激光的基本技术PPT.ppt

激光的基本技术 1 选模技术 2 稳频技术 3 光束变换技术 聚焦 准直 扩束 4 激光调制技术 5 激光偏转 激光的优点在于它具有良好的单色性 方向性和亮度高 理想的激光器输出光束应该只有一个模式 但是对于实际的激光器 如果不进行模式选择 它们的工作状态往往是多模的 含有高阶横模的激光束光强分布不均匀 光束发散角大 含有多纵模及多横模的激光器单色性差 在激光准直 激光加工 非线性光学 激光测距等领域都需要基横模激光束 在精密干涉测量 光通讯及全息照相等应用中更要求激光是单横模和单纵模光束 因此 设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是必要的 4 1激光器输出的选模 选模技术 选频技术利用选模技术 获得单模单频激光输出激光纵模选取 提高激光的相干性激光横模选取 提高激光亮度 横模的选择 在稳定腔中 基模的衍射损耗最小 随着横模阶次的增高 衍射损耗将迅速增加 谐振腔中不同的横模具有不同的衍射损耗是横模选择的物理基础 为了提高模式的鉴别能力 应该尽量增大高阶模式和基模的衍射损耗比 同时 还应该尽量增大衍射损耗在总损耗中占有的比例 衍射损耗的大小及模鉴别能力的值与谐振腔的腔型及菲涅耳系数有关 纵模的选择 一般的谐振腔中 不同的纵模具有相同的损耗 因而进行模式鉴别和选择时应可以利用不同纵模的不同增益 同时 也可以引入人为的损耗差 4 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宽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 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 图4 1均匀增宽型谱线纵模竞争 3 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 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 4 1 1激光单纵模的选取 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 3 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 2 法布里 珀罗标准具法 如图所示 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 图 4 2 法布里 珀罗标准具法示意图 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 能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为 谐振腔的纵模频率间隔为 腔内插入F P标准具法 调整F P标准具的参数 使得在增益线宽范围内 只有一个透射峰 同时在一个透射峰谱线宽度范围内只有一个模式起振 则可以实现单纵模工作 即选模条件为 1 选择合适的标准具光学长度 使标准具的自由光谱范围与激光器的增益线宽相当 使在增益线宽内 避免存在两个或多个标准具的透过峰 2 选择合适的标准具界面反射率 使得被选纵模的相邻纵模由于透过率低 损耗大而被抑制 使 m远大于 纵 从而使得在整个谱线宽度内只有一个 m具有最大透过率 如果我们再适当地调整 角 就可以使得具有最大透射率的 m正好等于激光器的多个纵模中的某个纵模q所对应的频率 q 这样就使得只有纵模q对标准具有较高的透射率而形成振荡 3 三反射镜法 如图所示 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 图4 3三反射镜法 两个谐振腔的纵模频率间隔分别为 4 1 2激光单横模的选取 横模选择的原则激光振荡的阈值条件为 G aa为总损耗系数 它可表示为 a i m d其中 i为激光束通过增益介质产生的损耗 m为激光束在谐振腔镜面上由于透射 散射和吸收等因素而产生的损耗 d为激光在谐振腔中因衍射而产生的损耗 则有G i m d选横模的实质是使需要的横模 一般为基模TEM00 满足上式产生振荡 而使不需要的横模 一般为高阶模 不满足上式而被抑制 从而达到滤去高阶模的目的 由于上式中的G i m对不同横模来说是相同的 因而满足振荡阈值条件主要由衍射损耗 d来决定 为了达到上述目的 应当尽量减小 i和 m 或相对增长 d 使得腔的总损耗a中衍射损耗 d能起决定作用 因而有利于选模 横模选择常遵循的原则是 必须尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比 差异 即尽量增大比值 10 00 使高阶横模相对基模而言更易于抑制而难于起振 必须尽量减小内部损耗 i及镜面上的损耗 m 而相对增大衍射损耗 d在总损耗a中的比例 一 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 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 图4 4腔的衍射损耗 4 分析衍射损耗时为了方便 经常引入参量 菲涅尔数 它定义为 单程衍射损耗表示为 对于共焦腔的基横模来说 衍射损耗只与菲涅耳数N有关 N越大则衍射损耗越小 菲涅耳数是表征谐振腔衍射损耗的一个特征参数 二 衍射损耗曲线 1 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 图画出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的曲线 1 N越大则越小 2 在同样的N下 横模序数越高则越大 3 在同样的N和同样的横模序数下 共焦腔的比平行平面腔的小得多 这是由于凹面镜的会聚作用使光能更集中于中心处的缘故 图中画出了对称腔TEM00模的单程衍射损耗随菲涅耳数的变化 