第4章激光的基本技术1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章 激光的基本技术,(1),4.1,激光器输出的选模,4.2,激光器的稳频,1,4.1.1,激光单纵模的选取,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。,(2),多纵模的情况下，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。,(3),若此时的光强为,I,q,，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。这种现象叫做“纵模的竞争”，竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来。,(4),在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较强时，也可能有比较弱的其他纵模出现，如何解释？这种现象称为模的“空间竞争”。,图,4-1,均匀增宽型谱线纵模竞争,2,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。,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,缺点：,腔长受到限制，从而限制输出功率；当谱线荧光宽度很宽时，势必使腔长缩到很短。,(2),法布里,-,珀罗标准具法。,(3),三反射镜法。,3,用法布里波罗标准具选纵模,在激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里波罗标准具，可以进行纵模的选取,法布里波罗标准具用透射率很高地材料制成，两个端面平行且镀有高反射率地反射膜。由于多光束干涉的结果，只允许若干个很窄的频率带宽的光通过，其透过光的频率为,获得最大透射率的两相邻频率间隔,适当的调整 角，就可以达到选频的目的,图,(4-2),法布里,-,珀罗标准具法示意图,4,三反射镜法选纵模,激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中,M,3,和,M,4,为全反射镜，,M,2,是具有适当透射率的部分透射部分反射镜,这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由,M,1,、,M,3,组成，其腔长为,L,1,+L,2,；,另一个由,M,3,、,M,4,组成，其腔长为,L,2,+L,3,，,两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：,c,/,2,(L,1,+L,2,),和,c,/,2,(L,2,+L,3,),只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要,L,2,+L,3,足够小就可以获得单纵模输出,图,4-3,三反射镜法,5,图,4-4,腔的衍射损耗,4.1.2,激光单横模的选取,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,4-4,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,(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,(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,6,衍射损耗曲线,衍射损耗与菲涅耳数,N,的关系一般是比较复杂的，往往写不出解析的表达式而需要用计算机进行数字计算。因此，通常都是将计数结果画成曲线，这就是所谓的衍射损耗曲线,图示为圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的 曲线,图,4-5,不同腔的衍射损耗曲线,7,高阶横模的抑制,抑制高阶横模需要两方面的条件：,一方面是要求基横模光束的衍射损耗小，使得基横模不仅满足振荡的阈值条件，而且有较大的功率输出；另一方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大。下面介绍两种常用的抑制高阶横模的方法。,光阑法选取单横模：,高阶横模的光束截面比基横模大，故减小增益介质的有效孔径,a,，,从而减小菲涅耳数,N,，,就可以大大增加高阶横模的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。最简单的办法就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光阑（用于增益较低的气体激光器）。,聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模。,8,聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模,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。,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,9,频率的稳定性,稳定度：,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,复现性：,激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量,对共焦腔的,TEM,00,模来说，谐振频率的公式可以简化为：,当,L,的变化为,L,，,的变化为,时，引起的频率相对变化为：,一般希望稳定度和复现度都在,10,-8,以上。目前稳定度一般在,10,-9,左右，较高的可达,10,-11,10,-13,；复现度一般在,10,-7,左右，高的可达,10,-10,10,-12,。,10,影响频率稳定的因素,腔长变化的影响,温度变化：,一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔,机械振动：,采取减震措施,折射率变化的影响,内腔激光器,:,温度,T,、气压,P,、湿度,h,的变化很小，可以忽略,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,11,4.2.2,稳频方法概述,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，以便热膨胀互相抵消，这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况,主动式稳频：,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。,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。,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。,12,4.2.3,兰姆凹陷法稳频,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。,图,4-8,兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构,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,”,13,兰姆凹陷法稳频,图,4-10,为稳频原理示意图。,图,4-10,稳频原理,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,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,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,图,(4-11),不同同位素对兰姆凹陷的影响,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。,14,4.2.4,饱和吸收法稳频,饱和吸收法稳频的示意装置如,图,4-12,所示。,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,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。,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,15,饱和吸收法稳频,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,如,图,4-14(,a),，只有频率调到 附近激光才能振荡。,如,图,4-14(,b),，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。,反转兰姆凹陷比兰姆凹陷的宽度窄，其中心频率两侧的斜率比兰姆凹陷曲线两侧的斜率大，故可以减小搜索信号的幅度以提高稳定性,图,(4-14),反转兰姆凹陷,16,