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1、激光原理第四章本章目标本章目标：掌握激光实用的几种基本技术：选模技术（单：掌握激光实用的几种基本技术：选模技术（单纵模与单横模的选取），稳频技术（兰姆凹陷稳频和饱和纵模与单横模的选取），稳频技术（兰姆凹陷稳频和饱和吸收稳频），激光光束变换技术，调制、偏转、调吸收稳频），激光光束变换技术，调制、偏转、调QQ和锁和锁模技术。模技术。本章任务本章任务：掌握激光实用的几种基本技术原理，会根：掌握激光实用的几种基本技术原理，会根据实际需要，选取合适激光技术实现项目（任务）要据实际需要，选取合适激光技术实现项目（任务）要求，会利用选模、光束变换等公式进行相应计算。求，会利用选模、光束变换等公式进行相应计算
2、。第四章 激光的基本技术 4.1 激光器输出的选模4.1.2 激光单横模的选取4.1.1 激光单纵模的选取 本节目标本节目标：掌握激光选模技术：单纵模与单横模的典：掌握激光选模技术：单纵模与单横模的典型选取方法。型选取方法。本节任务本节任务：会解释均匀加宽型介质谱线的纵模竞争，：会解释均匀加宽型介质谱线的纵模竞争，会解释均匀加宽型介质谱线的实际情形；非均匀加宽会解释均匀加宽型介质谱线的实际情形；非均匀加宽型介质输出模式特点；会根据实际需要选取单纵模与型介质输出模式特点；会根据实际需要选取单纵模与单横模的选取方法。单横模的选取方法。4.1 激光器输出的选模4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取
3、激光单纵模的选取 1.1.均匀增宽型谱线的纵模竞争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宽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 4.1 激光器输出的选模4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 1.1.均匀增宽型谱线的纵模竞争均匀增宽型谱线的纵模竞争图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
4、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？4.1 激光器输出的选模4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 2.2.非均匀增宽型谱线的多纵模振荡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。4.1 激光器输出的选模 非均匀增宽激光器 的“烧孔效应”q 0 激光振荡的纵模数因此，利用不同纵模之间的增益差异，在腔内引入一定的选择性损耗，使欲选的中心频率处纵模损耗最小，而其余纵模的附加损耗较大，只有中
5、心频率附近的少数增益大的纵模建立起振荡。最终形成并得到放大的是增益最大的中心频率附近所对应的单纵模。激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡主要取决于这一个纵模的增益与损耗值的相对大小。对于同一个横模的不同纵模而言，其损耗是相同的，但是不同纵模间却存在着增益差异基本思想：4.1 激光器输出的选模4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 3.3.单纵模的选取单纵模的选取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。1）、色散腔粗选频率He-Ne laser:632.8nm,1.15 ,3.39 He-Ne激光器所能产生
6、的激光谱线例如,He-Ne激光器，可发射 623.8 nm，1150 nm，3390 nm三条谱线：4.1 激光器输出的选模4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 3.3.单纵模的选取单纵模的选取1）、色散腔粗选频率 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。色散棱镜的粗选装置图右图是腔内插入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。4.1 激光器输出的选模4.1.1 4.1.1 激光单纵
7、模的选取激光单纵模的选取 3.3.单纵模的选取单纵模的选取1）、色散腔粗选频率光栅色散腔粗选装置图设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：式中，m1,2为衍射级次。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4.1 激光器输出的选模4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 3.3.单纵模的选取单纵模的选取 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
