如兰姆凹陷法课件

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1、1第第4章章 激光的基本技术激光的基本技术(1)4.1 激光器输出的选模激光器输出的选模4.2 激光器的稳频激光器的稳频24.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取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益型介质时粒子数反转分布值下降，增益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。系数相应下降，但光谱的线型并不改变。(2)多纵模的情况下，设有多纵模的情况下，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件。随着腔三个纵模满足振荡条件。随着腔内光强逐步增强，内光强逐步增强，q-1和和q+1模都被抑制掉，只有模

2、都被抑制掉，只有q模的光强继续增长，模的光强继续增长，最后变为曲线最后变为曲线3的情形。的情形。(3)若此时的光强为若此时的光强为Iq，则有，则有 ，于是，于是振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模纵模的振荡。这种现象叫做的振荡。这种现象叫做“纵模的竞争纵模的竞争”，竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那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。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，强时，也可能有比较弱的其他纵模出现，如何解释？这种现象称为模的如何解释

3、？这种现象称为模的“空间竞争空间竞争”。阈GIGqq),(图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争3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。非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。单纵模的选取单纵模的选取(1)短腔法：短腔法：两相邻纵模间的频率差两相邻纵模间的频率差 ，要想得到单一纵模，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使的输出，只要缩短腔长，使 的宽度大于增益曲线阈值的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度以上所对应的宽度 缺点：缺点：腔长受到限制，从而限制输出功率；当谱线荧光宽腔长受到限制，从而限制输出功率；当谱线荧光宽度很宽时，势必使

4、腔长缩到很短。度很宽时，势必使腔长缩到很短。(2)法布里法布里-珀罗标准具法。珀罗标准具法。(3)三反射镜法。三反射镜法。)2(Lcqq4用法布里波罗标准具选纵模用法布里波罗标准具选纵模在激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里波罗标准具，在激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里波罗标准具，可以进行纵模的选取可以进行纵模的选取法布里波罗标准具用透射率很高地材料制成，两个端面平行且镀有法布里波罗标准具用透射率很高地材料制成，两个端面平行且镀有高反射率地反射膜。由于多光束干涉的结果，只允许若干个很窄的频高反射率地反射膜。由于多光束干涉的结果，只允许若干个很窄的频率带宽的光通过，其透过

5、光的频率为率带宽的光通过，其透过光的频率为获得最大透射率的两相邻频率间隔获得最大透射率的两相邻频率间隔适当的调整适当的调整 角，就可以达到选频的目的角，就可以达到选频的目的222sin2dmcm222sin2dcm图(4-2)法布里-珀罗标准具法示意图5三反射镜法选纵模三反射镜法选纵模激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和和M4为全为全反射镜，反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜是具有适当透射率的部分透射部分反射镜这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其腔长为组成，其腔长为

6、L1+L2；另一个由另一个由M3、M4组成，其腔长为组成，其腔长为L2+L3，两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2(L1+L2)和和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足够小足够小就可以获得单纵模输出就可以获得单纵模输出图4-3 三反射镜法6图4-4 腔的衍射损耗4.1.2 激光单横模的选取激光单横模的选取 衍射损耗和菲涅耳数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。由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。(2)如如图图4-4所示的球面共焦腔，镜

7、面上的所示的球面共焦腔，镜面上的基基横模高斯光束横模高斯光束光强分布可以表示为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与射向镜面的总光功率率 之比之比(4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数菲涅尔数”的参量，的参量，它定义为它定义为)2exp()(2120 II2122expaD21020212002)2exp(2)(IdIdI)2exp(22)(212210aIdIaNLLaND2exp127衍射损耗曲线衍射损耗曲线衍射损耗与菲涅耳数衍射损耗与菲涅耳数N

8、的关系一般是比较复杂的，往往写不出的关系一般是比较复杂的，往往写不出解析的表达式而需要用计算机进行数字计算。因此，通常都解析的表达式而需要用计算机进行数字计算。因此，通常都是将计数结果画成曲线，这就是所谓的衍射损耗曲线是将计数结果画成曲线，这就是所谓的衍射损耗曲线图示为圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的图示为圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的 曲线曲线ND图4-5 不同腔的衍射损耗曲线8高阶横模的抑制高阶横模的抑制抑制高阶横模需要两方面的条件：抑制高阶横模需要两方面的条件：一方面是要求基横模光束的一方面是要求基横模光束的衍射损耗小，使得基横模不仅满足振荡的阈值条件，而且有较衍射损耗小，使得基横模不

9、仅满足振荡的阈值条件，而且有较大的功率输出；另一方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大。大的功率输出；另一方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大。下面介绍两种常用的抑制高阶横模的方法。下面介绍两种常用的抑制高阶横模的方法。光阑法选取单横模：光阑法选取单横模：高阶横模的光束截面比基横模大，故减小高阶横模的光束截面比基横模大，故减小增益介质的有效孔径增益介质的有效孔径a，从而减小菲涅耳数，从而减小菲涅耳数N，就可以大大增加，就可以大大增加高阶横模的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。最简单的办法高阶横模的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。最简单的办法就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光阑（用于增益较低的就是在腔