在相同的N下 越接近于共焦腔 g 0 衍射损耗越小 基模体积问题某一模式的模体积用来描述该模式在腔内所扩展的空间范围 模体积大 对该模式的振荡起作用的激发态粒子数就多 因而 输出功率大 反之 模体积小 输出功率就小 基模体积是随腔型和g N参数变化而变化的 g 1 L R腔的结构参数 N菲涅尔数 由谐振腔理论分析可知 当考虑对称腔情况时 R1 R2 基模 TEM00 高斯光束的束腰W0可表示为 具有如下性质 当增大腔镜曲率半径R时 基模束腰W0亦随之增大 从而基模体积亦随之增大 所以平行平面腔有较大的基模体积 当R为一定值时 W0随腔L变化存在一极大值 可得出极大值条件为L R 共焦腔 以上性质在选模技术中具有实用意义 此外 横模选择也是单频激光器所要求的必要条件 只有在单横模的基础上选出单纵模才能获得激光的单频振荡 1 腔型及参数g N的选择谐振腔的横模选择是以腔内不同横模具有不同的衍射损耗为根据的 而不同的谐振腔类型及不同的腔参数 其衍射损耗又各不相同 通常在设计谐振腔时 适当选择腔类型和腔参数g N就可以获得基模输出 共焦腔 g 0 比值 10 00最大 这似乎有利于选模 然而共焦腔的基模损耗 00以及TEM10模的损耗 10都太小了 为了抑制高阶模 就必须减小腔的非涅尔数N N值减小 基模体积变小 使输出功率下降 若采用平行平面腔 虽比值 10 00不大 但 00及 10都较大 容许选择较大的N值 其TEM10模仍可处于不能振荡的抑制状态下 由于它们的基模体积较大 一旦实现单横模振荡 其输出功率就可能很高 三 激光单横模选择方法 2 光阑法选模目前光阑法选模最为普遍 也十分简单 只需在谐振腔中插入一个适当大小的小孔光阑 便可抑制高阶横模而获得基模输出 此法具有以下几种不同形式 小孔光阑选模由于基模具有最小的光斑尺寸 而其它高阶模的光斑尺寸则依次变大 所以对气体激光器 可采用选择放电管的毛细管直径的大小 来限制激活介质的横截面积 达到选模的目的 但对大多数固体激光器而言 激活介质的直径不可能做得太细 故欲抑制高阶横模 可在谐振腔中放置一个适当大小的小孔光阑 其孔径大小恰好阻止其余高阶横模而让TEM00模顺利通过 插入小孔光阑相当于减小腔镜的横截面积 即减小了谐振腔的菲涅尔数N 使 00及 10都有所增大 从而选出基模 小孔光阑半径应与基模光束的光斑尺寸W z 大致相等 即 r0 W z 由此可见 光阑放在腔内不同位置时 其光阑半径的大小r0是不同的 实验时 只需在激光器内插入一个光阑 逐步减小光阑的孔径 就可以使光束的模式转变到基模输出 聚焦光阑法小孔光阑法具有结构简单 调整方便等优点 但由于光阑较小 使基模体积变小 使输出功率下降较大 所以此法仅适用于增益较低的气体激光器 为了扩大基模体积 通常在谐振腔中安置透镜进行选模 如图所示 其原理是使腔内平行光束聚焦 再在焦点处插入一个小孔光阑 使得只有沿轴向行进的平行光束才能通过小孔往返振荡 而其它方向上的光束被小孔光阑所阻截 这种选模方法 扩大了激活介质的基模体积 从而提高了激活晶体的利用率 增大了激光输出功率 或能量 此法虽扩大了基模体积 但由于使用了二个透镜 增加了腔内损耗 而且调整困难 腔内存在聚焦光束 使光阑处的光功率密度过高 易使光阑烧坏 因此光阑材料须选用高熔点金属或蓝宝石一类特殊材料 故不适用大功率 大能量激光器件 图4 6聚焦光阑法 腔内望远镜法 猫眼 谐振腔将聚焦光阑装置再作改进 即将平面镜移到焦点处贴近光阑 在透镜处放置另一个较大的光阑 此称为 猫眼 腔 它具有高选模性 模体积大 腔长短 结构紧凑等优点 但腔镜处于焦点位置 要求镜面能耐受强光照射 图4 7腔内望远镜法 3 其它选模方法 棱镜选模方法 选模原理是基于临界角附近光束的反射率随入射角的变化而迅速变化 棱镜可如此放置 使之对于轴向附近很窄的范围 1 内的光线有高的反射率 入射光束 以临界角 c入射到面上 再经面全反射回来 凡偏离 c的光束 其反射率不高 于是作为高阶横模 其发散角较大 被滤掉 从而选现基模 饱和吸收染料选模 因TEM00模的功率密度高 在染料中很容易饱和而使染料变得透明 但高阶横模其功率密度低 不易 漂白 染料 两者的损耗具有较大的差异 从而达到选基模的目的 调节腔镜选模 光学谐振腔的反射镜主光轴与激活介质的轴线重合时 不同横模的衍射损耗都较小 当镜轴与腔轴偏离时 则不同横模的衍射损耗都会相应增加 因高阶横模损耗大 受到影响较大 而基横模损耗小 受到影响小 容易获得基模输出 但输出功率会因此而下降 四 高阶横模的抑制 一般说来 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 两种常用的抑制高阶横模的方法如下 1 调节反射镜 2 腔内加光阑 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 如图所示 4 2激光器的稳频 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 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 4 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 当L的变化为 L 的变化为 时 引起的频率相对变化为 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 4 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 4 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 2 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 当压电陶瓷外表面加正电压 内表面加负电压时压电陶瓷伸长 反之则缩短 因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长 