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1、第四章 激光的基本技术激光的基本技术q直接对激光谐振腔的输出特性产生作用 如：选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技 术等； q独立应用于谐振腔外如光束变换技术、调制技术和偏转技术等4.1 激光器输出的选模激光的优点在于它具有良好的单色性、方向性和 相干性。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，如果不采取模式选 择，它们的工作状态往往是多模的。含有高阶模 式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及相干性 差。在激光准直、激光加工、非线性光学、激光 远程测距等领域都需要基横模激光束。在精密干 涉测量，光通讯及大面积全息照相等应用中更要
2、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一个重要课 题。 4.1.1 激光纵模的选取为了获得更好的单色性和相干性的激光束，要求 激光以单频振荡，在一般情况下，多横模激光器 是一个多频激光器，而多纵模激光器的频率间隔 则更大。激光器的振荡纵横数目，由腔长、工作 物质的增益线宽和激励水平等因素所决定。因为 只有处于增益线宽内的那些纵模频率才有可能真 正起振，形成多纵模振荡。某些实际应用，如光 通讯、激光全息、精密计量等要求激光具有高单 色性、高相干性，必须单频工作，而纵模选择又 是单频工作的必要条件 4.1.1 激光单纵模的选取 1. 均匀增宽型谱线的纵模竞争(
3、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。 (2) 多纵模的情况下，如图4-1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
4、象称为模的“空间竞争”。纵模选择的方法(色散腔粗选频率、短腔法、标准具法、复合腔法等) 1.色散腔粗选频率如果激光工作物质具有发射多条不同波长的 激光谱线，那么，在纵模选择之前，必须 将频率进行粗选, 将不需要的谱线抑制掉。 例如, He-Ne激光器，可发射 623.8 nm， 1.15 m = 1150 nm，3.39 m = 3390 nm三 条谱线。通常是利用腔镜反射膜的光谱特性(只对某个波段反射率大)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的光束在空间分离，然后设法，仅使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡。(注: n0=1) (5.3-1)图5.3-1所示的是腔内插入
5、色散棱镜的粗选装置图。谐振腔所能选择振荡的最小波长范围由棱镜的角色散和腔内振荡光束的发散角决定。AccTBCDO图 5.3-1 棱镜色散粗选装置法线法线1 = 2 = 因 2c+T=1800, 又 +T=1800 所以 c= /2由四边形ABCD知 T+2 +(180- )=360由四边形ABCO知 +T=1800 上两式联立得: = ( + )/2,所以 (由折射定律，见上面公式） (5.3-1)设光线进入棱镜的入射角1与光线离开棱镜的出射角2相等，即1 =2= 。根据物理光学折射定理，有 (设折射角为c):(注: n0=1)式中,为入射角,n为析射率；为棱镜的顶角；为偏向角。定义棱镜的角色
6、散率为 ，即波长每变化 0.1nm时偏向角的变化量。将(5.3-1)式求导后代入，得 (5.3-3)式中，dn/d表示不同材料的析射率对波长变化的导数。设腔内之光束所允许的发散角为，则由于色散棱镜的分光作用，腔内激光波长所能允许的最小波长分离范围为(5.3-2)色散率的倒数为单位偏向角波长的变化量例如：用玻璃材料制成的棱镜和可见光波段来说，在 1mrad时，能达到的 1nm。这种棱镜色散法对一些激光器进行选择振荡是十分有效的。如氩离子激光器 两条强工作谱线488nm和514.5nm就可采用此种色散进行选择。另一种色散腔是用一个反射光栅代替谐振腔的一个反射镜，如图5.3-2所示。式中，m1,2为
7、衍射级次。设d为光栅栅距(光栅常数)，1为光线在光栅上的入射角，2为光线在光栅上的反射角，则形成光栅衍射主极大值的条件是(5.3-4)(5.3-6)由(5.3-4)式可见，当入射角相同时，不同波长的的0级谱线(m=0)相互重合而没有色散分光作用。对其他各级谱线而言，光栅的角 色散率可由(5.3-4)式确定，即在入射角一定的前提下，单位波长 的反射角的变化。 通常光栅工作在自准直状态下，即1= 2= (为光栅的闪耀角，即光栅平面的法线0 与每条缝的平面的法线N2之间的夹角，对小斜面而言是正入射），则光栅的角色散率为式求出：(5.3-5)设腔内允许的光束发散角为，则因光栅色散所能允许 的最小分离波
