抑制激光多模、实现基模（TEM₀₀模）输出的核心是利用基模与高阶模在光斑尺寸、谐振腔损耗、增益匹配等方面的差异，通过结构设计或技术手段增强高阶模的损耗，同时保证基模稳定振荡。以下是详细方法：

一、基于谐振腔结构的选模技术

谐振腔是激光模式形成的核心，通过优化腔型参数可直接抑制高阶模。

1. 缩小谐振腔横向尺寸（光阑选模）

• 原理：高阶模的横向光斑尺寸比基模大（如TEM₀₁模光斑边缘更宽），在腔内设置小孔光阑（孔径略大于基模光斑），可拦截高阶模，仅允许基模通过。

• 操作：在谐振腔中靠近增益介质或端镜的位置插入可调光阑，逐步减小孔径至高阶模被完全抑制（通过观察输出光斑的远场分布，基模为圆形高斯光斑，无旁瓣）。

• 注意：光阑孔径需匹配基模光斑大小（可通过计算谐振腔的基模腰斑尺寸确定），过小会同时损耗基模，降低输出功率。

2. 选择合适的谐振腔类型

• 稳定腔优化：稳定腔（如平凹腔、共焦腔）中，基模的光束半径随腔长分布更集中，高阶模的发散损耗更大。例如：

◦ 采用“平-凹”腔（平面镜+凹面镜），凹面镜曲率半径与腔长匹配（如腔长L < 凹面镜曲率半径R），可增强对高阶模的限制。

◦ 缩短腔长：腔长越短，基模与高阶模的光斑尺寸差异越明显，高阶模更易因横向溢出而损耗。

• 非稳腔选模：非稳腔的光束在腔内会不断放大并从边缘溢出，高阶模的边缘能量更高，损耗更大，仅基模可稳定振荡。适用于高功率激光器（如CO₂激光器），但输出功率略低。

3. 控制增益介质的横向尺寸

• 若增益介质为固体（如Nd:YAG晶体），选用细直径棒状介质，其横向尺寸仅允许基模在其中传播，高阶模因尺寸超限被抑制。

• 光纤激光器中，单模光纤的纤芯直径仅几微米，天然限制高阶模，通过设计纤芯折射率分布（如阶跃型），确保只有基模满足全反射条件。

二、基于模式损耗差异的选模技术

通过在腔内引入对模式敏感的元件，使高阶模损耗远大于基模，从而抑制多模。

1. 布儒斯特窗选模

• 原理：布儒斯特窗（与光轴成布儒斯特角的薄片）对特定偏振方向的光反射损耗为0，对其他偏振方向损耗较大。基模的偏振方向更易与布儒斯特窗匹配，高阶模因偏振杂乱导致损耗增加。

• 应用：在气体激光器（如He-Ne激光器）中，布儒斯特窗不仅起偏振作用，还能通过损耗差异抑制高阶模。

2. 腔内插入模式选择元件

• 棱镜或光栅：利用不同模式的折射/衍射特性差异，使高阶模在传播中偏离谐振腔轴线，增加损耗；基模因方向稳定，可保持振荡。

• 倾斜端镜：微调谐振腔端镜的角度，使高阶模的光轴与腔轴偏离，导致往返传播时不断偏离中心，最终被腔壁吸收；基模因方向性好，仍可沿腔轴往返。

三、基于增益分布的选模技术

通过控制增益介质的泵浦方式，使增益分布与基模的能量分布（高斯型）匹配，仅基模能获得足够增益振荡，高阶模因增益不足被抑制。

1. 端面泵浦（而非侧面泵浦）

• 侧面泵浦时，增益介质的横向增益分布较均匀，易激发多种模式；端面泵浦（如半导体激光器端面泵浦Nd:YAG）可使泵浦光聚焦成高斯光斑，增益分布呈中心强、边缘弱的高斯型，与基模匹配，抑制高阶模。

2. 控制泵浦功率

• 当泵浦功率较低时，仅增益阈值最低的基模能起振；若功率过高，高阶模的增益可能超过阈值而被激发。因此，需将泵浦功率控制在“基模起振，高阶模未起振”的范围内（通过实验测试阈值功率）。

