激光多模抑制及基模輸出實(shí)現(xiàn)技術(shù)：原理、方法與應(yīng)用研究

    在激光技術(shù)領(lǐng)域，基模（TEM??模）憑借其對(duì)稱圓形高斯光斑、低發(fā)散角及高能量集中度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為精密加工、醫(yī)療診斷、量子通信等高端應(yīng)用場(chǎng)景的核心技術(shù)需求。然而，激光器運(yùn)行過程中，受諧振腔模式競(jìng)爭(zhēng)、增益分布不均、外部環(huán)境擾動(dòng)等因素影響，易激發(fā)高階模（如TEM??、TEM??模），導(dǎo)致輸出激光光斑畸變、能量分散，嚴(yán)重制約應(yīng)用精度與效率。因此，抑制多模振蕩、實(shí)現(xiàn)高純度基模輸出，已成為激光技術(shù)優(yōu)化與升級(jí)的關(guān)鍵研究方向。本文將系統(tǒng)剖析基模與高階模的本質(zhì)差異，全面梳理主流選模技術(shù)的原理與特性，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景提出技術(shù)方案選擇建議，為激光設(shè)備研發(fā)與性能優(yōu)化提供理論支撐。

    一、基模與高階模的核心差異：選模技術(shù)的理論基礎(chǔ)

    實(shí)現(xiàn)基模穩(wěn)定輸出的前提，是明確基模（TEM??模）與高階模的固有物理差異——這些差異是所有選模技術(shù)設(shè)計(jì)的核心依據(jù)，也是后續(xù)調(diào)控策略的邏輯起點(diǎn)。

    從物理特性維度分析，二者的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下三方面：

    光斑尺寸與能量分布：基模光斑呈嚴(yán)格對(duì)稱的圓形高斯分布，能量高度集中于中心區(qū)域，邊緣能量隨距離呈指數(shù)級(jí)衰減；高階模光斑則存在明顯旁瓣結(jié)構(gòu)（如TEM??模呈“環(huán)形”分布），橫向尺寸顯著大于基模，能量分散于邊緣區(qū)域，導(dǎo)致能量利用率大幅降低。

    諧振腔損耗特性：在相同諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)下，高階模因光斑覆蓋范圍廣，易與腔壁發(fā)生接觸吸收或從腔口溢出，其往返損耗（包括吸收損耗、溢出損耗）顯著高于基模；基模因能量集中、方向性強(qiáng)，可沿諧振腔軸線穩(wěn)定往返，損耗系數(shù)遠(yuǎn)低于高階模，具備更強(qiáng)的振蕩穩(wěn)定性。

    增益場(chǎng)匹配度：基模的高斯能量分布與“中心強(qiáng)、邊緣弱”的理想增益場(chǎng)高度契合，能夠高效獲取增益介質(zhì)提供的能量；高階模因邊緣能量占比高，若增益場(chǎng)呈均勻分布或邊緣增益不足，則難以達(dá)到振蕩閾值，無法形成穩(wěn)定振蕩。

    選模技術(shù)的核心邏輯，在于通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或參數(shù)調(diào)控放大上述差異：一方面通過物理手段增強(qiáng)高階模的損耗，削弱其振蕩能力；另一方面優(yōu)化基模的增益匹配條件，強(qiáng)化其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，最終實(shí)現(xiàn)“基模穩(wěn)定振蕩、高階模被有效抑制”的技術(shù)目標(biāo)。

    二、四大核心技術(shù)路徑：從結(jié)構(gòu)調(diào)控到增益優(yōu)化的多維度選模

    根據(jù)調(diào)控原理與技術(shù)手段的不同，激光基模輸出實(shí)現(xiàn)方法可劃分為四大類，各類技術(shù)針對(duì)不同激光器類型、功率需求及應(yīng)用場(chǎng)景，具有明確的適用范圍與技術(shù)特性。

    （一）諧振腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化：基于空間限制的基礎(chǔ)選模技術(shù)

