《激光特性的控制与改善综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光特性的控制与改善综述（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,赵风周 物理学院 2019年11月,激光原理与技术 LASER Principles and Technology,2,第五章 激光特性的控制与改善,模式选择技术（横模和纵模） 稳频技术 Q调制技术 锁模技术,3,从一台简单激光器出射的激光束，其性能往往不能满足应用的需要，因此不断地发展了旨在控制与改善激光器输出特件的各种单元技术。 为了改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性，发展了模式选择、稳频及注入锁定技术。为了获得窄脉冲高峰值功率的激光束，发展了Q调制、锁模、增益开关及腔倒空技术。,4,速率方程,增益饱和,激 光 器 工作特性,振荡阈值,振荡模式,输出功率,输出线宽,弛豫振荡,选
2、模,调Q/锁模 /放大,稳 频,LD直接调制/ 增益开关DFB,谐振腔 理 论,高斯光束,频率变换 技术,输出频率,5,第一节 模式选择,理想激光器的输出光束应只具有一个模式，但不采取选模措施时，多数激光器的工作状态是多模的。 选模的意义： 基横模(TEM00)发散角小，空间相干性好 单纵模 单色性好，时间相干性好 激光准直、激光加工、非线性光学研究、激光中远程测距等应用均需基横模激光束。而在精密干涉计量、光通信及大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的，同时要求光束仅含有一个纵模。,6,1.1 横模选择,物理基础：谐振腔中不同横模具有不同的损耗 在稳定腔中，基模的衍射损耗最低，横模阶次增
3、高，衍射损耗迅速增加。,单模运转的充分条件 TEM00模的单程增益至少能补偿其在腔内的单程损耗,相邻横模应满足,7,横模选择的原则 在各个横模的增益大体相向的条件下，不同横模间衍射损耗的差别就是进行横模选择的根据。 原则 尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比，损耗比越大，则横模鉴别力越高 尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗，加大衍射损耗在总损耗中的比例,8,1、小孔光阑选模,基本思路： 减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗 TEM00模和其它高阶模有不同的光斑尺寸 特点： 方法简单 不易获得大功率输出,9,2、谐振腔参数g、N选模,适当选择谐振腔的类型和腔参数g、N，满足谐振腔单模运转充分条件，实现
4、基横模输出,3、非稳腔选模,非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗有很大差异 适用于高增益激光器选横模 非稳腔的输出光束为球面波或平面波,4、微调谐振腔,平面腔：腔镜倾斜可抑制基模，实现高阶模振荡 稳定腔：倾斜腔镜基模受影响小，高阶模损耗明显增大,10,1.2 纵模选择,激光工作物质中往往存在多对激光振荡能级，可以利用窄带介质膜反射镜、光栅、棱镜等构成色散腔获得特定波长的跃迁振荡 纵模选择：在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法 一般谐振腔不同纵模损耗相同，但是小信号增益各异 扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差,11,1、短腔法,缩短腔长，增大相邻纵模间隔小信号增益曲线上满足阈值条件的有效宽度内只存
5、在一个纵模,适用于荧光线宽窄的激光器,12,2、行波腔法抑制烧孔效应,均匀加宽物质存在增益饱和，有助于形成单纵模振荡 驻波腔存在空间烧孔效应，激励足够强时，仍然会出现多纵模振荡 采用环形腔，且在腔内插入一个只允许光单向通过的隔离器，可形成行波场，实现单纵模振荡,13,3、选择性损耗法,在腔内插入标准具或构成组合腔，由于多光束干涉效应，谐振腔具有与频率相关的选择性损耗,透射谱宽度,14,调整q角，使nj = nq，且有,可获得单纵模输出,复合腔,福克斯-史密斯型复合腔,外腔半导体激光器选模装置,15,第二节 频率稳定,谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的频率为,2.1外界因素对频率稳定性的
