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1、1,2020/8/20,第六章 激光的稳频、调Q、锁模、放大技术基础,6-1 激光稳频原理,一、稳频问题的提出：,一般对气体激光器而言:He-Ne,激光的单色性好，实际上不加稳频措施的激光不是单一的频率，？,多普勒展宽,对于平凹谐振腔，基模频率：,相邻纵模的频率差（纵模间隔）为：,（取n = 1）,2,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,T：放电管的温度，取 400oK；m：氖原子的原子量，取20；对6328激光谱线，0取4.741014 ; 得D为1520兆赫。,对于He-Ne激光器：,对于L = 1米的谐振腔， q为150兆赫。,因此，在多谱勒展宽范围内最多有
2、约11个纵模可能振荡。,另外振荡频率随腔长的变化而变化，它可在整个多谱勒宽度内移动。为此，必须设法在多谱勒宽度内选择某一个振荡频率，并且把它稳定住。这就是稳频技术所要解决的问题。,最常用的选频办法有两种：对于大功率激光器，采取在谐振腔中加标准具的办法。对小功率激光器，采取缩短谐振腔的办法。下面我们将要介绍几种稳频率激光器，都采用后一个方法选频。,当选取谐振腔L = 20 cm时， q为750兆赫。当把振荡频率稳定在中心频率0时，其它可能振荡频率已在增益轮廓之外。,稳频的任务就是设法控制那些人为的可以控制的因素，使其对振荡频率的干扰减至最小程度从而提高激光频率的稳定性。,3,2020/8/20,
3、第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,二、激光频率的稳定方法,光路中的折射率n和腔长L的变化和会直接影响激光频率发生变化。,（1）折射率n受温度T、气压P 和湿度h 的影响：,内腔激光器：封闭在放电管内，T，P，h 的变化很小，忽略。 外腔和半内腔激光器：腔的一部分暴露在放电管之外，T，P，h 的变化将会影响振荡频率。,设n n0,当R 较大时，谐振腔近似为平行平面腔:,由此可得,5,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,（2）腔长L的变化受温度和振动的影响：,激光器是个发热体，谐振腔将因温度的变化而伸缩：,对外腔管，振动的影响可以造成：,a:热膨胀系数,石
4、英,殷钢,若谐振腔反射镜或放电管沿腔轴移动，使腔长L 伸缩，但不改变通过布儒斯特窗的光程,L = 15 cm L =1.5,若反射镜或放电管不沿光轴移动，不但改变腔长L，而且改变通过布儒斯特窗的光程。,6,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,（3）其它影响因素： 激光器某些内部因素，如放电条件（工作气体的总压强，组分，放电电流等）的变化，以及原子自发辐射的无规噪声都对振荡频率有影响，放电条件在一定程度上是可以控制的，而自发辐射的无规噪声是不能完全控制的。不过它的影响很小，远远小于其他因素的影响，但它给出了频率稳定性的一个最高限度。目前实际达到的频率稳定性指标远低于
5、这个限度。,通过恒温办法来达到稳频目的是不现实的，必须采用自动补偿办法。,恒温的办法保持腔长的稳定？,石英：,稳定度为,稳定度为,7,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,（4）采用自动补偿办法进行稳频的基本原理,稳频方法，是把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较。当振荡频率偏高参考频率时，鉴别器产生一个正比于偏离量的信号，这个误差信号通过反馈系统又来控制激光器的振荡频率，使其回到参考频率，如此，激光频率可以认为是被稳定到参考频率上。这样的控制系统，常称作伺服系统。依据所选择的参考频率，把激光频率稳定到跃迁的中心频率上，这个方法简便易行，可得到10-9的稳定度
