第四章激光的基本技术

1激光原理任课教师：马靖[e-mail]2激光原理第四章激光的基本技术4.1激光器输出的选模4.2激光器的稳频4.3激光束的变换4.4激光调制技术4.5激光偏转技术4.6激光调Q技术4.7激光锁模技术第四章激光的基本技术3§4.1激光器输出的选模第四章激光的基本技术4激光的选模(选频)技术激光纵模的选模-----选频技术激光横模的选模-----选模技术均匀增宽型介质与非均匀增宽型介质增益曲线均匀增宽型介质的增益曲线非均匀增宽型介质的增益曲线第四章激光的基本技术54.1.1激光单纵模的选取1.均匀增宽型谱线的纵模竞争(1)当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。图4-1均匀增宽型谱线纵模竞争第四章激光的基本技术6(2)多纵模的情况下，如图所示，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件。随着腔内光强逐步增强，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光强继续增长，最后变为曲线3的情形。若此时的光强为Iq，则有，于是振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模的振荡。阈GIνGqq),(纵模竞争:通过增益饱和,某个纵模逐渐把其它纵模的振荡抑制下去,最后只剩下该枞模振荡的现象。第四章激光的基本技术72.非均匀增宽型谱线的多纵模振荡非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模第四章激光的基本技术83.单纵模的选取(1)短腔法：两相邻纵模间的频率差，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度)2(Lcνqqν缺点腔长受到限制,增益介质工作长度受到限制,输出功率受到限制,甚至没有激光输出。第四章激光的基本技术9(2)法布里-珀罗标准具法：在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里-珀罗标准具由于多光束干涉的结果，对于满足下列条件的光具有极高的透射率222sin2dmcνm能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为:222sin2dcνm第四章激光的基本技术10(3)三反射镜法如图，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合只有同时满足上面两个谐振条件的光才能形成振荡,只要取L2+L3足够小，就可以单枞模输出)LL(2c32短)LL(2c21长两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：第四章激光的基本技术114.1.2激光单横模的选取1.衍射损耗和菲涅耳数(1)由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。(2)如图所示的球面共焦腔，镜面上的基横模高斯光束光强分布可以表示为)2exp()(220SII图4-4腔的衍射损耗LyxeCu220000Lyxωsss22第四章激光的基本技术12(3)单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率与射向镜面的总光功率之比2122expaD21020212002)2exp(2)(IdIdI)2exp(22)('212210aIdIa(4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的参量，它定义为LLaN12N2expD第四章激光的基本技术132.衍射损耗曲线(1)图4-5给出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的衍射损耗—菲涅尔数曲线。图4-5不同腔的衍射损耗曲线第四章激光的基本技术143.光阑法选取单横模基本做法：在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑，让基横模光束顺利通过，而将高阶横模抑制小孔光阑的半径r0可以选取为放置小孔光阑处的光束有效截面半径22000)z(1)z(r第四章激光的基本技术154.聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模(1)聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率。(2)腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7所示。图4-6聚焦光阑法图4-7腔内望远镜法理解纵模竞争的物理意义本节重点：作业：P99：1，2了解基本的选频及选模方法第四章激光的基本技术17§4.2激光器的稳频第四章激光的基本技术18稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比ννS复现性是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量ννR第四章激光的基本技术194.2.1影响频率稳定的因素1.腔长变化的影响对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为：Lcqν2当L的变化为L，的变化为时，引起的频率相对变化为：)(LLνν(1)温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架(2)机械振动：采取减震措施2.折射率变化的影响(1)内腔激光器:温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略(2)外腔和半内腔激光器:腔的一部分处于大气之中，温度T、气压P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T、P、h的脉动。第四章激光的基本技术204.2.2稳频方法概述1.被动式稳频利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合。把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。2.主动式稳频(1)把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。