    諧振腔作為激光模式形成的核心載體，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定模式演化規(guī)律。通過調(diào)整腔型設(shè)計(jì)、物理尺寸或增益介質(zhì)形態(tài)，可從空間上限制高階模的傳播，是激光選模領(lǐng)域最經(jīng)典、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)路徑。

    1.光闌選模技術(shù)：精準(zhǔn)攔截高階模

    該技術(shù)利用高階模光斑尺寸大于基模的特性，在諧振腔內(nèi)特定位置（通常靠近增益介質(zhì)或端鏡）插入小孔光闌，其孔徑略大于基模腰斑尺寸，通過“物理篩選”攔截超出孔徑范圍的高階模，僅允許基模通過。操作過程中需重點(diǎn)關(guān)注兩點(diǎn)：一是光闌位置需確保對(duì)腔內(nèi)所有模式的有效覆蓋，避免因位置偏差導(dǎo)致高階模規(guī)避攔截；二是孔徑尺寸需通過諧振腔基模腰斑尺寸計(jì)算確定——孔徑過小會(huì)導(dǎo)致基模額外損耗，降低輸出功率；孔徑過大則無法有效攔截高階模，影響選模效果。在小型固體激光器（如Nd:YAG激光器）中，常于增益介質(zhì)與輸出鏡之間設(shè)置可調(diào)光闌，通過遠(yuǎn)場(chǎng)光斑觀測(cè)（基模表現(xiàn)為無旁瓣的對(duì)稱圓形光斑）微調(diào)孔徑，最終實(shí)現(xiàn)基模輸出。

    2.腔型選擇與優(yōu)化：適配不同功率需求

    諧振腔的穩(wěn)定性參數(shù)（g參數(shù)）直接影響模式抑制效果，需根據(jù)激光器功率等級(jí)與應(yīng)用需求選擇適配腔型：

    穩(wěn)定腔優(yōu)化：平凹腔、共焦腔等穩(wěn)定腔結(jié)構(gòu)中，基模光束半徑沿腔軸分布更集中，高階模因發(fā)散角較大，易產(chǎn)生溢出損耗。例如，采用“平面鏡+凹面鏡”組成的平凹腔，當(dāng)腔長(zhǎng)L小于凹面鏡曲率半徑R時(shí)，可通過調(diào)整g參數(shù)增強(qiáng)對(duì)高階模的限制作用；縮短腔長(zhǎng)可進(jìn)一步擴(kuò)大基模與高階模的光斑尺寸差異，使高階模更易因橫向溢出被抑制。穩(wěn)定腔適用于中低功率激光器（如He-Ne激光器、小型固體激光器），能夠在保證基模純度的同時(shí)，兼顧輸出功率的穩(wěn)定性。

    非穩(wěn)腔選模：非穩(wěn)腔的光束在腔內(nèi)傳播過程中會(huì)持續(xù)放大并從邊緣溢出，高階模因邊緣能量占比高，其溢出損耗遠(yuǎn)大于基模，僅基模可形成穩(wěn)定振蕩。該技術(shù)適用于高功率激光器（如CO?激光器、高功率固體激光器），但需權(quán)衡輸出功率與模式純度的關(guān)系——非穩(wěn)腔雖能有效抑制多模，但其輸出功率相較于穩(wěn)定腔會(huì)略有降低。

    3.增益介質(zhì)尺寸控制：從源頭限制模式傳播

    若增益介質(zhì)的橫向尺寸僅與基模的光斑尺寸匹配，可從物理層面阻斷高階模的產(chǎn)生與傳播。例如，在固體激光器中，選用細(xì)直徑的Nd:YAG晶體棒，其橫向尺寸僅允許基模在介質(zhì)內(nèi)部傳播，高階模因尺寸超限被抑制；在光纖激光器中，單模光纖的纖芯直徑僅為幾微米，且通過階躍型折射率分布設(shè)計(jì)，確保只有基模滿足全反射條件，天然具備多模抑制能力——這也是光纖激光器能夠?qū)崿F(xiàn)高純度基模輸出的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一。

