激光的基本技術(shù)參考幻燈片

1、1,第4章 激光的基本技術(shù)(1),4.1 激光器輸出的選模 4.2 激光器的穩(wěn)頻,2,4.1.1 激光單縱模的選取,均勻增寬型譜線(xiàn)的縱模競(jìng)爭(zhēng) (1) 當(dāng)強(qiáng)度很大的光通過(guò)均勻增益型介質(zhì)時(shí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布值下降，增益系數(shù)相應(yīng)下降，但光譜的線(xiàn)型并不改變。 (2) 多縱模的情況下，設(shè)有q-1，q，q+1三個(gè)縱模滿(mǎn)足振蕩條件。隨著腔內(nèi)光強(qiáng)逐步增強(qiáng)，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光強(qiáng)繼續(xù)增長(zhǎng)，最后變?yōu)榍€(xiàn)3的情形。 (3)若此時(shí)的光強(qiáng)為Iq，則有 ，于是振蕩達(dá)到穩(wěn)定，使激光器的內(nèi)部只剩下q縱模的振蕩。這種現(xiàn)象叫做“縱模的競(jìng)爭(zhēng)”，競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果總是最靠近譜線(xiàn)中心頻率的那個(gè)縱模被保持下來(lái)。 (4)在均勻增寬

2、的穩(wěn)定態(tài)激光器中，當(dāng)激發(fā)比較強(qiáng)時(shí)，也可能有比較弱的其他縱模出現(xiàn)，如何解釋?zhuān)窟@種現(xiàn)象稱(chēng)為模的“空間競(jìng)爭(zhēng)”。,圖4-1 均勻增寬型譜線(xiàn)縱模競(jìng)爭(zhēng),3,非均勻增寬型譜線(xiàn)的多縱模振蕩,非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個(gè)縱模。 單縱模的選取 (1) 短腔法： 兩相鄰縱模間的頻率差 ，要想得到單一縱模的輸出，只要縮短腔長(zhǎng)，使 的寬度大于增益曲線(xiàn)閾值以上所對(duì)應(yīng)的寬度 缺點(diǎn)：腔長(zhǎng)受到限制，從而限制輸出功率；當(dāng)譜線(xiàn)熒光寬度很寬時(shí)，勢(shì)必使腔長(zhǎng)縮到很短。 (2) 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法。 (3) 三反射鏡法。,4,用法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具選縱模,在激光器的諧振腔內(nèi)幾乎垂直于腔軸地插入一個(gè)法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具，可以進(jìn)行縱模的選取

3、 法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具用透射率很高地材料制成，兩個(gè)端面平行且鍍有高反射率地反射膜。由于多光束干涉的結(jié)果，只允許若干個(gè)很窄的頻率帶寬的光通過(guò)，其透過(guò)光的頻率為 獲得最大透射率的兩相鄰頻率間隔 適當(dāng)?shù)恼{(diào)整 角，就可以達(dá)到選頻的目的,圖(4-2) 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法示意圖,5,三反射鏡法選縱模,激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組合所代替，其中M3和M4為全反射鏡，M2是具有適當(dāng)透射率的部分透射部分反射鏡 這相當(dāng)于兩個(gè)諧振腔的耦合，一個(gè)是由M1、M3組成，其腔長(zhǎng)為L(zhǎng)1+L2；另一個(gè)由M3、M4組成，其腔長(zhǎng)為L(zhǎng)2+L3， 兩個(gè)諧振腔的縱模頻率間隔分別為： c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3) 只有同

4、時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)諧振條件的光才能形成振蕩，故只要L2+L3足夠小就可以獲得單縱模輸出,圖4-3 三反射鏡法,6,圖4-4 腔的衍射損耗,4.1.2 激光單橫模的選取,衍射損耗和菲涅耳數(shù) (1) 由于衍射效應(yīng)形成的光能量損失稱(chēng)為衍射損耗。 (2) 如圖4-4所示的球面共焦腔，鏡面上的基橫模高斯光束光強(qiáng)分布可以表示為 (3) 單程衍射損耗為射到鏡面外而損耗掉的光功率與射向鏡面的總光功率之比 (4) 分析衍射損耗時(shí)為了方便，經(jīng)常引入一個(gè)所謂“菲涅爾數(shù)”的參量，它定義為,7,衍射損耗曲線(xiàn),衍射損耗與菲涅耳數(shù)N的關(guān)系一般是比較復(fù)雜的，往往寫(xiě)不出解析的表達(dá)式而需要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字計(jì)算。因此，通常都是將計(jì)數(shù)結(jié)果畫(huà)

5、成曲線(xiàn)，這就是所謂的衍射損耗曲線(xiàn) 圖示為圓截面共焦腔和圓截面平行平面腔的 曲線(xiàn),圖4-5 不同腔的衍射損耗曲線(xiàn),8,高階橫模的抑制,抑制高階橫模需要兩方面的條件：一方面是要求基橫模光束的衍射損耗小，使得基橫模不僅滿(mǎn)足振蕩的閾值條件，而且有較大的功率輸出；另一方面是要求高階橫模的衍射損耗足夠大。下面介紹兩種常用的抑制高階橫模的方法。 光闌法選取單橫模：高階橫模的光束截面比基橫模大，故減小增益介質(zhì)的有效孔徑a，從而減小菲涅耳數(shù)N，就可以大大增加高階橫模的衍射損耗，以致將它們完全抑制掉。最簡(jiǎn)單的辦法就是在腔內(nèi)靠近反射鏡的地方放置一個(gè)光闌（用于增益較低的氣體激光器）。 聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模。