(2)把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如饱和吸收法。第四章激光的基本技术214.2.3兰姆凹陷法稳频1.兰姆凹陷的中心频率即为谱线的中心频率，在其附近频率的微小变化将会引起输出功率的显著变化。这种稳频激光器的基本结构如图4-8所示图4-8兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构0ν第四章激光的基本技术222.腔长自动补偿系统的方框图如图4-9所示图4-9兰姆凹陷法稳频方框图压电陶瓷加一直流电压：使初始频率为压电陶瓷上还需加一频率为f(约为lkHz)、幅度很小(只有零点几伏)的交流讯号，此讯号称为“搜索讯号”0ν第四章激光的基本技术23图4-10稳频原理3.图4-10为稳频原理示意图。假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引起激光频率由偏至，与的位相正好相反0νAνPν假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩短，引起激光频率由偏至，与的位相正好相同0νBνPν在中心频率附近0，不论是小于0还是大于0，其结果都是使输出功率P增加，而且此时P将以频率2f变化第四章激光的基本技术24图(4-11)不同同位素对兰姆凹陷的影响4.注意事项第一、激光器的激励电源是稳压和稳流的。第二、氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率大小有关。第四章激光的基本技术254.2.4饱和吸收法稳频1.饱和吸收法稳频的示意装置如图4-12所示。2.与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线上也有一个吸收凹陷，如图4-13所示图4-12饱和吸收法稳频的装置示意图图4-13吸收介质的吸收曲线3.由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中心形成的凹陷比激光管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。第四章激光的基本技术264.激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单程增益和吸收管中的单程吸收的差，即)(νG)(νA)()()(νAνGνG净如图4-14(a)，只有频率调到附近激光才能振荡。0ν如图4-14(b)，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。图(4-14)反转兰姆凹陷了解基本的稳频方法本节重点：第四章激光的基本技术28§4.3激光束的变换第四章激光的基本技术294.3.1高斯光束通过薄透镜时的变换1.透镜的成像公式：，注意参数的正负。薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径。fss1112.从光波的角度看，规定发散球面波的曲率半径为正，会聚球面波的曲率半径为负，则如图4-15所示，成像公式可改写为：fRR111图4-15球面波通过薄透镜的变换第四章激光的基本技术30实际问题中，通常和是已知的，此时，则入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别为：0ssz0])(1[220ssR2200)(1s3.将透镜的变换应用到高斯光束上。如图所示，有以下关系：fRR111①图4-16高斯光束通过薄透镜的变换②第四章激光的基本技术314.由①和②式可求得出射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径。R2200220)s(1])s(1[sR这样我们可以通过入射光束的、来确定出射光束的、了。0s0s2200220)s(1])s(1[sRf1R1R1图4-16高斯光束通过薄透镜的变换)f,s,(h'R022220)R(122)R(1Rs)f,s,(g'0第四章激光的基本技术320s0sfRR111高斯光束特性公式对高斯光束的薄透镜变换要考虑到高斯光束的束腰位置及束腰半径第四章激光的基本技术33(1)短焦距：即fR4.3.2高斯光束的聚焦1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形(2)短焦距时fRf1fRfffs])(1[22fR12222])f(1[f)''R(1'Rs1f2第四章激光的基本技术34(3)在满足条件和的情况下，出射的光束聚焦于透镜的焦点附近。如图4-17所示，这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。fR12f图4-17短焦距透镜的聚焦第四章激光的基本技术35(4)由前面的结论可得：f01ffRfR212222222222220])f(1[)f()f(1)f()f(1f0第四章激光的基本技术36(5)即缩短和加大都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的。f0f前一种方法就是要采用焦距小的透镜后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大；另一种办法就是加大入射光的发散角从而加大，加大入射光的发散角又可以有两种做法，如图4-18和图4-19图4-18用凹透镜增大ω后获得微小的ω’0图4-19用两个凸透镜聚焦2200)s(1022第四章激光的基本技术37(6)22000)s(1f这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。不论是求聚焦点的位置，还是求会聚光斑的大小，都可以在一定的条件下把高斯光束按照几何光学的规律来处理1)s()s(1fs)s(1f22022002022000fssf00s'ssf00第四章激光的基本技术382.入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的情形(1)])s(1[sRfs220220022220)s(1)R(1Rs])f(1[fRf1R1R1])f(1[fR220fs2.入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的情形第四章激光的基本技术39(2)同理有：2200)s(1fs(3)根据高斯光束的渐变性可以设想，只要s和f相差不大，高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。00f222202202200)R(1])f(1[fR)f(1