激光器特性的控制与改善

第 七 章 激 光 器 特 性 的 控 制 与 改 善7.1 模 式 选 择 7.2 频 率 稳 定7.3 Q调 制 7.4 注 入 锁 定7.5 锁 模模 式 选 择 、 稳 频 及 注 入 锁 定 技 术 ： 改 善 激 光 器 输 出 光 的 时 间 相 性 或 空 间 相 干 性 。Q调 制 、 锁 模 ： 获 得 窄 脉 冲 高 峰 值 功 率 的 激 光 束 。 本 章 介 绍 以 上 控 制 与 改 善 激 光 器 特 性 的 各 种 技 术 的 原理 及 其 理 论 。 模 的 基 本 特 征 主 要 包 括 ：1、 电 磁 场 空 间 分 布 E(x,y,z)， 包 括 腔 的 横 截 面 内 的 场 分 布 （ 横 模 ） 和 纵 向 场 分 布 （ 纵 模 ） ；2、 谐 振 频 率 ；3、 在 腔 内 往 返 一 次 经 受 的 相 对 功 率 损 耗 ；4、 每 一 个 模 的 激 光 束 发 散 角 。腔 的 参 数 唯 一 确 定 模 的 基 本 特 征 。腔 的 模 式 也 就 是 腔 内 可 能 区 分 的 光 子 状 态 。 横模阶数越高, 光强分布就越复杂且分布范围越大, 因而其光束发散角越大。横模:在谐振腔的横截面内激光光场的分布. 图 7.1-1 不 同 横 模 的 光 场 强 度1.基模 (TEM00) 的光强分布图案呈圆形且分布范围很小, 其光束发散角最小, 功率密度最大，因此亮度也最高，径向强度分布是均匀的。2.经过选模之后，输出功率可能有所降低, 但由于发散度的改善，其亮度可提高几个数量级, 横模选择技术是使激光发散角小。 一 台 激 光 器 的 谐 振 腔 中 可 能 有 若 干 个 稳 定 的 振 荡 模 ， 只 要 某 一 种模 的 单 程 增 益 大 于 其 单 程 损 耗 ， 即 满 足 激 光 振 荡 条 件 ， 该 模 式 就有 可 能 被 激 发 而 起 振 。 设 谐 振 腔 两 端 反 射 镜 的 反 射 率 分 别 为 r1、 r2，单 程 损 耗 为 ， 单 程 增 益 系 数 为 G， 激 光 工 作 物 质 长 度 为 L， 则 初始 光 强 为 I0的 某 个 横 模 (TEMmn)的 光 在 谐 振 腔 内 经 过 一 次 往 返 后 ，由 于 增 益 和 损 耗 两 种 因 素 的 影 响 ， 其 光 强 变 为 :一 .横 模 选 择 原 理7.1 横模选择技术)2exp()1( 2210 GLrrII 激 光 器 即 可 实 现 单 横 模 (TEM00)运 转 。 阈 值 条 件 为 II0 即 I / I0 1由 此 得 出 r1r2(1- )2 exp(2GL)1下 面 考 察 两 个 最 低 阶 次 的 横 模 TEM00和 TEM10模 的 情 况 ，认 为 激 活 介 质 对 各 横 模 的 增 益 系 数 相 同 ， 当 同 时 满 足 下列 两 个 不 等 式 ： )exp()1( 0021 GLrr 1)exp()1( 1021 GLrr 1 谐 振 腔 存 在 两 种 不 同 性 质 的 损 耗 ， 一 种 是 与 横 模 阶 数 无 关 的 损 耗 ；另 一 种 则 是 与 横 模 阶 数 密 切 相 关 的 衍 射 损 耗 ， 在 稳 定 腔 中 ， 基 模 的 衍射 损 耗 最 小 ， 随 着 横 模 阶 数 的 增 高 ， 其 衍 射 损 耗 也 逐 渐 增 大 。 由 图 可 见 ， 在 菲 涅 耳 数 N值 相 同 的 情 况 下 , 对 称 稳 定 腔 的 衍 射 损 耗随 |g|的 减 小 而 降 低 。 谐 振 腔 对 不 同 阶 横 模 有 不 同 衍 射 损 耗 的 性 能是 实 现 横 模 选 择 的 理 论 基 础 。