6、,9,聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模,聚焦光闌法：如圖4-6所示，在腔內(nèi)插入一組透鏡組，使光束在腔內(nèi)傳播時(shí)盡量經(jīng)歷較大的空間，以提高輸出功率。 腔內(nèi)加望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的選橫模方法，其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。,圖4-6 聚焦光闌法,圖4-7 腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法,10,頻率的穩(wěn)定性,穩(wěn)定度：指激光器在一次連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的頻率漂移與振蕩頻率之比 復(fù)現(xiàn)性：激光器在不同地點(diǎn)、時(shí)間、環(huán)境下使用時(shí)頻率的相對(duì)變化量 對(duì)共焦腔的TEM00模來(lái)說(shuō)，諧振頻率的公式可以簡(jiǎn)化為： 當(dāng)L的變化為L(zhǎng)，的變化為時(shí)，引起的頻率相對(duì)變化為： 一般希望穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)度都在10-8以上。目前穩(wěn)定度一般在10-9左右，較高的可達(dá)10-1110-13；復(fù)

7、現(xiàn)度一般在10-7左右，高的可達(dá)10-1010-12。,11,影響頻率穩(wěn)定的因素,腔長(zhǎng)變化的影響 溫度變化：一般選用熱膨脹系數(shù)小的材料做為諧振腔 機(jī)械振動(dòng)：采取減震措施 折射率變化的影響 內(nèi)腔激光器: 溫度T、氣壓P、濕度h的變化很小，可以忽略 外腔和半內(nèi)腔激光器: 腔的一部分處于大氣之中，溫度T、氣壓P、濕度h的變化較放電管內(nèi)顯著。應(yīng)盡量減小暴露于大氣的部分，同時(shí)還要屏蔽通風(fēng)以減小T 、 P、 h的脈動(dòng),12,4.2.2 穩(wěn)頻方法概述,被動(dòng)式穩(wěn)頻: 利用熱膨脹系數(shù)低的材料制做諧振腔的間隔器；或用膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長(zhǎng)度配合，以便熱膨脹互相抵消，這種辦法一般用于工程

8、上穩(wěn)頻精度要求不高的情況 主動(dòng)式穩(wěn)頻： 把單頻激光器的頻率與某個(gè)穩(wěn)定的參考頻率相比較，當(dāng)振蕩頻率偏離參考頻率時(shí)，鑒別器就產(chǎn)生一個(gè)正比于偏離量的誤差信號(hào)。 把激光器中原子躍遷的中心頻率做為參考頻率，把激光頻率鎖定到躍遷的中心頻率上，如蘭姆凹陷法。 把振蕩頻率鎖定在外界的參考頻率上，例如用分子或原子的吸收線(xiàn)作為參考頻率，選取的吸收物質(zhì)的吸收頻率必須與激光頻率相重合。如飽和吸收法。,13,4.2.3 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻,蘭姆凹陷的中心頻率即為譜線(xiàn)的中心頻率 ，在其附近頻率的微小變化將會(huì)引起輸出功率的顯著變化。,圖4-8 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻激光器的基本結(jié)構(gòu),腔長(zhǎng)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的方框圖如圖4-9所示,圖4-9 蘭

9、姆凹陷法穩(wěn)頻方框圖,壓電陶瓷加一直流電壓：使初始頻率為,壓電陶瓷上還需加一頻率為f(約為lkHz)、幅度很小(只有零點(diǎn)幾伏)的交流訊號(hào)，此訊號(hào)稱(chēng)為“搜索訊號(hào)”,14,蘭姆凹陷法穩(wěn)頻,圖4-10為穩(wěn)頻原理示意圖。,圖4-10 穩(wěn)頻原理,假如由于某種原因(例如溫度升高)使L伸長(zhǎng)，引起激光頻率由 偏至 ， 與 的位相正好相反,假如由于某種原因(例如溫度降低)使L縮短，引起激光頻率由 偏至 ， 與 的位相正好相同,在中心頻率附近0 ，不論是小于0還是大于0 ，其結(jié)果都是使輸出功率P增加，而且此時(shí)P將以頻率2f變化,圖(4-11) 不同同位素對(duì)蘭姆凹陷的影響,注意事項(xiàng),第一、激光器的激勵(lì)電源是穩(wěn)壓和穩(wěn)流的。,第二、氖的不同同位素的原子譜線(xiàn)中心有一定頻差。,第三、頻率的穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率大小有關(guān)。,15,4.2.4 飽和吸收法穩(wěn)頻,飽和吸收法穩(wěn)頻的示意裝置如圖4-12所示。 與激光輸出功率曲線(xiàn)的蘭姆凹陷相似，在吸收介質(zhì)的吸收曲線(xiàn)上也有一個(gè)吸收凹陷，如圖4-13所示 由于吸收管內(nèi)的壓強(qiáng)很低，碰撞增寬很小，所以吸收線(xiàn)中心形成的凹陷比激光管中蘭姆凹陷的寬度要窄得多。,圖4-12 飽和吸收法穩(wěn)頻的裝置示意圖,圖4-13 吸收介質(zhì)的吸收曲線(xiàn),16,飽和吸收法穩(wěn)頻,激光通過(guò)激光管和吸收管時(shí)所得到的單程凈增益應(yīng)該是