8、单条谱线中选出单一的纵模，就要采取如下的一些方法。He-Ne laser:632.8nm,1.15 ,3.391）、色散腔粗选频率4.1 激光器输出的选模4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 3.3.单纵模的选取单纵模的选取4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 3.3.单纵模的选取单纵模的选取2)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宽度缺点：激励介质长度受限，输出功率甚至输出激光受限。4.1 激光器输出的选模 腔中允许的纵模数腔中允许的纵模数如He-Ne激光器，当L=1m时，其纵模间
9、隔=150MHz(设n=1)。因0=1500 MHz,若要求单纵模振荡就要求L=0.1m以下。故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。4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 3.3.单纵模的选取单纵模的选取2)短腔法：4.1 激光器输出的选模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 法布里-珀罗标准具法示意图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 3.3.单纵模的选取单纵
10、模的选取4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 4.1 激光器输出的选模 F-P标准具选纵模的优点在于标准具平行平面板间的厚度可以做得很薄，由于腔长没有缩短，输出功率仍可很大。3)法布里-珀罗标准具法：3.3.单纵模的选取单纵模的选取4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 4.1 激光器输出的选模4)三反射镜法：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,如图4-3所示图4-3 三反射镜法两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3
11、)4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 4.1 激光器输出的选模=c/2(l1+l2)适当选择l2及l3，可以使复合腔的频率间隔足够大，即两相邻纵模间隔足够大，与增益线宽相比拟时，即可实现单纵模运转。4)三反射镜法：4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 4.1 激光器输出的选模三反射镜法=c/2(l2+l3)横模选择原理一类是改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选模性能另一类是在一定的谐振腔内插入附加的腔内插入附加的选模元件选模元件来提高选模性能谐振腔参数g、N选择法非稳腔选模微调谐振腔第一类小孔光阑选模法、望远系统选模法第二
12、类4.1.2 激光单横模的选取 4.1 激光器输出的选模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4-4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(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 之比图4-4 腔的衍射损耗4.1 激光器输出的选模(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 4.1.2 激光单横模的选取 1.衍射损耗和菲涅耳数4.1 激光器输出的选模腔的衍射损耗(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2.衍射损耗
13、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。不同腔的衍射损耗曲线3.光阑法选取单横模 基本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑。4.1.2 激光单横模的选取 4.1 激光器输出的选模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4.1.2 激光单横模的选取 4.1 激光器输出的选模P78 三点优点 4.1 激光器输出的选模4.1.2 激光单横模的选取4.1.1 激
