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1、2014/5/716.3 6.3 激光器的振荡模式激光器的振荡模式Review1、均匀加宽激光器中的模式竞争、均匀加宽激光器中的模式竞争2、空间烧孔引起多模振荡、空间烧孔引起多模振荡3、非均匀加宽激光器中的多纵模振荡、非均匀加宽激光器中的多纵模振荡4、非均匀加宽激光器中的模式竞争非均匀加宽激光器中的模式竞争2014/5/72 0( )g qT tgT振荡带宽：振荡带宽： 激光器小信号增益系数中激光器小信号增益系数中 大于阈值增益系数的那部大于阈值增益系数的那部 分曲线所对应的频率范围分曲线所对应的频率范围起振模式数：起振模式数： 1Tqq =+ =+Review2014/5/731、均匀加宽激
2、光器中的模式竞争、均匀加宽激光器中的模式竞争0 tg0( )g g 1q q 1q + +起始：起始：11()()()qtqtqtgggggg+增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线1：11()()()qtqqtggggg+=、=、0 tg1q q 1q + +0( )g 1g 增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线2：1()()qtqtgggg =0 tg1q q 0( )g 12g 增益曲线下降到曲线增益曲线下降到曲线3： ()qtgg=0 tgq 0( )g 12g 3q 1 1q + +2014/5/74若若的波腹与的波腹与的波节重合，的波节重合， 则则模式可能得到较高的增益模式可能得到较
3、高的增益 系数而形成振荡。系数而形成振荡。q q q 空间烧孔效应：空间烧孔效应：波腹处光强大，波腹处光强大， 用去的反转粒子数多，增益系数用去的反转粒子数多，增益系数 下降的也大；波节处光强小，用下降的也大；波节处光强小，用 去的反转粒子数少，增益系数下去的反转粒子数少，增益系数下 降的也少降的也少纵模的空间竞争：纵模的空间竞争：由于轴线方向由于轴线方向 的空间烧孔效应，不同纵模使用的空间烧孔效应，不同纵模使用 空间不同部分的反转粒子数而同空间不同部分的反转粒子数而同 时产生振荡的现象时产生振荡的现象2、空间烧孔引起多模振荡、空间烧孔引起多模振荡LzqI zn zqI 增益的轴向增益的轴向(
4、或纵向或纵向)空间烧孔效应空间烧孔效应横向横向空间烧孔空间烧孔横模在横截面内的光强分布不均匀导致横向的增益分布不均横模在横截面内的光强分布不均匀导致横向的增益分布不均 匀而形成。匀而形成。横模的横模的空间竞争空间竞争xxI00I10nTEM00TEM10n横向横向 烧孔尺度较大烧孔尺度较大(mm量级量级) ，粒，粒 子的迁子的迁 移不能消除这种不均匀性。移不能消除这种不均匀性。 所以，所以， 当激励作用足够强时当激励作用足够强时, 不同不同 横模可以横模可以 分别使用不同横向空间分别使用不同横向空间 的激活粒子而形成的激活粒子而形成 多横模振荡。多横模振荡。2014/5/761.1.非均匀加宽
5、激光器的各纵模之间没有模式竞争，所有小信非均匀加宽激光器的各纵模之间没有模式竞争，所有小信 号增益系数大于阈值增益系数的纵模都能形成稳定振荡号增益系数大于阈值增益系数的纵模都能形成稳定振荡 2.2.非均匀加宽激光器通常都是多纵模振荡非均匀加宽激光器通常都是多纵模振荡3 3. .外界的激发越强外界的激发越强，小信号增益曲线就越高小信号增益曲线就越高，满足振荡条件的满足振荡条件的 纵模个数也越多纵模个数也越多 激发增强激发增强tg( ,)igI I 非均匀加宽激光器中的多纵模振荡非均匀加宽激光器中的多纵模振荡2014/5/77思考：思考：非均匀加宽激光器的模竞争现象如何非均匀加宽激光器的模竞争现象
6、如何？0gtgThreshold1q 0 2q + +1q + +（2）烧孔重叠，纵模存在竞争）烧孔重叠，纵模存在竞争 （频率间隔很小）（频率间隔很小）2014/5/786.4 6.4 连续激光器的输出连续激光器的输出 功率与能量功率与能量均匀加宽单模激光器均匀加宽单模激光器 非均匀加宽单模激光器非均匀加宽单模激光器2014/5/790()(,)1()qqHq HqsqggIIlI =+=+0()()1 qHq sqglII =0()11()122Hq qsqglPATIATIATI + +=A激光束的有效截面面积激光束的有效截面面积均匀加宽工作物均匀加宽工作物 质的增益系数质的增益系数腔内平
7、均光强：腔内平均光强：激光器的输出功率：激光器的输出功率：均匀加宽单模激光器均匀加宽单模激光器T 2+=+=2014/5/710均匀加宽单模激光器均匀加宽单模激光器提高激光器的输出功率的方法：提高激光器的输出功率的方法：1.1. 加大外界泵浦激励作用，从而增大加大外界泵浦激励作用，从而增大；0( )Hg2.2. 减小谐振腔的往返净损耗减小谐振腔的往返净损耗；a3.3. 加大激光工作物质的长度加大激光工作物质的长度和面积和面积A A。l 02()1()12Hq sqglPATIT=+=+ 输出镜的最佳透射率：输出镜的最佳透射率：02()mHqTgl=0dP dT=2014/5/711最大输出功率
8、：最大输出功率：201()2()2msqHqPAIgl=均匀加宽单模激光器均匀加宽单模激光器2014/5/7126.4.2 非均匀加宽单模激光器的输出功率非均匀加宽单模激光器的输出功率不在中心频率处的光束，在正负两个方向上形成两个烧孔，分别不在中心频率处的光束，在正负两个方向上形成两个烧孔，分别 起饱和作用，振荡模式的增益系数为：起饱和作用，振荡模式的增益系数为：（1 1）0q时，输出功率为：时，输出功率为：2 0 22()4ln2 1qDm sg lPATIATIe + +=2014/5/713（2）0q=时：时：02IIII+=+=+21()12m sg lPATIATI + +=非均匀加