3. 增益饱和效应利用

• 基模能量集中在中心，会优先消耗中心区域的增益，导致高阶模（边缘能量占比高）的增益被“耗尽”，无法达到振荡阈值。通过设计增益介质长度和泵浦强度，强化这一效应。

四、其他辅助技术

• Q开关选模：在调Q激光器中，Q开关打开时，基模因初始能量高、建立速度快，可在高阶模起振前占据主导，抑制多模。

• 输出耦合镜优化：选择对基模透射率低、反射率高（减少损耗），对高阶模透射率高（增加损耗）的输出镜，通过反射率差异筛选模式。

• 模式监测与反馈：实时监测输出激光的模式（如通过干涉仪或远场光斑分析仪），反馈调节腔内光阑、泵浦功率等参数，动态抑制高阶模。

        除了上面提到的方法，还有一些针对特定场景或基于不同原理的技术可用于抑制激光多模，实现基模输出，具体如下：

一、基于模式竞争的选模技术

利用基模与高阶模在增益竞争中的优势，通过调控激光形成过程中的模式演化，让基模“压制”高阶模。

• 种子注入锁模：将一个低功率、高纯度的基模激光（种子源）注入到主激光器的谐振腔中，种子光的基模会优先获得增益，迫使主激光器的振荡模式与种子光同步，从而抑制高阶模的产生。该方法适用于需要高稳定性和高模式纯度的场景，如精密测量领域。

• 预激光选模：在激光器启动初期，通过短暂降低腔内增益（如短时减弱泵浦），让增益仅能满足基模起振，待基模稳定建立后再提高增益，此时基模已占据主导，高阶模难以竞争到足够增益。

二、基于波导结构的选模技术

通过设计特殊的波导结构，限制高阶模的传播，仅允许基模在波导中稳定传输。

• 波导激光器：在增益介质中制作波导结构（如在玻璃或晶体中通过离子扩散形成的条形波导），波导的横向尺寸与基模匹配，高阶模因模式尺寸超过波导限制而产生巨大损耗，无法传播。例如，集成光学中的波导激光器常采用此原理实现单模输出。

• 光子晶体光纤选模：光子晶体光纤通过周期性排列的微结构（空气孔）形成光子带隙，仅特定模式（基模）能在带隙中传播，高阶模因落在带隙外而被抑制，尤其适用于光纤激光器中实现高纯度基模输出。

三、基于偏振特性的选模技术

利用不同模式的偏振差异，通过偏振选择元件过滤高阶模。

• 偏振片组合选模：在谐振腔内插入偏振片和λ/4波片等元件，构建偏振敏感的谐振腔。基模通常具有稳定的线偏振特性，可通过偏振片无损耗传输；高阶模的偏振方向杂乱或不稳定，会被偏振片吸收或反射，从而被抑制。该方法在固体激光器中较为常用，尤其适用于需要线偏振输出的场景。

四、基于动态调控的选模技术

通过实时动态调整腔内参数，持续抑制高阶模的产生。

• 自适应光学选模：在腔内加入可变形镜，通过传感器监测输出激光的模式分布，若检测到高阶模成分，实时调整可变形镜的形状，改变腔内光场分布，增加高阶模的损耗，确保基模稳定振荡。该方法适用于环境扰动较大（如振动、温度变化）的场景，能动态维持模式纯度。

• 声光调制选模：利用声光调制器对不同模式的衍射效率差异，通过控制调制信号的频率和强度，使高阶模在衍射过程中能量损耗增加，而基模的衍射损耗保持较低，从而实现选模。

这些方法各有适用场景，实际应用中可根据激光器类型（如气体、固体、光纤激光器）、功率需求、模式纯度要求等，选择单一方法或组合使用，以达到最佳的多模抑制效果。

总结
      实际应用中常结合多种方法（如“短腔+光阑+端面泵浦”），以稳定输出基模。关键是通过实验验证：输出光斑为圆形、无旁瓣（远场分布），且模式纯度可通过M²因子（基模M²=1）测量确认（M²越接近1，基模纯度越高）。

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