第五章-激光器

激光器自由讨论：1，激光产生的基本原理？2，激光的模式有哪些？3，激光稳频有哪些方法？4，怎样调节激光的频率？5，光学谐振腔有哪些种类？6，如何产生倍频和差频等？授课内容：1，激光产生的基本原理2，激光谐振腔3，激光的光谱特性4，单模激光器5，可调谐激光器6，非线性光学混频技术光子的基本概念一、光的波动性17-18th世纪Huygens–Fresnel（惠更斯－菲涅耳）衍射与Young干涉实验1885Maxwell方程的提出1887Hertz振子辐射实验现代同步辐射（同步加速器辐射：带电粒子速度接近光速，在电磁场中偏转时，由于相对论效应，切线方向发出电磁波）二、光的粒子性（光子）EnergyhVelocityc(299792458ms-1)RestMassm=0(210-50g)Momentump=h/c=h/Spins=1基于如下实验：黑体辐射：Planck定律光电效应:1905Einstein用光量子成功解释Compton效应（高能光子（gamma或者X射线）与物质相互作用（电子），出射波长发生改变）pk物理学基本常数J-PUzan,Rev.Mod.Phys.75,403,2003真空中的光速物理学的理论NM牛顿力学QM量子力学SR狭义相对论GR广义相对论NG牛顿引力NQG非相对论引力QFT量子场论TOE万物论J-PUzan,Rev.Mod.Phys.75,403,2003chG第5.1节激光产生的基本原理一、激光器的基本构成增益介质光放大器（粒子数反转，粒子数不再遵守Boltzman分布）泵浦源为放大器提供能量（闪光灯、放电、其它激光等）光谐振腔将受激放大的光储存在腔模中（增加放大器等效长度，增加模密度）激光结构：M1反射镜，M2输出耦合镜（反射率R2决定腔内外强度差）粒子数反转：虚线，粒子数反（N）；实线，Boltzman分布二、阈值条件“增益损耗”（perround-trip）启动：自发辐射增益：损耗（：包括反射镜M2的反射损失（1-R），镜面吸收，光衍射，光散射等）If0)(So1)()(2eG粒子数反转阈值条件：总体效应对于不同失谐量，其放大不同，其线形为（均匀/非均匀展宽）：不管是Lorentz还是Gaussian分布，其在共振处，放大倍数最大损失系数也是和频率有关二、速率方程（不含相干效应）稳态解：稳态反转粒子数：仅R1A21时，NStat0(e.g.准分子激光）光泵速率＝两能态驰豫到其他态的速率腔中来回传播一圈时间P:从激发态泵浦到2态速率光子密度一，封闭腔：没有损失，热平衡时符合黑体辐射的普朗克定律、单位体积腔模密度分布第5.2节激光谐振腔22/1//kkkkWQdWdt频率二，开放腔：对某些模式有选择性损失，增加某些需要的腔模中的平均光子数，减少其它模光子数（增大模损耗）。时间=1/k为k模中光子的平均寿命（能量1/e）第k模式，出错能量Wk,单位时间能量损失QK为每个振荡周期T=1/内储存于该模的能量与损耗的能量之比的2倍。透过(walk-off)损失（耦合镜的出射损失）衍射损失（2ad）Fresnel数N表征)1(0RIItransverse反射损失（R1和R2两反射镜反射率，d两反射镜间距）入射到反射镜上的光反射后形成衍射，衍射到更高级的光由于不能入射到第二个反射镜上而损失。