14、光单纵模的选取4.2 激光器的稳频影响频率稳定的因素影响频率稳定的因素稳频方法概述稳频方法概述兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频 本节目标本节目标：掌握激光稳频技术：单纵模与单横模的典：掌握激光稳频技术：单纵模与单横模的典型选取方法。型选取方法。本节任务本节任务：会解释均匀加宽型介质谱线的纵模竞争，：会解释均匀加宽型介质谱线的纵模竞争，会解释均匀加宽型介质谱线的实际情形；非均匀加宽会解释均匀加宽型介质谱线的实际情形；非均匀加宽型介质输出模式特点；会根据实际需要选取单纵模与型介质输出模式特点；会根据实际需要选取单纵模与单横模的选取方法。单横模的选取方法。4.2 激光器的稳频
15、4.2.1 4.2.1 影响频率稳定的因素影响频率稳定的因素对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式为：当L的变化为L，的变化为时，引起的频率相对变化为：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 复现度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 4.2 激光器的稳频频率稳定性1.1.腔长变化的影响腔长变化的影响(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2.2.折射率变化的影响折射率变化的影响(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、
16、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。4.2.1 4.2.1 影响频率稳定的因素影响频率稳定的因素4.2 激光器的稳频4.2.2 4.2.2 稳频方法概述稳频方法概述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4.2 激光器的稳频使热膨胀相互抵消局限性：一般用于工程上对稳频精度要求不高场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(1)把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光
17、频率锁定到跃迁的中心频率上。(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。4.2.2 4.2.2 稳频方法概述稳频方法概述4.2 激光器的稳频3、频率稳定特性(主动)一是频率稳定性（与参考频率相比较）一是频率复现性（参考频率自身变化）表示在某一测量时间间隔频率的漂移量与频率的平均值之比表示在某一测量时间间隔参考频率的相对漂移量4.2.2 4.2.2 稳频方法概述稳频方法概述4.2 激光器的稳频4、对参考标准谱线的要求(3)有足够的信噪比。(4)谱线频率要与受控激光器频率匹配，即参考谱线的频率应落在受控激光器增益曲线的
18、峰值附近。(1)谱线中心频率的稳定性和复现性要好。(2)线宽要窄，主要就设法消除多普勒加宽、碰撞加宽等。4.2.2 4.2.2 稳频方法概述稳频方法概述4.2 激光器的稳频 兰姆凹陷稳频装置比较简单，是应用较早的一种气体激光稳频方法，其频率稳定度为10-9量级，主要缺点是复现性差，原因是有约150kHz/Pa的压力频移。(a)增益曲线的烧孔效应和(b)兰姆凹陷4.2.3 兰姆凹陷稳频4.2 激光器的稳频 兰姆凹陷稳频法是以增益曲线中心频率 0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0处。激光管是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
19、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。4.2.3 兰姆凹陷稳频4.2 激光器的稳频4.2.3 兰姆凹陷稳频4.2 激光器的稳频 选频放大器只是对某一特定频率 f 信号进行有选择性的放大与输出。相敏检波器的作用是将选频放大后的信号电压与参考信号电压进行相位比较。当选频放大信号为零时，相敏输出为零；当选频放大信号和参考信号同相位
20、时，相敏输出的直流电压为正，反之则为负。音频振荡器除供给相敏检波器以参考信号电压外，还给出一个频率为 f 的正弦调制信号加到压电陶瓷环上对腔长进行调制。4.2.3 兰姆凹陷稳频4.2 激光器的稳频激光输出功率频率曲线输出一负直流电压馈送到压电陶输出一负直流电压馈送到压电陶瓷上，这电压使压电陶瓷环缩短，瓷上，这电压使压电陶瓷环缩短，从而使腔长伸长，于是激光振荡从而使腔长伸长，于是激光振荡频率又回到频率又回到0 0处。处。原理：在压电陶瓷上加有两种电压稳频过程：4.2.3 兰姆凹陷稳频4.2 激光器的稳频在压电陶瓷上加有两种电压，一个是直流电(0300V)，用来控制激光工作频率的；另一个是频率为f
