激光原理-第四章.

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1、1,激光原理,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,3,4.1 激光器输出的选模,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,5,4.1.1 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

2、均匀增宽型谱线纵模竞争,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。,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。,7,2.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,8,3.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

3、宽度,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。,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,能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为:,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,两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：,

4、11,4.1.2 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,图4-4 腔的衍射损耗,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,(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,13,2.衍射损耗曲线,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,14,3.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

5、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,15,4.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,17,4.2 激光器的稳频,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,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,19,4.2.1 影响频率

6、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。,20,4.2.2 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

7、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,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。,21,4.2.3 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

8、4-8 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构,22,2.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”,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,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

9、化,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。,25,4.2.4 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。,26,4.激光通过激光管和吸收管时所

10、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,了解基本的稳频方法,本节重点：,28,4.3 激光束的变换,29,4.3.1 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。,薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径。,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：,图4-15 球面波通过薄透镜的变换,30,实际问题中，通常 和 是已知的，此

11、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。如图所示，有以下关系：,图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换,31,4. 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 。,这样我们可以通过入射光束的 、 来确定出射光束的 、 了。,图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换,32,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,33,(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,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

12、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。,图4-17 短焦距透镜的聚焦,35,(4) 由前面的结论可得：,36,(5) 即缩短 和加大 都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的。,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 用凹透镜增大后获得微小的0,图4-19 用两个凸透镜聚焦,37,(6),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

13、束按照几何光学的规律来处理,38,2.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,(1),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,39,(2)同理有：,(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。,反比关系,40,4.3.3 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。,可以看出，增大出射光束的束腰就可以缩小光束 的发散角。,需要缩小入射光束束腰半径,41,3.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,

14、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f2f1，所以M1。 又由于0，因此有M M 1,” ,42,4.3.4 高斯光束的扩束,1.高斯光束的扩束：扩大光斑的光斑尺寸。,1. 可以通过扩大发散角来扩大光斑尺寸。 2。若要求出射光束光斑大，且发散角小，则需要用如图420 所示的倒置望远镜系统。,43,入射光束 0及s,入射高斯光束在 镜面处的及R,出射高斯光束在 镜面处的及R,出射光束 0及s,(3-44),(3-45),(3-44),(3-45),(4-17),(4-18),高斯光束通过薄透镜的变换,小结：,44,高斯光束的聚焦,1.高斯光束

15、入射到短焦距透镜时的聚焦情形,类似于几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况。,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,类似于几何光学中物、象的尺寸比例关系。,45,2.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,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。,反比关系,46,高斯光束的扩束扩大光束光斑尺寸,倒装望远镜系统压缩光束发散角,发散角压缩比：,高斯光束的准直压缩光束的发散角,凸透镜：缩小束腰，扩大发散角,凹透镜：扩大发散角,掌握高斯光束通过薄透镜时的变换,本节重点：,重点掌握高斯光束聚焦和准直,作业： 3，4，5,48,4.4 激光调制技术,49,4.4.1 激光调制的基本概念,1. 激光调制: 把激光作为载波携带低频信号,2.激光调制,内调制在激光形成振荡的过程中加载调制信号，通过改变 激光的输出特性而实现的调制,外调制在激光形成以后。再用调制信号对激光进行调制， 并不改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光 束的参数,50,3. 激光的瞬时光场的表达式：,瞬时光的强度：,若调制信号为：,激光幅度调制的表达式：,激光强度调制的表达式：,激光频率调制的表达式：,激光相位调制的表达式：,51,4.4.2 电光强度调制,1.下图是一个典型的电光强度调制的装置示意图 由两块交叉偏振片及其