    （二）模式損耗差異利用：基于敏感元件的強(qiáng)化選模技術(shù)

    通過在諧振腔內(nèi)引入對(duì)模式特性（如偏振、傳播方向、衍射特性）敏感的元件，放大基模與高階模的損耗差異，使高階模的損耗遠(yuǎn)大于基模，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)選模。

    1.布儒斯特窗選模技術(shù)：偏振與損耗的協(xié)同作用

    布儒斯特窗是一塊與激光光軸成布儒斯特角的光學(xué)薄片，其核心特性是對(duì)特定偏振方向（p偏振）的激光反射損耗為0，對(duì)其他偏振方向（s偏振）的激光反射損耗顯著增大。基模的偏振方向具有高度穩(wěn)定性，易與布儒斯特窗的偏振傳輸條件匹配，可無損耗通過；高階模的偏振方向雜亂無章，難以滿足布儒斯特窗的偏振要求，會(huì)產(chǎn)生額外損耗。在He-Ne氣體激光器中，布儒斯特窗不僅能實(shí)現(xiàn)線偏振輸出，還能通過偏振相關(guān)的損耗差異有效抑制高階模，是氣體激光器選模的經(jīng)典技術(shù)方案。

    2.模式選擇元件應(yīng)用：主動(dòng)偏離高階模

    通過在諧振腔內(nèi)插入棱鏡、光柵或傾斜端鏡等元件，利用基模與高階模的傳播特性差異，主動(dòng)增加高階模的損耗：

    棱鏡/光柵選模：不同模式的激光在棱鏡中的折射角或在光柵中的衍射角存在差異，高階模在傳播過程中會(huì)逐漸偏離諧振腔軸線，最終被腔壁吸收或溢出；基模因方向性強(qiáng)，可沿腔軸穩(wěn)定傳播，不受元件影響。

    傾斜端鏡選模：微調(diào)諧振腔端鏡的角度，使高階模的光軸與腔軸產(chǎn)生偏差，在往返傳播過程中，高階模會(huì)持續(xù)偏離中心區(qū)域，逐漸被腔壁吸收；基模因方向性好，仍能沿腔軸實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定往返振蕩。

    （三）增益分布調(diào)控：基于能量供給的精準(zhǔn)選模技術(shù)

    通過優(yōu)化泵浦方式、控制泵浦參數(shù)或利用增益飽和效應(yīng)，使增益場(chǎng)的分布與基模的高斯能量分布高度匹配，確保基模優(yōu)先獲取增益，高階模因增益不足無法達(dá)到振蕩閾值——這是從“能量供給”層面實(shí)現(xiàn)選模的關(guān)鍵技術(shù)路徑。

    1.端面泵浦技術(shù)：構(gòu)建高斯型增益場(chǎng)

    泵浦方式直接決定增益介質(zhì)內(nèi)的增益分布形態(tài)：側(cè)面泵浦時(shí)，泵浦光在增益介質(zhì)內(nèi)的分布較為均勻，易激發(fā)多種高階模；而端面泵浦（如半導(dǎo)體激光器端面泵浦Nd:YAG晶體）可將泵浦光聚焦成高斯光斑，使增益場(chǎng)呈現(xiàn)“中心強(qiáng)、邊緣弱”的高斯型分布，與基模的能量分布完美契合。這種匹配性使基模能夠高效獲取增益，高階模因邊緣增益不足被抑制，是中低功率固體激光器實(shí)現(xiàn)基模輸出的主流技術(shù)方案。

    2.泵浦功率控制：鎖定基模閾值區(qū)間

    激光模式的起振取決于增益是否超過其固有閾值：基模的增益閾值最低，高階模的增益閾值顯著高于基模。因此，將泵浦功率嚴(yán)格控制在“基模起振、高階模未起振”的區(qū)間內(nèi)，可從根源上避免多模振蕩。實(shí)際操作中，需通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定激光器的基模閾值功率與高階模閾值功率，明確最佳泵浦功率范圍——功率過低會(huì)導(dǎo)致輸出功率不足，無法滿足應(yīng)用需求；功率過高則會(huì)激發(fā)高階模，破壞基模的穩(wěn)定性。

