽之内只存在一个纵模，是最直接的实现单纵模运转的方法。常见选模技术包括增强模式竞争的短腔法、F-P标准具法、消除空间烧孔效应的单向环形腔法、扭摆模腔法以及使用色散腔的体布拉格光栅法。

标准具法

在谐振腔内插入标准具选模的方法，与短腔法在原理上有些类似，都是使得有效增益带宽范围内只起振一个纵模。区别在于标准具法是利用标准具的窄线宽透射谱，增大其他纵模的损耗，其他纵模因透射率小而在模式竞争过程中被滤除，从而实现单纵模运转。而且通过对标准具的角度以及温度的控制，还可获得可调谐输出。

单向环形腔法

理论上，谐振腔中的模式竞争会使主振荡模能够在腔内以单纵模状态振荡。但实际的激光器中，由于腔内光场是驻波场，受空间烧孔效应的影响，反转粒子数也会在空间中不均匀分布。当主振荡模的波腹与其他纵模的波节有效重合时，两纵模可能会在不同空间处发生振荡。将谐振腔设计成单向运转的环形腔，腔内行波场可有效避免空间烧孔效应带来的影响，实现单纵模运转。单向环形腔的代表性结构就是非平面环形腔（NPRO）。

扭转模腔法

扭摆模腔法同样可消除空间烧孔效应带来的影响。扭摆模腔法是将光经过起偏器后，通过放置在晶体两端的1/4波片，两波片快轴相互垂直，使得增益介质内部光场呈现均匀分布，抑制多纵模消耗反转粒子数，因此从根本上消除空间烧孔效应。

体布拉格光栅法

体布拉格光栅滤光也是一种可供选择的实现单纵模的方案。体布拉格光栅作为滤光元件，有着极好的光学性能，能够在特定的波长或波段实现高反射，有良好的光谱选择性和角度选择性。

种子注入技术

直接通过振荡器产生单纵模输出的方法，输出功率普遍较低，为得到高功率或大能量的单纵模输出，需要在原有的性能基础上进行光放大，可通过种子注入技术来实现。
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