| g | = | 1-L/R |图 5.2-1 不 同 构 形 对 称 谐 振 腔 的 衍 射 损 耗 随 N的 变 化N=2 / (L) ， (a) TEM00模 N=2 / (L) ， (b) TEM10模100 图 5.2-2 各 种 对 称 腔 的 10/00与 N的 关 系横 模 的 鉴 别 力 随 N的 增 加 而 变 大 ， 但衍 射 损 耗 随 N的 增加 而 减 小 ; N要 选 择适 当 (折 中 一 下 ：一 般 0.5-2) 其 一 ， 衍 射 损 耗 在 模 的 总 损 耗 中 必 须 占 有 重 要 地 位 。其 二 ， 横 模 选 择 除 了 考 虑 各 横 模 衍 射 损 耗 的 绝 对 值 大 小 之 外 ， 还 应 考虑 横 模 的 鉴 别 能 力 ：即1000比值大。 一 类 是 改 变 谐 振 腔 的 结 构 和 参 数 以 获 得 各 模 衍 射 损 耗 的 较 大 差 别 ， 提高 谐 振 腔 的 选 模 性 能 ；另 一 类 是 在 一 定 的 谐 振 腔 内 插 入 附 加 的 选 模 元 件 来 提 高 选 模 性 能 。二 、 横 模 选 择 的 方 法 图 5.2-2示 出 了 共 焦 腔 的 10 00 比 值 与 菲 涅 耳 数 的 关 系 。 由 图可 见 ， 当 一 定 , |g| 参 数 小 ， 10 00 大 ， 但 00和 10值 也 小 ， 这 样 要选 出 基 模 并 抑 制 高 阶 模 ， 只 有 靠 减 小 菲 涅 耳 数 来 提 高 模 损 耗 值 。 但是 值 太 小 时 ， 模 体 积 很 小 ， 输 出 功 率 也 就 很 低 。 对 常 用 的 大 曲 率 半径 的 双 凹 球 面 稳 定 腔 来 说 , 选 择 菲 涅 耳 数 在 0.5到 2.0之 间 比 较 合 适 。1.谐 振 腔 参 数 g 和 的 选 择 法 采 用 小 孔 光 阑 作 为 选 模 元 件 插 入 腔 内 是 固 体 激 光 器 中 常 用 的 选 模 方 法 , 如图 5.2-7所 示 。 对 于 共 心 腔 , 这 种 方 法 尤 其 有 效 。 由 于 高 阶 横 模 的光 腰 比 基 模 的 大 ， 如 果 光 阑 的 孔 径 选 择 得 适 当 ， 就 可 以 将 高 阶 横 模 的 光 束 遮 住一 部 分 ， 而 基 模 则 可 顺 利 通 过 。 腔 内 插 入 小 孔 光 阑 相 当 于 减 小 腔 镜 的 横 模 截 面 ，即 减 小 了 腔 的 菲 涅 耳 数 ， 因 而 各 阶 模 的 衍 射 损 耗 加 大 。 只 要 小 孔 光 阑 的 孔 径选 择 适 当 便 可 选 出 基 模 。2.小 孔 光 阑 法 选 模 图 5.2-7 小 孔 光 阑 选 模 Lra图 5.2-8共 心 腔 两 低 阶 模 衍射 损 耗 与 光 阑 孔 径 的 关 系 % 图 5.2-9 共 心 腔 10 / 00与 光 阑 孔 径 的 关 系 图 5.2-10 聚 焦 光 阑 法 选 模 这 种 方 法 是 在 谐 振 腔 内 插 入 透 镜 或 透 镜 组 配 合 小 孔 光 阑 进 行 选 模 ， 光 阑 放在 透 镜 的 焦 点 上 。 这 样 光 束 在 腔 内 传 播 时 可 经 历 较 大 的 空 间 。 图 5.2-10所 示 是一 种 腔 内 加 有 两 个 透 镜 的 选 模 腔 型 示 意 图 。 光 束 通 过 小 孔 光 阑 时 ， 光 束 边 缘部 分 的 高 阶 模 因 光 阑 阻 挡 受 到 损 耗 而 被 抑 制 掉 ， 既 保 持 了 小 孔 光 阑 的 选 模 特性 ， 又 扩 大 了 基 模 体 积 ， 可 增 大 激 光 输 出 的 功 率 。