8、长范围为 （仿5.3-5式） 对可见光谱区来说，设0=300, =1mrad,则不到1nm量级。由此可见，其色散选择能力比棱镜更高。由于光栅法不存在光束的 透过损耗，因此可适用于较宽广的光谱区域的激光器。色散腔法虽然能从较宽范围的谱线中选出较窄的振荡谱线， 实现了单条荧光谱线的振荡；但这还只是较粗略的选择， 在该条 谱线的荧光线宽范围内，还存在着频率间隔为 的一系列 分立的振荡频率，即多个纵模，如何进一步从单条谱线中选出单 一的纵模，就要采取如下的一些方法。 (5.3-7).短腔法激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽0和谐振腔的纵模间隔q决定。而纵模间隔 与腔长成反比，因此选择单纵模的
9、方 法之一是缩短谐振腔的长度, 以增大q，使得在0范围内只存在一个纵模，而其余的纵模都位于0之外，如图5.3-3所示, 此即所谓短腔法选纵模。图5.3.3 短腔法选模原理短腔法缺点：短腔法只适用于增益线宽较窄的激光器。由于腔长缩短，激光输出功率必然受到限制。因此在大功率单纵模输出的场合，此法不适用。如He-Ne激光器，当L=1m时，其纵模间隔=150MHz(设n=1)。因若要求 0=1500MHz, 单纵模振荡就要求L=0.1m以下。3.法布里-珀罗标准具法 ：如图4-2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 由于多光束干涉的结果，对 于满足下列条件的光具
10、有极 高的透射率获得最大透射率的两相邻频 率间隔图(4-2) 法布里-珀罗标准具法示意图适当的调整 角，就可以达到选频的目的对于多纵模激光器，在谐振腔中插入一标准具后， 我们适当地选择标准具的厚度d和反射率，使得标 准具的峰值频率间隔v与激光器的荧光线宽相当， 从而使得在有效增益线宽内，只能通过一个纵模， 而其余的纵模因透过率小均被标准具所“滤掉”，从 而达到选纵模的目的。 法珀标准具选纵模的优点在于标准具平行平面板 的厚度d可以调整到很薄，因此对增益线宽很宽的工 作物质和氩离子、红宝石、YAG等也能够获得单纵 模振荡，可适用于大功率激光器。 激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M
11、3 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q 这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其 腔长为L1+L2；另一个由M3、M4组成，其腔长为L2+L3 ，两个谐振腔的纵模频率间隔分别为： c/2(L1+L2)和 c/2(L2+L3)只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振 荡，故只要L2+L3足够小就可以获得单纵模输出图4-3 三反射镜法4.三反射镜法选纵模5.复合腔法如果用一个反射干涉仪系统取代谐振腔中的 一个反射镜，则其组合反射率是光波长(频率)的 函数。图5.3-8所示的是两种组合干涉复合腔的原理图。图5.3-8 复合腔选模图5.3-8(a)是一个迈克耳孙干
12、涉仪式复合腔，它由一个迈克耳孙干涉仪取代谐振腔的一个反射镜构成。该腔可以看成由两个子 腔组合而成，全反射镜M和M1组成一子腔，腔长为L+l1，谐振频率 1i=c/2(L+ l1)qi(设n=1)。另一个子腔由全反镜M和M2组成，其腔长为L+l2，谐振频率为2j=c/2(L+ l2)qj 。激光器的谐振频率必须同时满足上面两个条件, 即c/2(L+ l1)qi = c/2(L+ l2)qj , 而且第一个子腔的光束经过N个频率间隔后的频率正好和第二个子腔的光束经过N+1个频率间隔后的频率再次相等。由此可以得到复合腔的频率间隔:适当选择l1及l2，可以使复合腔的频率间隔足够大，即两相邻纵模间隔足够
13、大，与增益线宽相比拟时，即可实现 单纵模运转。 =c/2(l1-l2) (5.3-9) =c/2(l1-l2)图5.3-8(b)所示的为一个福克斯史密斯(Fox-Smith)干涉仪式复合腔。可以证明，复合腔的两相邻的频率间隔为图5.3-8 复合腔选模(5.3-11)在均匀加宽激光器中，可以采用环形行波腔获得单纵模振荡，其装置结构如图5.3-10所示。 因为在一般的直式谐振腔中，振荡的光场是驻波场，在波腹处光最强，在波节处光最弱，形成所谓驻波效应，因此造成腔内光强分布的空间纵向不均匀性，从而导致粒子数反转空间不均匀。采用环形腔结构，并在腔中放置由起偏器、 法拉第旋转器(相当于光二极管)和石英晶体片组成的光学隔离器，使激光束只能以行波方式单向传播。6.其它选纵模方法环形行波腔选纵模、利用Q开关选单纵模等（电子态有一定的寿命属于均匀加宽，多普勒则是非均匀。)图5.3-10 环形行波腔激光器示意图
