可调谐激光 1-1

1、可调谐激光器的基本原理董志伟本节内容可调谐激光器的组成可调谐激光器的组成可调谐激光器的分类可调谐激光器的分类激光基本概念激光基本概念Light or laser无辐射跃迁E1E2hvE1E2hvhv受激辐射光放大（LASER）hvhvhvhvhvhvhv输入输出受激光放大特点n粒子数反转n相干光n强度高n方向性好n单色性好介质增益inoutEEG/ lkGexp 21Nk12NNN e21反转粒子数受激辐射截面介质增益小信号增益系数原子辐射线宽n自然线宽 一般原子寿命 10-910-8 s 线宽 10 100 MHz 分子振动能级跃迁 10-3 s 线宽 0.1 KHzn发光粒子具有相同运动状

2、态n不存在粒子间相互作用12ni均匀展宽n均匀展宽：对不同频率跃迁展宽效果相同n碰撞展宽:系统压力较大，粒子间相互碰撞(压力展宽)He-Ne 1 MHz/Pa（632.8 nm） 300 Pa 300 MHz氩离子 10 MHz/Pa 50 Pa 500 MHzpp1vpp1非均匀展宽n非均匀展宽：对不同频率跃迁展宽效果不同n多普勒（Doppler）展宽n以CO2激光器为例 T=300 K 多普勒展宽 60 MHz 自然线宽 0.1 MHz 1大气压时 碰撞展宽 1 GHz21202ln22MckTD跃迁展宽机理n气体/液体激光介质 碰撞展宽（压力） 多普勒展宽（温度） 1 GHz量级 n固态

3、激光介质 热振动展宽(均匀展宽) 随机不均匀性、局部缺陷（非均匀） 红宝石激光晶体 330 GHz（0.53 nm） Nd:YAG激光晶体 200 GHz（0.67 nm）粒子数分布原子线型函数n上能级单位频率间隔粒子数n单位频率辐射（吸收）跃迁几率 20,NqN1,00dq 02,NdqN d 均匀展宽线型n洛伦兹（Lorentzian）线型n峰值= 0 122022 q20q非均匀展宽线型 2ln2exp2ln22021q2102ln2qn高斯（Gaussian）线型n峰值= 0受激发射截面n谱线中心处的受激发射截面n对洛伦兹线型n对高斯线型 qnfe2280fen222040212202

4、ln40fen激光材料的受激辐射截面n红宝石激光晶体 波长694 nm 折射率1.76 半高宽0.34 THz 荧光寿命410-3 s 受激辐射截面2.810-20 cm2n若丹明6G 波长590 nm 折射率1.36 半高宽30 THz 荧光寿命5.510-9 s 受激辐射截面1.810-16 cm2n掺Ti蓝宝石 波长790 nm 折射率1.76 半高宽66 THz 荧光寿命3.210-6 s 受激辐射截面2.410-19 cm2固定波长与可调谐激光器n固定波长激光器 输出激光仅含有一个或几个固定波长激光 He-Ne 632.8 nm 1.15 m 3.39 m Nd:YAG 0.91 m

5、 1.06 m 1.35 m n可调谐激光器 输出激光可在一定波长范围内连续改变可调谐激光器种类n基于介质宽带发射光谱+选频技术 染料激光器、可调谐准分子激光器、固体过渡金属离子激光器、高压气体激光器、色心激光器等n非线性光学的光参量过程 光参量振荡、光参量放大、倍频、和频、差频等可调谐激光器种类n介质物态 气体、液体和固体可调谐激光器n可调谐波长范围 紫外、红外和可见可调谐激光器n工作状态 脉冲运转和连续运转可调谐激光器各种可调谐激光器的调谐范围固定波长激光器基本结构n工作介质 晶体、半导体、气体等n谐振腔 输出耦合镜+全反镜(Fabry-Perot)n泵浦源 光激励 电激励脉冲可调谐激光器

6、n工作物质 宽带荧光光谱 液态染料、激光晶体、高压分子气体、准分子气体n泵浦源 激光泵浦（横向泵浦、纵向泵浦） 闪光灯泵浦（快放电）n谐振腔 选频（光栅、标准具、棱镜等） 腔镜镀宽带介质膜脉冲可调谐激光器的基本组成n染料激光器脉冲可调谐激光器的基本组成n掺钛蓝宝石激光器脉冲染料可调谐振荡-放大系统n1974 Haesch, Wallenstainn汉斯振荡-放大系统汉斯振荡-放大系统组成n激光泵浦系统 泵浦光能量分配及延迟n光栅选频腔与线宽压窄 扩束及主被动选频 望远镜扩束+光栅选频(汉斯型选频腔)n前置放大与光隔离 阻断ASE后向传播n功率放大与光学滤波 棱镜光谱滤波+小孔空间滤波 抑制ASE背景与高阶模n激光调谐系统 光栅调谐、标准具调谐及气压调谐n光倍频及其他混频技术 扩宽调谐范围商用染料可调谐激光器脉冲掺Ti蓝宝石振荡-放大系统连续波可调谐激光器n泵浦源 连续波或准连续波激光器 泵浦功率及速率较小n增益介质长度及掺杂浓度小n泵浦光会聚n低浓度、小增益体积n谐振腔小储能、小增益n控制谐振腔损耗可调谐染料及固体激光器共同点n发光机制 宽带二能级n荧光寿命相对较短n波长选择n泵浦源n。参考教材n1张国威，可调谐激光技术，国防工业出版社，2001n2. W. Koechn