新激光第六章激光器模式选择技术

1、概述一、横模一、横模二、纵模二、纵模g gththg g6.2 6.2 横模选择技术横模选择技术一、横模选择原理一、横模选择原理1.1.单横模运转的充分条件单横模运转的充分条件 谐振腔中不同横模具有不同的损耗是横模谐振腔中不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础。选择的物理基础。 r1、r2为两腔镜反射率，为单程损耗，为单程增益系数，工作物质长为，则i0往返一次的光强为glerrii22210)1 (单横模运转的充分条件单横模运转的充分条件1)1 (1)1 (10210021glglerrerr该模式振荡条件该模式振荡条件1)1 (2221glerr2. 2. 充分条件的具体实现充分条件的具

2、体实现若若 横模鉴别力横模鉴别力高阶模与基模的衍射比高阶模与基模的衍射比衍射损耗在总损耗中的比例衍射损耗在总损耗中的比例就必须就必须对称稳定腔的两个低次模的单程损能比平-凹稳定腔的两个低次模的单程损能比衍射损耗的大小及模鉴别力的高低与谐振腔的腔型衍射损耗的大小及模鉴别力的高低与谐振腔的腔型和菲涅尔数和菲涅尔数n n有关有关. .由图可知由图可知: n : n 衍射损耗衍射损耗 , ,但但 鉴别力随之鉴别力随之00103. 3. 几种腔型的比较几种腔型的比较对称共焦腔对称共焦腔: g: g1 1=g=g2 2=0=0半对称共焦腔半对称共焦腔: g: g1 1=0=0或或g g2 2=0=0平行平

3、面腔平行平面腔: g: g1 1=g=g2 2=1=1共心腔共心腔: g: g1 1g g2 2=1=1由图可知由图可知: :共焦、半共焦腔的共焦、半共焦腔的 最大；最大； 平面、共心腔的平面、共心腔的 最小；最小；00100010那么是否共焦、半共焦腔就更容易实现单模振荡呢那么是否共焦、半共焦腔就更容易实现单模振荡呢? ?二、横模选择的方法二、横模选择的方法1.1.小孔光阑选择法小孔光阑选择法小孔光阑选模图小孔光阑选模图2.2.谐振腔参数谐振腔参数g g、n n选择法选择法3.3.聚焦光阑选择法聚焦光阑选择法聚焦光阑选模聚焦光阑选模4.4.非稳腔选模法非稳腔选模法5.5.微调谐振腔法微调谐振

4、腔法6.3 纵模选择技术一、纵模选择原理一、纵模选择原理纵模振荡数是由增益线宽和频率间隔决定的。纵模振荡数是由增益线宽和频率间隔决定的。腔内望远镜法腔内望远镜法qdn纵模振荡数纵模振荡数纵模间隔纵模间隔增益曲线高于阈值部分的线宽增益曲线高于阈值部分的线宽一般谐振腔中不同纵模有着相同的损耗一般谐振腔中不同纵模有着相同的损耗, ,但由于频率但由于频率的差异而具有不同的小信号增益系数。因此的差异而具有不同的小信号增益系数。因此, ,扩大扩大和充分利用相邻纵模间的增益差和充分利用相邻纵模间的增益差, ,或人为引入损耗或人为引入损耗差是进行纵模选择的有效途径。差是进行纵模选择的有效途径。1.短腔法二、纵

5、模选择方法二、纵模选择方法nlcq2l lq单模存在单模存在例例he-nehe-ne激光器，激光器，l=1ml=1m，mhznlcq1502则：mhzd1500若：10qdn那么：若若l=10cml=10cm，mhznlcq15002则：1qdn那么：2.2.行波腔法行波腔法环形行波腔激光器环形行波腔激光器 3. 3.选择性损耗法（选择性损耗法（f-pf-p标准具法）标准具法）法布里法布里-珀罗标准具法示意图珀罗标准具法示意图f-pf-p标准具对不同的波长具有标准具对不同的波长具有 不同的透过率不同的透过率由于多光束干涉的结果，对于满由于多光束干涉的结果，对于满足下列条件的足下列条件的光具有极

6、高的透射率光具有极高的透射率222sin2dmcm能获得最大透射率的两个相能获得最大透射率的两个相 邻的频率间隔为邻的频率间隔为 222sin2dcm含法-泊标准具腔选模原理图(a)小信号增益曲线，(b)谐振腔纵横谱；(c)法泊标准透射率曲线cos221)2(sin11)2(sin11)(22ndrrfdfft 4. 4.复合腔法（三反射镜法）复合腔法（三反射镜法） 如图，激光器一端的反射镜被三块反射镜的如图，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中组合所代替，其中m3和和m4为全反射镜，为全反射镜，m2是具有是具有适当透射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当适当透射率的部分透射部分反