6、，能满足一般精密测量的需要。 另一类是把振荡频率稳定到外界参考频率上（如外加吸收池的饱和吸收频率）。这种方法较为复杂，但可以得到较高的稳定度和再现性。,8,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,三、几种稳频激光器的稳频原理,、兰姆凹陷激光器,兰姆凹陷激光器是频率稳定在兰姆凹陷中心的激光器的简称。,1激光器的结构,压电陶瓷与稳频器相连。稳频器按实际情况正确地给出调整电压，加到压电陶瓷上，使其伸缩，自动调节腔长，达到稳频目的。,9,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,2、利用兰姆凹陷进行稳频的原理,He-Ne激光器的谱线展宽主要是非均匀展宽
7、多普勒展宽。在光强I与频率的关系曲线上，在谱线中心频率0处光强有一个极小值，这就是兰姆凹陷。,由于兰姆凹陷的宽度较增益的宽度窄，前者与后者的比值约为10-2，因而在谱线的中心频率附近，激光频率的较小变化将会引起输出光强的较大变化。,10,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,通过对输出光强的监控，设计出更为灵敏的腔长自动补偿的伺服系统，使激光频率更精确地稳定在谱线的中心频率0附近。,通过伺服系统，可以对腔长变化进行自动补偿，达到稳频目的。,为了方便地选取初始振荡频率在0，在压电陶瓷上需加一直流电压（0-200伏可调），用来调节腔长。为了进一步把振荡频率稳定在0 ，压
8、电陶瓷上还需加一交流讯号，其幅度为0.5伏，频率约为800周，称作“搜索讯号”。,11,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,搜索讯号幅度大小对激光频率的稳定性的影响：,压电陶瓷筒筒长的变化：,l 为压电陶瓷筒的长度， t 为其厚度， d31 为压电系数,对于锆钛酸铅压电陶瓷，其参数为：,d31 = 2.4/伏，l = 25mm，t = 2mm,cm/伏,取：腔长L = 15cm，搜索讯号幅度为0.5伏，则有,因此，为保证10-8的频率稳定度，选取幅度为0.5伏搜索讯号是可以的。要达到更高的稳定度，必须减小搜索讯号幅度，并会带来新的问题。,12,2020/8/20,
9、第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,稳频系统补偿的大小：,设石英外套，压电陶瓷，两反射镜的厚度分别为l1、l2、l3，线膨胀系数分别为1、 2、 3，则温度变化T造成腔长变化量为：,设稳频器给出的最大补偿电压为Vmax，则压电陶瓷的最大电致伸缩量为：,稳频的补偿要求：,假定：Vmax=230伏，d31=2.4/伏， l1=20cm， l2=2.5cm， l3=0.6cm， t=0.2cm，a1=510-7/oC，a2=410-6/oC，a3=7.610-6/oC， 可求出T = 7.6oC。因此，这套伺服系统能在普通实验室中使用。,13,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q
10、锁模 放大技术基础,3兰姆凹陷激光器的优缺点,兰姆凹陷中心是一个很有用的频率参考。利用兰姆凹陷容易将频率稳定在凹陷的中心。这种稳频方法简便易行，能得到/=10-9的稳定度。因此受到人们的重视，并进行了大量工作来研究此种激光器的性能，重点是研究凹陷中心的漂移问题。 此种激光器的缺点是作为参考频率的凹陷中心容易漂移，使得达到110-7。 这里所要讨论的对中心频率的扰动，与前面所讨论的对频率稳定度的扰动不同，这里是对参考频率本身的扰动，那么，到底哪些因素影响中心频率呢？,（1）原子间的相互作用,（2）斯塔克效应引起的位移,（3）激光振荡频率也受激活介质折射率的影响，因为激活介质的折射率是呈色散形式的
11、，因而谱线的变化也呈色散形式。,参看讲义内容,14,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,、带有非线性饱和吸收室的稳频激光器,选择非线性饱和吸收介质的中心频率作为参考频率,1激光器结构,吸收室的压力比较低，减弱了碰撞位移，而且不必加电场激活，因而可以完全排除斯塔克效应和激活介质色散造成的频率中心的位移。,15,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,2反兰姆凹陷的形成及用它作光学鉴频器的优点,吸收室中的气体未被激活时，它可以吸收来自增益室的光辐射。吸收与增益的多普勒宽度相近，因此在整个线宽内均有吸收。吸收室中比增益室中相应部分要小。,反兰姆