3.腔 内 插 入 透 镜 选 横 模 这 种 方 法 虽 然 扩 大 了 基 模 模 体 积 ， 但 附 加 了 两 个 透 镜 而 增 加 了 腔 的 插 入 损耗 ， 并 给 调 整 带 来 困 难 。 为 了 简 化 系 统 并 减 小 损 耗 ， 可 用 一 个 凹 面 反 射 镜 取 代 右 边 的 透 镜 和 平 面反 射 镜 ， 如 图 5.2-11所 示 。 但 要 求 凹 面 反 射 镜 的 曲 率 中 心 与 透 镜 的 焦 点 重 合 。 2q3.纵 模 间 隔 1 1 2 2 2q q q c c cq qL L L 2.多 纵 模 情 况 下 ， 不 同 的 纵 模 对 应 腔 内 不 同 的 驻 波场 分 布 ,纵 模 序 数 q 对 应 驻 波 场 波 节 个 数 纵 模 场 分 布 的 特 点1.场 沿 腔 的 轴 线 方 向 形 成 驻 波 ， 驻 波 的 波 节 数 为 q， 波长 为 q。纵 模 间 隔 与 序 数 q无 关 ， 在 频 率 尺 度 上 等 距 排 列 ； “ 频 率 梳 ” 纵 模 间 隔 大 小 与 腔 长 成 反 比 。 0q q 激 光 器 的 振 荡 频 率 范 围 是 由 工 作 物 质 的 增 益 谱 线 的 宽 度 决 定 的 ，而 产 生 多 纵 模 振 荡 数 则 是 由 增 益 线 宽 和 谐 振 腔 两 相 邻 纵 模 的 频 率 间 隔决 定 的 ， 即 在 增 益 线 宽 内 ， 只 要 有 几 个 纵 模 同 时 达 到 振 荡 阈 值 ， 一 般都 能 形成振荡。如以0表示增益曲线高于阈值部分的宽度，相邻纵模的频率间隔为q，则可能同时振荡的纵模数。 qn 0 一 .纵 模 选 择 原 理 q 0 如 果 激 光 工 作 物 质 具 有 发 射 多 条 不 同 波 长 的 激 光 谱 线 ， 那 么 ，在 纵 模 选 择 之 前 ， 必 须 将 频 率 进 行 粗 选 , 将 不 需 要 的 谱 线 抑 制掉 。 例 如 , He-Ne激 光 器 ， 可 发 射 623.8 nm， 1.15 m = 1150 nm， 3.39 m = 3390 nm三 条 谱 线 。二 .纵 模 选 择 的 方 法 (色 散 腔 粗 选 频 率 、 短 腔 法 、 标 准 具 法 ）1.色 散 腔 粗 选 频 率 He-Ne laser: 632.8nm, 1.15 , 3.39 激 光 振 荡 的 可 能 纵 模 数 主 要 由 工 作 物 质 的 增 益 线 宽 0和 谐 振 腔 的 纵 模间 隔 q决 定 。 而 纵 模 间 隔 与 腔 长 成 反 比 ， 因 此 选 择 单 纵 模 的 方 法 之 一 是 缩 短谐 振 腔 的 长 度 , 以 增 大 q， 使 得 在 0范 围 内 只 存 在 一 个 纵 模 ， 而 其 余 的 纵模 都 位 于 0之 外 ， 如 图 5.3-3所 示 nLcq 2 .短 腔 法 图 5.3.3 短 腔 法选 模 原 理 7.2 频率稳定7.2 频 率 稳 定当 谐 振 腔 内 折 射 率 均 匀 时 ， 单 纵 模 单 横 模 激 光 器 的 纵 模 频 率 q为 ：2q cq L 频 率 q在 一 定 的 范 围 内 漂 移 ： qq q LLL L (7.2.1) 定 义 :频 率 稳 定 度 来 描 述 激 光 器 的 频 率 稳 定 特 性 ， 它 表 示 在某 一 测 量 时 间 间 隔 内 频 率 的 漂 移 量 |与 频 率 的 平 均 值 之 比 。/ 本 节 将 介 绍 塞 曼 稳 频 、 饱 和 吸 收 稳 频 及 无 源 腔 稳 频 等 三 种 稳 频 方 法的 原 理 。 