a是b的等效光路图开放腔损失开放腔的损失衍射损失用Fresnel数表征Fresnel数N：落在镜面上的Fresnel衍射环的数目a:镜面半径d:镜间距一般情况：2aNdN越大（a大，d小），衍射损失越小共焦腔（R1=R2=R=d）（曲率半径=间隔）横模(transversemode)：横截面光强分布纵模(longitudinalmode)：腔频率分布三，共焦腔（两焦点重合）厄米多项式(Hermitpolynomials)高斯分布z处相位强度分布一维分布二维标示CartesiancoordinatePolarcoordinate基模：m=n=0,TEM00200000000/(@)0.135/0.368IIerwIAAeAz处的光束半径高斯光的束腰在两反射镜面上在光束半径基模高斯光斑（两镜面上）的大小为四，稳定腔与非稳腔亚稳：g1=g2=0非稳腔：光斑发散而趋向无穷大(g1，g2只有一者为0；g1g2＝1)，或者分布为虚数（g1g20或者g1g21）稳定腔：在每次往返之后场振幅A(x,y)除相差一个常数C（与x或y无关，表示衍射损失），分布不变。0g1g21有时采用非稳定腔的原因：光束直径可以大，从而充分利用大体积的增益介质，获得大功率输出，但发散大。稳定条件非稳条件亚稳条件不同腔的示意图对平凹腔(R2=org2=1),稳定条件为dR1（0g11）不同腔、稳定区域和非稳区域在g1和g2坐标下的分布驻波腔：腔内往返光波叠加，形成驻波场行波腔：腔内光波为行波，由单向器（光二极管）选择行波方向。行波腔可避免空间烧孔获得单模运转，同时没有驻波（波节处光强为0）波节从而充分利用整个增益介质反转粒子数获得大的功率输出。五，环形腔（由起码三个反射面组成，形成行波腔）单向器（光二极管）：Faraday旋光器（转偏振），双折射片（转偏振），选偏振（让一定偏振方向的光通过）正向传播：Faraday和双折射片转动角度互相抵消，能透过选偏器反向传播：Faraday和双折射片转动角度互相增加，经过选偏器损失大光二极管（单向器）组成双折射片钛宝石激光器的光路图：1，出射的光在M1，M2（M3），M4和M5环形8字形腔中进行振荡。调节反射镜的反射模，可以输出780nm的激光。2，双折射滤波片将激光线宽压倒2GHz；薄标准具和厚标准具进一步将线宽压窄到10MHz；从外加参考腔所得到的误差信号一部分输到固定镜片的压电陶瓷来控制腔长的快变，另一部分输到布鲁斯特波片，来控制腔长慢变，最后将激光线宽稳定在500KHz。3，通过扫描布鲁斯特波片的角度，可以在30GHz内扫描激光的频率，并且保持功率的稳定和光束位置不变。532nm钛宝石激光器（环形腔激光器）680nm～1.1um1W680nm～1.1um驻波条件：腔长d=半波长的整数倍相邻基轴模的间隔（纵模间隔，FSR）为被动腔的频谱（本征频谱）共焦腔：1Rd非共焦腔：1Rd解简并共焦腔非共焦腔平面腔第5.3节激光的光谱特性增益介质在决定激光光谱特性中的作用：1、介质的折射率（影响光程）改变被动腔的本征频率（模牵引效应）2、由于增益饱和，不同激光模出现模式竞争，从而影响激光输出的频率和振幅。主动腔：包含增益介质的谐振腔。等效腔长为其中L为增益介质长度。频谱将下式中的d换成d*即得：一、主动谐振腔与其频谱整体增益吸收整体增益损失被动腔（无增益介质的空腔）的线宽一般远小于主动腔中激光跃迁的线宽（一般由Doppler宽度决定）。而增益介质补偿了被动腔中共振线的损耗，从而极大增加品质因子Q，使得振荡激光模的线宽远小于被动腔共振线的线宽。主动腔的线宽a与FSR（）的关系：其中单程增益为当G()=1（阈值条件），激光放大器转变成激光振荡器。此时的激光线宽为()10LaG二、增益饱和当泵浦光增强时，粒子数反转N增大。当粒子数反转达到阈值Nth时，产生激光。在激光建立过程中，增益大于损失，受激辐射也增强。但是同时受激辐射不断消耗反转粒子数（激发原子从激发态跃迁到基态，减少粒子数反转），使N减少。当再一次出现N＝Nth时，增益出现饱和。光泵引起的粒子数差增大＝诱导辐射引起的粒子数差减少均匀增益介质（增益介质所有模式都出现增益饱和）非均匀增益介质（只有腔共振模式出现增益饱和）在激光频率附近，取均匀线宽范围均匀非均匀空间烧孔模间隔：(p=2,3,…)可见a越小或d越大，烧孔模间隔越远。多模越不容易出现。