7、射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合于两个谐振腔的耦合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)5.5.外腔半导体激光器选模法外腔半导体激光器选模法 如图为外腔半导体激光器选模装置如图为外腔半导体激光器选模装置,激光二极管激光二极管(ld)的两个解理面的两个解理面m1、m2和外反射镜和外反射镜m3组成复合腔组成复合腔,适当选择适当选择m2及及m3的反射率并调节的反射率并调节m3的位置可选出单长的位置可选出单长腔模。腔模。6.4 模式测量方法一、直接观测法二、光点扫描法激光器激光器激光激光产生产生投射投射转镜转镜反射反射光电光

8、电探测器探测器电子电子线路放大线路放大示波器示波器概述一、频率的稳定性和复现性一、频率的稳定性和复现性1.稳定度是指激光器在连续运转时在一定的观测时间内频率的平均值与该时间内频率的变化量之比 )()(s2.2.复现性是激光器在不同地点、时间、环境复现性是激光器在不同地点、时间、环境下稳定频率的偏差量与它们平均频率的比值下稳定频率的偏差量与它们平均频率的比值. . r)(习惯上稳定度的量度用习惯上稳定度的量度用s)()(1稳定度稳定度00短期稳定度短期稳定度长期稳定度长期稳定度二、影响激光频率稳定的因素二、影响激光频率稳定的因素mccmc)(式中：式中：m m为原子跃迁谱线频率；为原子跃迁谱线频

9、率； c c为谐振腔谐振频率；为谐振腔谐振频率； m m为原子跃迁谱线宽度；为原子跃迁谱线宽度； c c为谐振腔谱线宽度；为谐振腔谱线宽度； 为频率牵引系数（一般很小）。为频率牵引系数（一般很小）。mc激光频率稳定主要取决于腔谐振频率的稳定性。激光频率稳定主要取决于腔谐振频率的稳定性。腔谐振频率为：腔谐振频率为：nlcqc2当当l的变化为的变化为 l，n的变化为的变化为 n时，引起的频率相时，引起的频率相对变化为：对变化为：)(nnll频率稳定频率稳定腔长和折射率稳定腔长和折射率稳定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温度变化：一般选用热膨胀系数小

10、的材料做为谐振腔的的支架谐振腔的的支架(2) 机械振动：采取减震措施机械振动：采取减震措施2. 折射率变化的影响折射率变化的影响(1)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的变化很的变化很小，可以忽略小，可以忽略(2)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腔的一部分处于大气之中，温度中，温度t、气压、气压p、湿度、湿度h的变化较放电管内显著。的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小风以减小t 、 p、 h的脉动。的脉动。三、激光器稳频方法三、激光器稳频方法1. 被动式稳频被动

11、式稳频利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；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材料按一定长度配合把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比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。一个正比于偏离量的误差信号。2. 主动式稳频主动式稳频(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，如兰姆凹把激光

12、频率锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。陷法。(2) 把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用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。如饱和物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如饱和吸收法。吸收法。7.2 兰姆凹陷稳频兰姆凹陷稳频一、兰姆凹陷一、兰姆凹陷增益增益频率频率0 0二、兰姆凹陷稳频原理二、兰姆凹陷稳频原理1. 兰姆凹陷的中心频率即为谱兰姆凹陷的中心频率即为谱线的中心频率，在其附近频率线的中心频率，在其附近频率的微小变化将会引起输出功率的微小变化将会引起输出功率的显

13、著变化。这种稳频激光器的显著变化。这种稳频激光器的基本结构如图的基本结构如图。 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构2.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。 兰姆凹陷法稳频方框图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、幅度很小度很小(只有零点几伏只有零点几伏)的交流讯号，此讯号称为的交流讯号，此讯号称为“搜索讯号搜索讯号”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0稳频原理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，引起伸长，引起激光频率由激光频率由 偏至偏至 ， 与与 的位相正好

14、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(例如温度例如温度降低降低)使使l缩短，引起激光频率缩短，引起激光频率由由 偏至偏至 ， 与与 的位相正的位相正好相同好相同 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还是大于还是大于 0 ，其结果都是，其结果都是使输出功率使输出功率p增加，而且此时增加，而且此时 p将以频率将以频率2f变化变化3.如如图为稳频原理示意图。图为稳频原理示意图。 不同同位素对兰姆凹陷的影响不同同位素对兰姆凹陷的影响4. 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

15、素的原子谱线中心有一定频第二、氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频 差。差。第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率 大小有关。大小有关。第四、稳频激光器既要单横模第四、稳频激光器既要单横模,又又 要单纵模输出要单纵模输出,所以稳频激光器腔所以稳频激光器腔 长一般较短长一般较短.第五、兰姆凹陷线型的对称性也会第五、兰姆凹陷线型的对称性也会 影响频率的稳定性。影响频率的稳定性。7.3 饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频1.饱和吸收法稳频的装置如图。饱和吸收法稳频的装置如图。 2.与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介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凹陷，如图质的吸收曲线上也有一个吸收凹陷，如图. .饱和吸收法稳频的装置示意图饱和吸收法稳频的装置示意图吸收介质的吸收曲线吸收介质的吸收曲线3.由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以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。要窄得多。4.激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增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益应该是激光管中的单程增益 和吸收管中的单和吸收管中的单程吸收程吸收 的差，即的差，即 )