激光原理与技术：第21讲 极限线宽、选模、稳频技术

激光原理与技术·原理部分第21讲极限线宽、选模、稳频技术21.1连续激光器极限线宽第三章曾经得到无源腔内的光强为：则光场振幅为：故光场为：上式表示的衰减振动将具有有限的谱线宽度：τR为腔内光子寿命，δ为无源腔单程损耗，L’为腔光学长度，Δνc为无源腔中本征模式的谱线宽度。21.1连续激光器极限线宽对有源腔，其单程净损耗为：则线宽为：稳态工作时有，则理论上由于存在自发辐射，ΔνS不可能为0，由四能级系统速率方程有：al为分配到该模式上的自发辐射几率：21.1连续激光器极限线宽稳定运行时：则：由于有自发辐射，单程损耗略大于单程增益，δS不为零。21.1连续激光器极限线宽输出功率P0=Pst+Psp，Pst为受激辐射，Psp为分配到该模式的自发辐射功率，Psp<<Pst，如果除了输出镜的透过率外，其他损耗不计，则稳定工作时：21.1连续激光器极限线宽将以上得到的式子带入到Δνs的表达式中可以求出：例：对于长度30cm，T=0.02，P0=1mW的He-Ne激光器，可以求出：这种线宽是由于自发辐射而产生的，无法排除，成为线宽极限，实际激光器中由于各种不稳定因素，纵模频率漂移远大于极限线宽；P0越大，极限线宽越窄，因为随着P0增大，同一个模式内的相干光子数增加，受激辐射功率与自发辐射功率比之增大，因此线宽变窄；单程损耗δ下降或者谐振腔长度增加也会引起线宽下降；21.2模式选择技术1、模式选择的意义激光区别于普通光的特点在于功率高、单色性好、方向性好和相干性好，理想的激光输出应为单横模、单纵模输出；实际的激光器总是工作再多横模和多纵模状态；横模选择及其意义模式阶数越高，光强分布图案越复杂，分布范围越大，发散角越大；横模阶数越低，越有利于加工等有关应用；要选出单纵模，必须先选出单横模；21.2模式选择技术纵模选择及其意义有一些应用，例如外差探测、全息照相技术、精密计量技术等对激光的频率宽度有严格的要求，因此需要选出单纵模。2、横模选择技术横模选择的原则：必须尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比；必须尽量减少其它损耗，相对增大衍射损耗；21.2模式选择技术横模选择技术小孔光阑选模聚焦光阑法21.2模式选择技术3、纵模选择技术短腔选模

当L减小时，Δνq增大，当增大到大于ΔνT后，就可以选出单纵模。F-P标准具法复合腔选纵模21.3稳频技术激光器中Δν与ν的比值很小，即单色性很好，但频率漂移较严重，稳频就是用手段稳定ν，单纵模单横模激光器中纵模频率为：引起Δν的因素：激光管发热、机械振动引起ΔL，温度变化、介质中反转集居数起伏，大气气压、温度变化等都回影响工作物质及腔暴露在大气部分的折射率Δη：21.3稳频技术定义频率稳定性描述Laser的频率稳定性；例：一个管壁材料为硬玻璃管的内腔式He-Ne激光器，当ΔT为±1℃时，由于腔长变化引起的频率漂移已经超出增益曲线范围，因此再不采取措施时有：稳频有两个含义：1、频率的稳定性；2、频率的复现性，即参考标准频率νs本身的变化；21.3稳频技术当ν=ν0时，对压电陶瓷调整时，P0为最小值，因此不论腔长增大还是减小