三、空间烧孔驻波腔中，由于I(z,)的空间分布使得波腹增益饱和而波节处粒子数没有消耗，出现空间不均匀现象（烧孔）。导致多个激光波长可同时振荡（多模激光）（不同波成，其波腹和波节点不一样）。增益介质四、多模激光中的模式竞争均匀加宽增益介质中，不同激光模之间会消耗共同的反转粒子数（在线型内），从而出现增益的竞争，本应该导致一个模式增强，其他模式压制，但是像空间烧孔、激光调模和时间依赖的波动使模式随机分布。非均匀加宽介质中，可以有多模振荡，但各模不公用反转粒子数，因而不存在模式竞争。一般不加特别措施时的激光都是多模的。群“模”乱舞！稳定的多模输出不同时间，模式随机五、模牵引存在增益介质时，被动腔的频率发生移动的现象。物理本质：折射率n()（色散线性）其中m是增益介质中被放大的跃迁的谱线线宽。r腔线宽，r腔共振频率，0增益介质吸收中心频率可见，频率变化正比与频差（拖曳，牵引）。均匀加宽谱线激光频率为00()rmrmramrrrrm第5.4节单模激光器原子分子增益介质，分立谱线：Ar+、CO2、He-Ne用波长选择元件选择单条谱线：棱镜、光栅、Lyot滤光片一、选择谱线（波长粗选择）不同的波长在prism中折射角度不一样，只有垂直到达反射镜M2的光才能原路返回，在腔中形成震荡。利用Brewster角是为了减少损失，提高分辨率（入射和反射到Brewsterprism上都是Brewster角）。Littrowprism是反射镜和Brewterprism的组合。用Littrowgrating代替Brewsterprism放置在腔外，对波成进行选择（只有一定波长的一级光能原路返回，在腔中共振）。二、横模抑制大部分激光器要求工作在单横模抑制高阶模：选定某镜面大小a，镜面距离L，使衰减00较小，10较大；或者增加空间滤波（光阑、光纤）N：Fresnel（菲涅尔）参数共焦腔平面腔在r=0处，TEM00TEM10,基模增益饱和高阶模增益抑止1000三、纵模选择纵模间隔(腔FSR)非均匀加宽增益：一般多纵模标准具：透过曲线进一步选单模连续扫描且保持单模：棱镜/光栅：角度标准具：角度、间距谐振腔：腔长补偿=2cdCavitymode(M1,M2)标准具Cavitymode(M1,M2,M3)Gainprismetalon1etalon2cavitymodesuppress(P1,P2)四、强度稳定（稳幅）1.电源起伏；2.气体放电不稳；3.灰尘光散射；4.腔镜振动；5.多模激光的模式竞争；6.CW染料激光的染料密度变化和气泡激光输出光强起伏的原因：稳幅方法：强度反馈控制通过功率反馈，调制激光器的控制电压通过功率反馈，通过调节Pockelcell的电压，从而控制输出光的偏振来控制功率Dyelaser强度稳定控制示意图和效果激光输出波长起伏的原因：（d、n起伏）1.长期漂移：温度、气压2.短期起伏：腔镜机械振动（最主要）、折射率声波起伏、放电起伏、染料射流起伏等五、单频激光的频率（波长）稳定（稳频）1，热张系数小材料2，导热系数大的基地材料3，冷吹风减少空气波动和尘埃的影响4，放置在真空室中，减少空气波动影响被动稳频（没有反馈，只是让腔绝对参数稳定）：主动稳频（有反馈，更加误差信号来调节腔参数）：稳频方法：温控、电流和PZT补偿反馈控制锁在峰顶：调制LIR（Lock-inRegulator）/PDH（Pound-Prever-HallDetector）锁在边坡：直流漂移PID密度ρ（g/cm3）弹性模量E（GPa）泊松比υ热膨胀系数α（10-6/K）导热率K（W/m•K）比刚度E/ρ（Gpa•g/cm3）表面粗糙度RMS（nm）ULE2.21670.170.0151330.3‹0.3Zerodur2.53920.24-0.091.336.4—Be1.852870.0711.3216155.1‹0.1RB-SiC3.043400.142.4170111.8›2.0期