6、影响,谐振腔几何长度变化：温度、振动，DL10-3/oC 折射率变化：温度，Dn起伏(放电电流、驱动电流等)，气压、湿度,频率漂移,16,1、频率稳定度,平常说的稳定度为10-8，10-9等，就是这个意思。,显然，变化量Dn(t)越小，则Sn(t)越大，表示频率的稳定性越好。,习惯上，有时把Sn(t)的倒数作为稳定度的量度，即,17,2、频率复现性,对作为频率或波长基准的激光器，不仅要求稳定度高，而且要求频率重复性的精度也高。 频率复现性：不同地点、时间、环境下稳定频率的偏差量与它们的平均频率(标准频率)的比值，指的是标准频率自身的变化,评价一台稳频激光器，不仅要看其频率稳定度，而且还要看它的
7、频率复现性。,18,2.2 激光器主动稳频技术,稳频技术的实质就是保持谐振腔光程长度的稳定性。 主动稳频技术就是选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏离此特定的标准频率时，能设法鉴别出来，再人为地通过控制系统自动调节腔长，将激光频率回复到特定的标准频率上，最后达到稳频的目的 主动稳频的方法大致可以分为两类 利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频，如兰姆凹陷稳频法 利用外界参考频率作为鉴别器标准进行稳频，如饱和吸收稳频法,19,一、兰姆凹陷稳频 1. 基本原理 兰姆凹陷稳频法是以增益曲线中心频率n0作为参考标准频率，通过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控制激光器腔长的， 它可使频率稳定于
8、n0处，其稳频装如图,20,激光管采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐振腔的两个反射镜安置在殷钢架上，其中一个贴在压电陶瓷环上 陶瓷环的长度约为几厘米，环的内外表面接有两个电极，加有频率为f 的调制电压，当外表面为正电压, 内表面为负电压时陶瓷环伸长, 反之则缩短。 改变陶瓷环上的电压即可调整谐振腔的长度，以补偿外界因素所造成的腔长变化。 光电接收器一般采用硅光电三极管，它能将光信号转变成相应的电信号。,21,2. 稳频过程,压电陶瓷上加一直流电压和一频率为f 的音频调制电压 激光频率n=n0，调制电压使其在n0附近变化，输出功率P以2f 做周期性变化选频放大器输出为0，压电陶瓷上没有电
9、压，激光器工作于n0频率,若nn0，激光输出功率调制频率为f，与调制电压同相位；光电接收器输出频率为f的信号，送入相敏检波器, 使其输出一负直流电压, 使压电陶瓷缩短, 腔长增加，激光频率被拉回n0,22,兰姆凹陷稳频的实质 经谱线的中心频率n0作为参考标准，当激光振荡频率偏离n0时，即输出一误差信息 通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长 把激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处,为了改善频率稳定性, 希望微弱的频率漂移就能产生足以将频率拉回n0的误差信号，这就要求兰姆凹陷窄而深，即兰姆凹陷中心两侧的斜率尽可能大,23,3. 应用兰姆凹陷稳频时应注
10、意的问题,稳频激光器不仅要求是单横模，而且还要求必须是单纵模 频率稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率有关，斜率越大，误差信号就越大，因而灵敏度高，稳定性就越好 兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性 兰姆凹陷稳频以原子跃迁谱线中心频率n0作为参考标准,24,二、塞曼稳频 1. 基本原理 利用塞曼效应稳频包括纵向塞曼稳频、横向塞曼稳频、塞曼吸收稳频三类 塞曼效应：原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象,(1)正常塞曼效应,不加外磁场时，原子在两个能级E1和E2(E1E2)之间跃迁的能量差为：DE=E2-E1=hn 原子核的磁矩比电子磁矩小大约三个数量级，如果只考虑电子的磁矩对原子总磁矩的贡献，那么磁场