    3.增益飽和效應(yīng)利用：強(qiáng)化基模競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

    基模的能量集中于增益介質(zhì)的中心區(qū)域，會(huì)優(yōu)先消耗中心區(qū)域的增益；高階模的能量主要分布于邊緣區(qū)域，當(dāng)中心區(qū)域的增益被基模耗盡后，邊緣區(qū)域的增益無法滿足高階模的振蕩閾值，從而被抑制。通過優(yōu)化增益介質(zhì)的長(zhǎng)度（確保中心區(qū)域增益被充分利用）與泵浦強(qiáng)度（強(qiáng)化中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的增益差異），可進(jìn)一步放大增益飽和效應(yīng)，穩(wěn)定基模輸出。

    （四）特殊場(chǎng)景適配技術(shù)：針對(duì)高要求與復(fù)雜環(huán)境的選模方案

    除上述核心技術(shù)外，針對(duì)高穩(wěn)定性、高功率或動(dòng)態(tài)環(huán)境等特殊應(yīng)用需求，激光技術(shù)領(lǐng)域還發(fā)展了一系列輔助選模技術(shù)，以滿足嚴(yán)苛的應(yīng)用條件：

    種子注入鎖模技術(shù)：將低功率、高純度的基模激光（種子源）注入主激光器的諧振腔，種子光的基模會(huì)優(yōu)先獲取增益，迫使主激光器的振蕩模式與種子光同步，實(shí)現(xiàn)極高純度的基模輸出。該技術(shù)具有模式穩(wěn)定性高、純度高的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于精密測(cè)量、激光雷達(dá)、量子通信等對(duì)模式純度要求嚴(yán)苛的場(chǎng)景。

    自適應(yīng)光學(xué)選模技術(shù)：在諧振腔內(nèi)引入可變形鏡，通過傳感器（如遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分析儀、干涉儀）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出激光的模式分布；若檢測(cè)到高階模成分，控制系統(tǒng)立即調(diào)整可變形鏡的形狀，改變腔內(nèi)光場(chǎng)分布，增加高階模的損耗。這種動(dòng)態(tài)調(diào)控方式適用于振動(dòng)、溫度變化等環(huán)境擾動(dòng)較大的場(chǎng)景，能夠持續(xù)維持基模純度，確保激光器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

    Q開關(guān)選模技術(shù)：在調(diào)Q激光器中，Q開關(guān)打開瞬間，基模因初始能量高、振蕩建立速度快，會(huì)在高階模起振前占據(jù)主導(dǎo)地位，從而抑制多模。該技術(shù)兼顧短脈沖輸出與基模純度，適用于激光打標(biāo)、微加工、激光醫(yī)療等需要短脈沖高純度激光加工的領(lǐng)域。

    三、實(shí)際應(yīng)用：技術(shù)組合策略與效果驗(yàn)證方法

    單一選模技術(shù)往往難以滿足復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的需求，實(shí)際工程應(yīng)用中需結(jié)合激光器類型、功率需求、模式純度要求及環(huán)境條件，選擇多種技術(shù)組合使用，以實(shí)現(xiàn)最佳的多模抑制效果。以下為典型應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)組合案例：

    中低功率固體激光器（如實(shí)驗(yàn)室用Nd:YAG激光器）：采用“短腔結(jié)構(gòu)+可調(diào)光闌+端面泵浦”的組合方案。通過短腔結(jié)構(gòu)擴(kuò)大基模與高階模的光斑差異，利用可調(diào)光闌物理攔截高階模，借助端面泵浦構(gòu)建高斯型增益場(chǎng)，在保證基模純度（M2因子<1.2）的同時(shí)，兼顧輸出功率的穩(wěn)定性。