9、宽单纵模激光器非均匀加宽单纵模激光器两个方向的光束同时在增益曲线中心处烧一个孔，烧孔大小取决于腔内平均光强两个方向的光束同时在增益曲线中心处烧一个孔，烧孔大小取决于腔内平均光强qq00=01 1 201(1)1ogler r 单纵模输出单纵模输出第第q q个纵模频率等于标个纵模频率等于标 准具透射峰频率准具透射峰频率标准具的自由光谱区大标准具的自由光谱区大 于激光器振荡带宽于激光器振荡带宽纵纵 模模 选选 择择 方方 法法2222 2(1)1( )4(1)4sin ()1sin ()2(1)2RTRRRR= += +标准具透过率：标准具透过率：3. 复合腔选纵模复合腔选纵模用一个反射干涉系统代
10、替腔的一个端面反射镜，用一个反射干涉系统代替腔的一个端面反射镜， 则其组合反射率是频率的函数。则其组合反射率是频率的函数。纵纵 模模 选选 择择 方方 法法MM13:1 122 ()qcqn LL=+=+qcqn LLL2 1232 (2)=+=+32:MMM谐振条件：谐振条件：12qq=Fox-Smith腔腔纵纵 模模 选选 择择 方方 法法谐振条件：谐振条件：12qq=复合腔频率间隔为：复合腔频率间隔为：()()c LL232=+=+4.4.色散腔法色散腔法利用腔镜反射膜的光谱特性或在腔内插入棱镜或光栅等色利用腔镜反射膜的光谱特性或在腔内插入棱镜或光栅等色 散元件，将工作物质发出的不同波长
11、的光束在空间分离，散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间分离， 设法只使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡，其他波设法只使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡，其他波 长的光束因不具备反馈能力而被抑制掉。长的光束因不具备反馈能力而被抑制掉。纵纵 模模 选选 择择 方方 法法7.2 频率稳定频率稳定稳定度：稳定度：激光器连续工作期间其频率改变量激光器连续工作期间其频率改变量在振荡频率在振荡频率 中所占比例中所占比例( )( )( )( )S1 =复现性：复现性：同样设计，同样方法制成的激光器在不同时间、地点、环境同样设计，同样方法制成的激光器在不同时间、地点、环境 条件下使用时，条件下使用时
12、， 相互之间的频率偏差相互之间的频率偏差在振荡频率在振荡频率中所占比例中所占比例R = =2qcqnL=腔长腔长：L环境温度起伏，激光管发热，机械振动环境温度起伏，激光管发热，机械振动折射率折射率：n环境温度变化，大气气压、湿度变化环境温度变化，大气气压、湿度变化求偏微分，频率漂移量：求偏微分，频率漂移量：()qnL nL= += +激光频率的稳定问题，归结为保持腔长和折射率稳定的问题激光频率的稳定问题，归结为保持腔长和折射率稳定的问题影影 响响 频频 率率 稳稳 定定 的的 因因 素素主动稳频技术：主动稳频技术：选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏选取一个稳定的参考标准频率，当
13、外界影响使激光频率偏 离此特定的标准频率时，鉴别器产生一个正比于偏离量的误离此特定的标准频率时，鉴别器产生一个正比于偏离量的误 差信号，此误差信号经放大后又通过反馈系统回来调节腔长，差信号，此误差信号经放大后又通过反馈系统回来调节腔长， 使激光频率回到标准的参考频率上，达到稳频目的。使激光频率回到标准的参考频率上，达到稳频目的。把把原子谱线的中心频率原子谱线的中心频率作为标准频率：作为标准频率：兰姆凹陷法、塞曼效应法兰姆凹陷法、塞曼效应法激激 光光 稳稳 频频 方方 法法利用利用外界参考频率外界参考频率作为标准频率：作为标准频率：饱和吸收稳频法饱和吸收稳频法被动稳频技术：被动稳频技术：附近附近
14、频率的微小变化频率的微小变化会引起会引起输出功率显著变化输出功率显著变化0 兰兰 姆姆 凹凹 陷陷 稳稳 频频压电陶瓷可根据加在其上的电压作线性伸缩，压电陶瓷可根据加在其上的电压作线性伸缩， 即通过加在陶瓷上的电压来控制腔长。即通过加在陶瓷上的电压来控制腔长。兰姆凹陷稳频系统的组成兰姆凹陷稳频系统的工作原理以中心频率以中心频率作为参考标准，当激光振荡频率偏离作为参考标准，当激光振荡频率偏离时，时， 输出一误差信号，通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方输出一误差信号，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，从而向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长，从而 将激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处。将激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处。0 0 塞曼效应：塞曼效应：一个发光的原子系统置于磁场中时，一个发光的原子系统置于磁场中时， 其原子谱线在磁场作用下会发生分裂。其原子谱线在磁场作用下会发生分裂。左旋圆偏振光：左旋圆偏振光：0+ + 右旋圆偏振光：右旋圆偏振光：0 塞塞 曼曼 稳稳 频频0:q=左旋光光强左旋光光强右旋光光强