图4 10稳频原理 4 2 3兰姆凹陷法稳频 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 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 4 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 4 2 4饱和吸收法稳频 4 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 图 4 14 反转兰姆凹陷 4 3激光束的变换 4 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 2 从光波的角度看 薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径 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 则如图所示 成像公式可改写为 图4 15球面波通过薄透镜的变换 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 3 将透镜的变换应用到高斯光束上 入射为高斯光束 出射仍为高斯光束 如图所示 有以下关系 图4 16高斯光束通过薄透镜的变换 4 由 和 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 图4 16高斯光束通过薄透镜的变换 这样我们可以通过入射光束的 来确定出射光束的 了 另一方面 1 短焦距 即 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 短焦距时出射高斯光束束腰位置 图4 17短焦距透镜的聚焦 出射光束束腰在透镜后焦点处 4 聚焦点的光斑尺寸 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 图4 17短焦距透镜的聚焦 5 缩小聚焦点光斑尺寸的方法 第一种方法就是要采用焦距小的透镜 第二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 后获得微小的 0 图4 19用两个凸透镜聚焦 缩短或加大 6 聚焦光斑物象关系 结论 不论是聚焦点的位置 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 这与几何光学中物 象尺寸的比例关系是一致的 4 3 2高斯光束的聚焦 2 入射高斯光束的腰位于透镜前焦面时的聚焦情形 1 束腰位置 这个特性与几何光学的规律不相同 2 出射光束束腰大小 3 只要和相差不大 高斯光束的聚焦特性与几何光学的规律迥然不同 4 3 3高斯光束的准直 1 高斯光束的准直 改善光束的方向性 压缩光束的发散角 2 增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角 因为 图4 17短焦距透镜的聚焦 3 选用两个透镜 短焦距的凸透镜和焦距较长的凸透镜可以达到准直的目的 图 4 20 倒装望远镜系统压缩光束发散角 M 是高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比 M是倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数 由于f2 f1 所以M 1 又由于 0 因此有M M 1 4 4激光调制技术 4 4 1激光调制的基本概念 1 激光调制就是把激光作为载波携带低频信号 2 激光调制可分为内调制和外调制两类 这里讲的主要是外调制 激光的瞬时光场的表达式 瞬时光的强度为 若调制信号是正弦信号 则 激光幅度调制的表达式为 激光强度调制的表达式为 激光频率调制的表达式为 激光相位调制的表达式为 3 激光调制方式 4 4 2电光强度调制 1 图 4 21 a 是一个典型的电光强度调制的装置示意图 它由两块交叉偏振片及其间放置的一块单轴电光晶体组成 偏振片的通振动方向分别与x y轴平行 图 4 21 电光调制装置示意图 2 设某时刻加在电光晶体上的电压为V 入射到晶体的在x方向上的线偏振激光电矢量振幅为E 则 通过晶体后沿快轴和慢轴的电矢量振幅都变为 沿和方向振动的二线偏振光之间的位相差 通过通振动方向与y轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅见图4 21 b 分别为 则有 其相互之间的位相差为 则有 4 4 2电光强度调制 3 图 4 22 画出了曲线的一部分以及光强调制的情形 为使工作点选在曲线中点处 通常在调制晶体上外加直流偏压来完成 图 4 22 I I0 V曲线 4 如外加信号电压为正弦电压 电压幅值较小 则输出光强近似为正弦形 4 4 3电光相位调制 1 图 4 23 相位调制装置示意图 加电场后 振动方向与晶体的y 轴相平行的光通过长度为的晶体 其位相增加为 图 4 23 相位调制装置示意图 2 晶体上所加的是正弦调制电场 光在晶体的输入面 z 0 处的场矢量大小是 则在晶体输出面 z l 处的场矢量大小可写成 式中 为相位调制度 4 5激光偏转 4 5 1机械偏转 1 机械偏转是利用反射镜或多面反射棱镜的旋转或反射镜的振动实现光束扫描 3 施加电压后 上 下层棱镜中传播时光的折射率为 4 5 3声光偏转 1 图 4 25 所示为一块均匀的透明介质如熔融石英 其一端为超声发生器 作正弦振动 当在透明介质的另一端为声波的反射介质时 满足一定的几何要求就会在介质内产生驻波 驻波按照正弦规律变化 所以介质的折射率以空间周期在空间呈正弦变化 图 4 25 超声波在透明介质中的传播 2 如图 4 26 所示 当光线在满足布拉格条件的衍射角入射到光栅上时 衍射光也与衍射体光栅的等折射率面成出射 图 4 26 布拉格条件下的衍射