    高功率光纖激光器：采用“單模光纖（波導(dǎo)限制）+增益飽和效應(yīng)+模式監(jiān)測(cè)反饋”的組合方案。利用單模光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)天然限制高階模傳播，通過增益飽和效應(yīng)強(qiáng)化基模競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合實(shí)時(shí)模式監(jiān)測(cè)與反饋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高功率（千瓦級(jí)）與高基模純度（M2因子<1.1）的平衡。

    高穩(wěn)定性精密激光設(shè)備（如激光干涉儀）：采用“種子注入鎖模+自適應(yīng)光學(xué)選模”的組合方案。通過種子注入鎖模確保基模的高純度，借助自適應(yīng)光學(xué)選模抵御環(huán)境擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的基模輸出，滿足精密測(cè)量對(duì)激光模式穩(wěn)定性的嚴(yán)苛要求。

    基模輸出效果的驗(yàn)證需通過科學(xué)、量化的方法進(jìn)行，核心驗(yàn)證指標(biāo)包括：

    遠(yuǎn)場(chǎng)光斑形態(tài)：通過遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分析儀觀測(cè)，基模的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑應(yīng)呈現(xiàn)對(duì)稱圓形，無旁瓣、雜散光或畸變；若存在環(huán)形、橢圓形或不規(guī)則光斑，則表明仍有高階模成分，需進(jìn)一步優(yōu)化選模參數(shù)。

    M2因子：M2因子是衡量激光模式純度的核心量化指標(biāo)，基模的理論M2因子為1，實(shí)際應(yīng)用中M2因子越接近1，模式純度越高。對(duì)于高純度基模需求的場(chǎng)景（如精密加工、量子通信），M2因子需控制在1.2以內(nèi)；對(duì)于一般應(yīng)用場(chǎng)景，M2因子可放寬至1.5以內(nèi)。

    功率穩(wěn)定性：在持續(xù)運(yùn)行過程中，基模輸出功率的波動(dòng)幅度應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)（通常≤5%），若功率波動(dòng)過大，可能存在模式跳變（基模與高階模交替振蕩），需優(yōu)化選模技術(shù)組合。

    四、總結(jié)與展望

    抑制激光多模振蕩、實(shí)現(xiàn)高純度基模輸出，是一項(xiàng)基于模式物理特性差異的系統(tǒng)工程，其核心在于從諧振腔結(jié)構(gòu)、模式損耗、增益分布等維度進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，放大基模的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，抑制高階模的振蕩。隨著激光技術(shù)在高端制造、生物醫(yī)藥、量子科技等領(lǐng)域的深入應(yīng)用，對(duì)基模純度、功率穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性的要求將持續(xù)提升，未來激光選模技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⒓性谝韵聝煞矫妫?/p>

    動(dòng)態(tài)智能選模技術(shù)：結(jié)合人工智能算法與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)選模參數(shù)的自適應(yīng)優(yōu)化。例如，通過機(jī)器學(xué)習(xí)模型分析模式分布數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)整光闌孔徑、泵浦功率或可變形鏡形狀，無需人工干預(yù)即可維持基模穩(wěn)定輸出，提升設(shè)備的智能化水平與環(huán)境適應(yīng)性。

    高功率-高純度協(xié)同優(yōu)化技術(shù)：針對(duì)高功率激光器的“功率與純度平衡”難題，通過優(yōu)化非穩(wěn)腔與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)、開發(fā)新型增益介質(zhì)（如高增益低損耗晶體）、引入多維度選模技術(shù)（如偏振-損耗-增益聯(lián)合調(diào)控），在提升輸出功率的同時(shí)，確保基模純度不降低，滿足高功率精密加工、激光核聚變等場(chǎng)景的需求。

    掌握不同選模技術(shù)的原理、特性與適用場(chǎng)景，是實(shí)現(xiàn)激光設(shè)備性能優(yōu)化的關(guān)鍵，也是推動(dòng)激光技術(shù)向更高精度、更廣領(lǐng)域應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。未來，隨著材料科學(xué)、光學(xué)設(shè)計(jì)與智能控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光選模技術(shù)將逐步向更高效、更穩(wěn)定、更智能的方向發(fā)展，為激光技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供更強(qiáng)力的支撐。