新激光ppt课件第六章激光器模式选择技术.ppt

第六章 激光器模式选择技术,6.1 概述,一、横模,二、纵模,6.2 横模选择技术,一、横模选择原理,1.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,单横模运转的充分条件,该模式振荡条件,2.充分条件的具体实现,若 横模鉴别力,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和菲涅尔数N有关.,3.几种腔型的比较,对称共焦腔:g1=g2=0,半对称共焦腔:g1=0或g2=0,平行平面腔:g1=g2=1,共心腔:g1g2=1,由图可知:共焦、半共焦腔的 最大；平面、共心腔的 最小；,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,1.小孔光阑选择法,小孔光阑选模图,2.谐振腔参数g、N选择法,3.聚焦光阑选择法,聚焦光阑选模,4.非稳腔选模法,5.微调谐振腔法,6.3 纵模选择技术,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。,腔内望远镜法,纵模振荡数,纵模间隔,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,但由于频率的差异而具有不同的小信号增益系数。因此,扩大和充分利用相邻纵模间的增益差,或人为引入损耗差是进行纵模选择的有效途径。,1.短腔法,二、纵模选择方法,L,单模存在,例,He-Ne激光器，L=1m，,若L=10cm，,2.行波腔法,环形行波腔激光器,3.选择性损耗法（F-P标准具法）,法布里-珀罗标准具法示意图,F-P标准具对不同的波长具有 不同的透过率,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,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,4.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,两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3),5.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,激光二极管(LD)的两个解理面M1、M2和外反射镜M3组成复合腔,适当选择M2及M3的反射率并调节M3的位置可选出单长腔模。,6.4 模式测量方法,一、直接观测法,二、光点扫描法,第七章 激光稳频技术,7.1 概述,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,2.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.,习惯上稳定度的量度用,稳定度,短期稳定度,长期稳定度,二、影响激光频率稳定的因素,式中：m为原子跃迁谱线频率；c为谐振腔谐振频率；m为原子跃迁谱线宽度；c为谐振腔谱线宽度；为频率牵引系数（一般很小）。,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：,当L的变化为L，n的变化为n时，引起的频率相对变化为：,频率稳定,腔长和折射率稳定,1.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.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、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。,三、激光器稳频方法,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,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，把激光频率锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。,(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。如饱和吸收法。,7.2 兰姆凹陷稳频,一、兰姆凹陷,二、兰姆凹陷稳频原理,1.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化将会引起输出功率的显著变化。这种稳频激光器的基本结构如图。,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。,兰姆凹陷法稳频方框图,压电陶瓷上还需加一频率为f(约为lkHz)、幅度很小(只有零点几伏)的交流讯号，此讯号称为“搜索讯号”,压电陶瓷加一直流电压：使初始频率为0,稳频原理,假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引起激光频率由 偏至，与 的位相正好相反,假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩短，引起激光频率由 偏至，与 的位相正好相同,在中心频率附近0，不论是小于0还是大于0，其结果都是使输出功率P增加，而且此时P将以频率2f变化,3.如图为稳频原理示意图。,不同同位素对兰姆凹陷的影响,4.注意事项,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。,第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率 大小有关。,第四、稳频激光器既要单横模,又 要单纵模输出,所以稳频激光器腔 长一般较短.,第五、兰姆凹陷线型的对称性也会 影响频率的稳定性。,7.3 饱和吸收法稳频,1.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,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。,4.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 和吸收管中的单程吸收 的差，即,如图(a)，只有频率调到 附近激光才能振荡。,如图(b)，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。,反转兰姆凹陷,作业,He-Ne激光器的中心频率 荧光线宽 若腔长L=1m，问可能输出的纵模数是多少？若想获得单纵模输出，腔长最长为多少？,