7.2 频率稳定赛 曼 稳 频 利 用 塞 曼 效 应 稳 频 的 方 法 可 分 为 纵 向 塞 曼 稳 频 (外 磁 场 方 向与 激 光 管 轴 线 平 行 )、 横 向 塞 曼 稳 频 及 塞 曼 吸 收 稳 频 (利 用 腔 内 吸收 介 质 的 塞 曼 效 应 稳 频 )等 三 种 。频 率 稳 定 特 性 包 含 ： 频 率 稳 定 性 及 频 率 复 现 性频 率 稳 定 性 描 述 激 光 频 率 在 参 考 标 准 频 率 vs附 近 的 漂 移 ；频 率 复 现 性 指 参 考 标 准 频 率 vs本 身 的 变 化 。/s s s 7.2 频率稳定 加 磁 场 后 ， 光 谱 线 发 生 塞 曼 分 裂 ， 沿 着 磁 场 方 向 观 察 时 ， 谱线 分 裂 为 中 心 频 率 为 0右 的 右 旋 圆 偏 振 光 以 及 中 心 频 率 为 0右 的左 旋 圆 偏 振 光 。 随 着 光 谱 线 的 分 裂 ， 增 益 曲 线 和 色 散 曲 线 也 发 生 分 裂 ， 如 图7.2.6所 示 。 7.2 频率稳定 如 果 无 源 腔 频 率 0q= 。 ， 塞 曼 分 裂 后 的 有 源 腔 频 率 对 称 地分 布 于 0的 两 侧 ， 左 旋 光 与 右 旋 光 具 有 相 同 的 小 信 号 增 益 系 数 ，并 因 此 具 有 相 等 的 输 出 光 强 。 若 0q不 等 于 。 ， 则 左 旋 光 光 强 不等 于 右 旋 光 光 强 。 双 频 激 光 器 稳 频 的 方 法 之 一 ， 就 是 测 出 二 圆 偏 振 光 输 出 功 率之 差 值 ， 以 此 作 为 鉴 频 的 误 差 信 号 。 双 频 稳 频 激 光 器 的 频 率 稳 定 性 可 达 10-10 10-11， 频 率 复 现 性 为10-710-8。 7.4 注入锁定7.4 注 入 锁 定 用 一 束 弱 的 、 性 能 优 良 的 激 光 束 控 制 一 个 强 激 光 器 输 出 光 束的 光 谱 特 性 、 模 式 相 位 特 性 及 空 间 特 性 ， 即 激 光 注 入 锁 定 技 术 。注 入 锁 定 现 象 可 分 为 两 类 : 连 续 激 光 器 的 注 入 锁 定 :在 一 连 续 激 光 振 荡 器 中 注 入 一 弱 的单 色 激 光 信 号 ， 若 注 入 光 信 号 频 率 1足 够 接 近 激 光 器 的 自 由振 荡 频 率 ， 则 激 光 振 荡 可 完 全 为 注 入 信 号 控 制 ， 激 光 器 振 荡模 式 的 频 率 跃 变 为 1， 相 位 与 注 入 信 号 同 步 。 脉 冲 激 光 器 的 注 入 锁 定 :在 调 Q或 增 益 开 关 激 光 器 启 动 过 程中 注 人 一 弱 信 号 ， 可 使 频 率 与 注 入 信 号 频 率 最 接 近 的 模 式 优先 起 振 ， 其 他 模 式 被 抑 制 ， 实 际 上 激 光 振 荡 并 未 被 注 入 信 号真 正 锁 定 ， 激 光 频 率 仍 为 激 光 器 自 由 振 荡 的 频 率 。 7.4 注入锁定注入锁定的实际意义： 利 用 注 入 锁 定 ， 可 由 一 个 功 率 较 小 、 但 窄 线 宽 、 单 模 运 转 、频 率 稳 定 的 激 光 器 来 控 制 一 个 高 功 率 或 动 态 调 治 激 光 器 的 光 束 质量 。 与 可 达 到 同 样 目 的 的 光 放 大 技 术 相 比 ， 具 有 功 率 转 换 效 率 高 、装 置 小 等 优 点 。 注 入 锁 定 不 仅 能 影 响 激 光 器 的 频 域 特 性 ， 也 可 用 于 控 制 激 光器 模 式 的 相 位 特 性 或 空 间 特 性 。