10、内靠近反射镜的地方放置一个光阑（用于增益较低的气体激光器）。气体激光器）。聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模。聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模。9聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模聚焦光阑法：如图聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜组，使所示，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。光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率。腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图图4-7所示。所示。图4-6 聚焦光阑法图4-7 腔内望远镜法10频率的稳定性频率的稳定性稳定度：稳定度：指激光器在一次

11、连续工作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时间内的频率漂移与振荡频率之比复现性：复现性：激光器在不同地点、时间、激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量环境下使用时频率的相对变化量对共焦腔的对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为：模来说，谐振频率的公式可以简化为：当当L的变化为的变化为 L，的变化为的变化为时，引起的频率相对变化为：时，引起的频率相对变化为：一般希望稳定度和复现度都在一般希望稳定度和复现度都在10-8以上。目前稳定度一般在以上。目前稳定度一般在10-9左右，较高的可达左右，较高的可达10-1110-13；复现度一般在；复现度一般在10

12、-7左右，高的可达左右，高的可达10-1010-12。Lcq2)(LLSR11影响频率稳定的因素影响频率稳定的因素腔长变化的影响腔长变化的影响温度变化：温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔机械振动：机械振动：采取减震措施采取减震措施折射率变化的影响折射率变化的影响内腔激光器内腔激光器:温度温度T、气压、气压P、湿度、湿度h的变化很小，可以忽略的变化很小，可以忽略外腔和半内腔激光器外腔和半内腔激光器:腔的一部分处于大气之中，温度腔的一部分处于大气之中，温度T、气压气压P、湿度、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于的变化较放电管内显著。应尽量减

13、小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T、P、h的脉动的脉动124.2.2 稳频方法概述稳频方法概述被动式稳频被动式稳频: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，以便热膨胀互相抵的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，以便热膨胀互相抵消，这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况消，这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况主动式稳频：主动式稳频：把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离把单频激光器的频率与

14、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。参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。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。如为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如饱和吸收法。饱和吸收法。134.2.

15、3 兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频 兰姆凹陷的中心频率即为谱线的中心频率兰姆凹陷的中心频率即为谱线的中心频率 ，在其附近频率的微小变，在其附近频率的微小变化将会引起输出功率的显著变化。化将会引起输出功率的显著变化。图4-8 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构 腔长自动补偿系统的方框图如图腔长自动补偿系统的方框图如图4-94-9所示所示 图4-9 兰姆凹陷法稳频方框图压电陶瓷加一直流电压：使初始频率为压电陶瓷加一直流电压：使初始频率为压电陶瓷上还需加一频率为压电陶瓷上还需加一频率为f(约为约为lkHz)、幅度很小、幅度很小(只有零点几伏只有零点几伏)的交流的交流讯号，此讯号称为讯号，此讯号称为“搜索讯

16、号搜索讯号”0014兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频图图4-10为稳频原理示意图。为稳频原理示意图。图4-10 稳频原理假如由于某种原因假如由于某种原因(例如温度升高例如温度升高)使使L伸长，引伸长，引起激光频率由起激光频率由 偏至偏至 ，与与 的位相正好相反的位相正好相反 0AP假如由于某种原因假如由于某种原因(例如温度降低例如温度降低)使使L缩短，引缩短，引起激光频率由起激光频率由 偏至偏至 ，与与 的位相正好相同的位相正好相同 0BP在中心频率附近在中心频率附近 0，不论是，不论是 小于小于 0还是还是大于大于 0，其结果都是使输出功率，其结果都是使输出功率P增加，而增加，而且此时且此时 P

17、将以频率将以频率2f变化变化图(4-11)不同同位素对兰姆凹陷的影响 注意事项注意事项第一、激光器的激励电源是稳压和稳流的。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第二、氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。有一定频差。第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率大小有关。侧的斜率大小有关。154.2.4 饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频的示意装置如饱和吸收法稳频的示意装置如图图4-12所示。所示。与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线上也有一个吸收

18、凹陷，如图上也有一个吸收凹陷，如图4-13所示所示 由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中心形由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中心形成的凹陷比激光管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。成的凹陷比激光管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图图4-13 吸收介质的吸收曲线16饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单程增益程增益 和吸收管中的单程吸收和吸收管中的单程吸收 的差，即的差，即 如如图图4-14(a)，只有频率，只有频率调到调到 附近激光才能振荡。附近激光才能振荡。如如图图4-14(b)，频率，频率在整个线宽范围内在整个线宽范围内调谐均能振荡。调谐均能振荡。反转兰姆凹陷比兰姆凹陷反转兰姆凹陷比兰姆凹陷的宽度窄，其中心频率两的宽度窄，其中心频率两侧的斜率比兰姆凹陷曲线侧的斜率比兰姆凹陷曲线两侧的斜率大，故可以减小两侧的斜率大，故可以减小搜索信号的幅度以提高稳定性搜索信号的幅度以提高稳定性)(G)(A)()()(AGG净0图(4-14)反转兰姆凹陷