12、凹陷：饱和吸收在整个增益带宽的内比增益小，那么腔模在整个带宽内调谐均能振荡。由于在0附近吸收最小，故在0处的净增益比带宽内其余部分要大，这就形成了增益曲线上的尖峰。因而输出功率将在0处出现尖峰。,16,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,由于吸收室的压力低，特别是如果为几毫托的量级，压力加宽（谱线的碰撞展宽）很小，凹陷宽度将由跃迁能级的自然宽度（比压力加宽小12量级）来决定。由于反兰姆凹陷宽度很窄，那么它的斜率就比兰姆凹陷的大，因而可以减小搜索讯号的幅度，从而可以提高频率稳定性。 吸收器从分子基态产生的，吸收室不加电场激活，因而放电效应的扰动可以完全消除；再由于压
13、力低，很大程度上排除了碰撞位移。 基于这两点，反兰姆凹陷的中心频率很稳定，这就大大提高了长期稳定度和再现性。,17,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,6-2 激光调Q技术原理,一、意义：,脉冲输出运转的激光器，若将光脉冲的延续时间压缩，那么激光器的峰值输出就可以增大，使储存于激光器中的光能集中于极短的瞬间输出。 脉冲宽度：纳秒(ns)量级,谐振腔的品质因子Q值对于激光器的输出有很大的影响。欲使激光振荡，激光跃迁能级间的最低粒子反转数密度必须满足如下的关系：,二、调Q原理：,谐振腔内的损耗增大，Q值降低，激光振荡的阈值就要增高，这对激光振荡的产生是十分不利的，因此
14、，一般地总是希望损耗越小越好。,18,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,在激励的最初时刻是一个能量积存的过程，在光泵的持续激励下，工作物质的激光上能级的粒子数迅速地增加。当粒子反转数超过 Nt时，激光振荡就开始，一旦振荡开始后，粒子反转数就维持在Nt的水平，不再增加了，此时，光泵输入光能的一部分转变为激光的输出光能。当光泵的光强减弱到一定程度，使光泵对激光上能级的激励不足以形成超过的粒子反转数密度时，激光振荡就停止，激光输出就发生在光泵灯脉冲的有效持续期内。 为使上能级积存更多的光泵输入能量，在光泵激励的初期，尽可能地降低谐振腔的Q值，使在工作物质的激光上能级积
15、累起大量的粒子，造成很大的粒子反转数密度。 如果在光泵开始激励后的某时刻t0，突然增大Q值，即使谐振腔的损耗突然变小，这时，由于N很大，这对激光振荡形成了十分有利的条件，使大量的粒子有可能在极短的时间内突发性地从激光上能级跃迁到激光下能级，从而得到峰值功率极大的激光巨脉冲。 利用迅速调节谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲方法的关键是，要解决好Q突变技术或Q开关技术-调Q技术。,19,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,三、几种调Q开关技术：,1. 转镜开关,将谐振腔一端的全反射镜高速旋转，使旋转轴和激光器的光轴相垂直。当全反射镜旋转到和半反射输出镜相平行时，Q值最大；当
16、全反射镜在其它位置时，Q值最小。因而，高速旋转的全反射镜就起到一个快速的Q开关的作用。 问题：高速马达（带动高速旋转的反射镜）的速度不高，寿命有限 改进光路，提高Q值的变化速度。,20,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,两倍加速光路,两倍加速光路,四倍加速光路,21,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,在转镜和工作物质棒之间插入一块光学透明的平行平板， 入射角为反射的临界角。,优点：结构简单、工作可靠、重复性好、能量损耗小； 缺点：高速马达的寿命较短、驱动功率较大、装置不轻便、开关速度不够快。,22,2020/8/20,第六章 激光的稳频 调Q 锁模 放大技术基础,2. 电光开关,利用电光效应调制光的强度和偏振的方向。在激光器的谐振腔内插入一个由电光晶体（如KDP或LiTaO3等）做成的普克尔盒和一个偏振棱镜，由此构成电光开关。,加电场：普克尔盒起1/4波片作用，二次通过后偏振面旋转90o 去电场：普克尔盒起1/2波片作用，二次通过后偏振面旋转180o,优点：开关速度快，时间可以精确地用电子学的方法来控制。