11、引起的附加能量为DU=-mB=-mzB=mJgJmBB,25,原子的每一个能级分裂成若干分立的能级，两个能级之间跃迁的能量差为： DE =hn=E2-E1=E2-E1+(m2Jg2J-m1Jg1J)mBB 对于自旋为零的体系有g1J = g2J = 1。由于跃迁的选择定则DmJ=0,1，频率n只有三个数值,一条频率为n 的谱线在外磁场中分裂成三条谱线，相互之间频率间隔相等D=mBB/h 洛伦兹单位：mBB/(hc),26,27,(2)反常塞曼效应,只有总自旋为0的谱线才表现出正常塞曼效应。非单态的谱线在磁场中表现出反常塞曼效应，谱线分裂条数不一定是3条，间隔也不一定是一个洛伦兹单位,钠D线在磁
12、场中的反常塞曼效应。其中589.0nm的谱线分裂成4条，589.6nm的谱线分裂成6条。,28,2. He-Ne激光器塞曼稳频 双频稳频He-Ne激光器的放电区加上0.03T左右的纵向磁场，利用压电陶瓷控制腔长,29,(1) 未加磁场时 工作物质增益曲线和色散曲线如图,腔长足够短时，只有nq的纵模振荡，若nq=n0，则没有频率牵引，h(n0)=h0=1,30,(2) 加磁场时 加磁场后，光谱线发生塞满分裂，沿磁场方向观察，谱线分裂为中心频率为n0右的右旋偏振光和n0左的左旋偏振光,随着光谱线的分裂，增益曲线和色散曲线也发生分裂,31,q纵模由于频率牵引，导致左旋和右旋偏振光的频率为,32,若无
13、源腔的频率nq0=n0，塞曼分裂后的有源腔频率对称的分布于n0的两侧，左旋光和右旋光具有相同的小信号增益系数，并具有相等的输出光强 若nq0n0，则g左0(nq左)g右0(nq右)，左旋光强大于右旋光强,双频激光器塞曼稳频方法 (1) 监测两圆偏振光输出功率的差值，作为鉴频的误差信号，通过伺服控制系统调节激光器的腔长 (2) 利用拍频方法测出左、右圆偏振光的频差，作为鉴频的误差信号，然后通过伺服控制系统调节激光器的腔长,33,双频稳频激光器的频率稳定度可达10-1010-11，频率复现性为10-710-8 由双频稳频激光器构成的干涉仪具有较强的抗干扰能力，可用于工业中的精密计量,34,三、饱和
14、吸收稳频(反兰姆凹陷稳频) 兰姆凹陷稳频和塞曼稳频都是以增益曲线中心频率n0作为参考标准频率，n0易受放电条件的影响而变化，频率复现性差 提高稳频精度提高兰姆凹陷锐度，但是激光管不能在过低的气压下工作，频率稳定性的进一步改善受到限制 解决途径：饱和吸收稳频,35,吸收管内充气压: 110 Pa 多普勒加宽为主 低压气体吸收峰频率 稳定性好,吸收饱和现象：吸收管内物质吸收系数为b(n)，当入射光足够强时，由于下能级粒子数减少，上能级粒子数增加，b(n)将随光强而逐渐减小 吸收饱和与增益饱和完全类似，把吸收看成负增益，则关于增益饱和的全部理论均可用于讨论吸收饱和现象,36,吸收管内气压很低，吸收谱
15、现主要是多普勒加宽 入射光频率n1，光强为In1，则会在吸收曲线上产生烧孔,37,将吸收管至于谐振腔内，腔内有频率为n1的模式振荡 若n1n0，则正向传播的行波和反向传播的行波分别在吸收曲线上n1和(2n0-n1)处烧孔，对n1模的吸收系数为,若n1=n0，则正反向传播的行波共同在吸收曲线的中心频率n0处烧孔，此时对n1模的吸收系数为,38,吸收曲线凹陷：做光强一定时吸收系数b(n1)与振荡频率n1的关系曲线，则在n1=n0处出现凹陷,凹陷宽度为,反兰姆凹陷 放置吸收管之后，谐振腔的单程损耗因子变为,由于b(n1)- n1曲线的尖锐凹陷，使激光器的输出功率在n0处出现一个尖锐的尖峰反兰姆凹陷,
16、39,反兰姆凹陷稳频优点 通常利用分子的基态与振转能级间的饱和吸收进行稳频，吸收较强，可在低气压下工作，碰撞线宽小；分子振转能级寿命长，自然线宽小可得尖锐的反兰姆凹陷 利用自基态的吸收跃迁，无需激励，频率复现性好,国际上规定甲烷和碘吸收稳频的He-Ne激光波长可作为长度副基准和复现米定义,40,四、无源腔稳频 外界无源腔的特征频率也可作为稳频的参考频率,将多个激光器稳定于不同级次的透过峰频率上，可得到频率间隔固定的多路激光，可用作分频复用光通信的发射光源,41,第三节 Q 调制,调Q技术与锁模技术是应人们对高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的应用需求而发展起来的。 两种方式机理不同，压缩的程度也不同 调Q技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级(峰值功率达106W以上)。 锁模技术可将激光脉宽压缩至皮秒甚至飞秒量级(峰值功率可达到1012W),短脉冲技术,42,3.1 Q调制激光器的工作原理,调Q 技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量压