21、(如1kHz)的调制电压，用来对腔长L即激光振荡频率进行调制,从而使激光功率P也受到相应的调制。如果激光振荡频率刚好与谱线的中心频率重合(即=0),则调制电压使振荡频率在0附近以频率f变化(图中的C点处)，因而激光输出功率将以2f的频率周期性变化(C点附近)。由于选频放大器工作在特定的频率f处,所以它不能通过选频放大器，伺服系统无输出信号送至压电陶瓷上，激光器继续工作于0处。如果激光器受到外界的扰动，使激光振荡频率偏离0，例如 0(图中B点外)，则激光功率将按频率f变化(如图中的fB)，4.2.3 兰姆凹陷稳频4.2 激光器的稳频 其变化幅度p即为鉴别器的误差信号，它的相位与调制信号电压相同；
22、此光信号被光电接收器变换成相应的电信号，经过选频放大后送入相敏检波器，与从音频振荡器输入的频率为f的调制信号进行相位比较得到一个直流电压，此电压的大小与误差信号成正比，它的正负取决于误差信号与调制信号的相位关系，此时由于二者同相位，从相敏检波器输出一负直流电压，继而经过直流放大、调制升压与整流，馈送到压电陶瓷上，这电压使压电陶瓷环缩短，从而使腔长伸长，于是激光振荡频率又回到0处。4.2.3 兰姆凹陷稳频4.2 激光器的稳频同样，如果激光频率0(图中A点处)时，则输出功率虽然仍按频率f变化(如图中fA)，幅度仍为p，但其相位与调制信号相反，此时，从相敏检波器输出一正的直流电压，这电压使压电陶瓷环
23、伸长，腔长缩短，因而激光振荡频率又自动回到0处。总之，兰姆凹陷稳频的实质是：经谱线的中心频率0作为参考标准，当激光振荡频率偏离0 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。4.2.3 兰姆凹陷稳频4.2 激光器的稳频(1)稳频激光器不仅要求是单横模，而且还要求必须是单纵模。(2)根据以上讨论可见，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。(3)兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性。(4)兰姆凹陷稳频是以原子跃迁谱线中心频率0作为参考标准
24、的。*应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题：4.2.3 兰姆凹陷稳频4.2 激光器的稳频*应用兰姆凹陷稳频时要求：4.2.3 兰姆凹陷稳频4.2 激光器的稳频第一、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(图4-11)，提高氖气的纯度以实现兰姆凹陷。第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率大小有关，增加兰姆凹陷深度以提高稳定度。从前面所讨论的兰姆凹陷稳频可知，提高频率的稳定性和复现性的关键是如何选择一个稳定的和尽可能窄的参考频率。稳定么？上述稳频方法都是利用激光本身的原子跃迁中心频率作为参考点，而原子跃迁的中心频率易受放电条件等影响而发生变化，所以其稳定性和复现
25、性就受到局限。为了提高频率的稳定性和复现性，通常采用外界参考频率标准进行稳频。4.2.4 饱和吸收稳频(反兰姆凹陷稳频)4.2 激光器的稳频饱和吸收稳频：在谐振腔中放入一个充有低气压气体原子(或分子)的吸收管,它有和激光振荡频率配合很好的吸收线，而且由于吸收管气压很低，故碰撞加宽很小，可以忽略不计，吸收线中心频率的压力位移也很小，吸收管一般没有放电作用，故谱线中心频率比较稳定。所以在吸收线中心处形成一个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为稳频的参考点，可使其频率稳定性和复现性精度得到很大的提高。4.2.4 饱和吸收稳频(反兰姆凹陷稳频)4.2 激光器的稳频饱和吸收稳频装置 饱和吸收稳频如图 所示
26、。激光管和吸收管串联，放到外腔型谐振腔中，后者对激光震荡频率处有强吸收峰。另外，吸收管中气体的气压很低（1Pa左右），因而，受气压及放电条件的变化的影响小。4.2.4 饱和吸收稳频(反兰姆凹陷稳频)4.2 激光器的稳频吸收管的气体在吸收线的中心处产生吸收凹陷的机理和兰姆凹陷相类似。对于=0的光，其正向传播和反向传播的两列行波光强均被z=0的分子所吸收，即两列光强作用于同一群分子上，故吸收容易达到饱和；而对于 0的光，则正向传播和反向传播的两列光强分别分别被纵向速度为+vz及-vz的两群(少于z=0）分子所吸收，所以吸收不易达到饱和，在吸收线的0处出现吸收凹陷，如图(b)所示。4.2.4 饱和吸
27、收稳频(反兰姆凹陷稳频)4.2 激光器的稳频 反兰姆凹陷(a)增益管增益曲线 (b)吸收管吸收曲线(c)激光器输出功率曲线吸收线在中心处的凹陷，意味着吸收最小，故激光器输出功率(光强)在0处出现一个尖峰,通常称为反兰姆凹陷,如图(c)所示。反兰姆凹陷可以作为一个很好的稳频参考点。其稳频工作程序与兰姆凹陷稳频相似，在此不予重复。4.2.4 饱和吸收稳频(反兰姆凹陷稳频)4.2 激光器的稳频vv0 反相v=v04.2.4 饱和吸收稳频与兰姆凹陷稳频4.2 激光器的稳频4.2 激光器的稳频影响频率稳定的因素影响频率稳定的因素稳频方法概述稳频方法概述兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