1、第七章第七章 激光器特性的控制與改善激光器特性的控制與改善 從一臺簡單激光器出射的激光束，其性能從一臺簡單激光器出射的激光束，其性能往往體不能滿足應(yīng)用的需要，因此不斷地往往體不能滿足應(yīng)用的需要，因此不斷地發(fā)展了旨在控制與改善激光器輸出特件的發(fā)展了旨在控制與改善激光器輸出特件的各種單元技術(shù)。為了改善激光器輸出光的各種單元技術(shù)。為了改善激光器輸出光的時間相干性或空間相干件，發(fā)展了模式選時間相干性或空間相干件，發(fā)展了模式選擇、穩(wěn)頻及注入鎖定技術(shù)。為了獲得窄脈擇、穩(wěn)頻及注入鎖定技術(shù)。為了獲得窄脈沖高峰值功率的激光束，發(fā)展了沖高峰值功率的激光束，發(fā)展了Q調(diào)制、調(diào)制、鎖模、增益開關(guān)及腔倒空等技術(shù)鎖模、增益

2、開關(guān)及腔倒空等技術(shù)。7、1 模式選擇模式選擇 理想激光器的輸出光束應(yīng)只具有理想激光器的輸出光束應(yīng)只具有個模式，個模式，然而若不采取選模措施，多數(shù)激光器的工作狀然而若不采取選模措施，多數(shù)激光器的工作狀態(tài)往往是多模的。含有高階橫模的激光束光強態(tài)往往是多模的。含有高階橫模的激光束光強分布不均勻，光束發(fā)散角較大。含有多縱模及分布不均勻，光束發(fā)散角較大。含有多縱模及多橫模的激光束單色性及相干性差。激光準直、多橫模的激光束單色性及相干性差。激光準直、激光加工、非線性光學(xué)研究、激光中遠程測距激光加工、非線性光學(xué)研究、激光中遠程測距等應(yīng)用均需基橫模激光束。而在精密干涉計量、等應(yīng)用均需基橫模激光束。而在精密干涉

3、計量、光通信及大面積全息照相等應(yīng)用中不僅要求激光通信及大面積全息照相等應(yīng)用中不僅要求激光是單橫模的，同時要求光束僅含有一個縱模。光是單橫模的，同時要求光束僅含有一個縱模。一、橫模選擇一、橫模選擇諧振腔中不同橫模具有不同的損耗是橫模選諧振腔中不同橫模具有不同的損耗是橫模選擇的物理基礎(chǔ)。在穩(wěn)定腔小，基模的衍射損擇的物理基礎(chǔ)。在穩(wěn)定腔小，基模的衍射損耗最低，隨著橫模階次的增高，衍射損耗將耗最低，隨著橫模階次的增高，衍射損耗將迅速增加。迅速增加。 在各個橫模的增益大體相向的條件下，不同在各個橫模的增益大體相向的條件下，不同橫模間衍射損耗的差別就是進行橫模選擇的橫模間衍射損耗的差別就是進行橫模選擇的根據(jù)

4、。因此，必須盡量增大高階橫模與基模根據(jù)。因此，必須盡量增大高階橫模與基模的衍射損耗比，損耗比越大，則橫模鑒別力的衍射損耗比，損耗比越大，則橫模鑒別力越高。同時還應(yīng)使衍射損耗在總損耗中占有越高。同時還應(yīng)使衍射損耗在總損耗中占有足夠的比例足夠的比例 衍射損耗的大小及模鑒別力的高低與諧衍射損耗的大小及模鑒別力的高低與諧振腔的腔型和菲涅耳數(shù)有關(guān)振腔的腔型和菲涅耳數(shù)有關(guān)1小孔光闌選模小孔光闌選模在諧振腔內(nèi)設(shè)置小孔光闌或限制工作物質(zhì)在諧振腔內(nèi)設(shè)置小孔光闌或限制工作物質(zhì)橫截面積可降低諧振腔的菲涅爾數(shù)，增加橫截面積可降低諧振腔的菲涅爾數(shù)，增加衍射損耗，從而使激光器實現(xiàn)基橫模運行。衍射損耗，從而使激光器實現(xiàn)基橫

5、模運行。這這方法的實質(zhì)是使光斑尺寸較小的基模方法的實質(zhì)是使光斑尺寸較小的基模無阻擋地通過小孔光闌，而光班尺寸較大無阻擋地通過小孔光闌，而光班尺寸較大的高階橫模卻受到阻攔而遭受較大的損耗。的高階橫模卻受到阻攔而遭受較大的損耗。由于在諧振腔的不同位置，光斑尺寸不由于在諧振腔的不同位置，光斑尺寸不同所以小孔光闌的大小因其位置而異。同所以小孔光闌的大小因其位置而異。 2、諧振腔參數(shù)、諧振腔參數(shù)g/N選擇法選擇法3、非穩(wěn)腔選模、非穩(wěn)腔選模 4微調(diào)諧振腔微調(diào)諧振腔 對于平面腔，當(dāng)腔鏡傾斜時基模損耗增加對于平面腔，當(dāng)腔鏡傾斜時基模損耗增加最顯著，腔的偏調(diào)有利于高階模的優(yōu)先振最顯著，腔的偏調(diào)有利于高階模的優(yōu)先

6、振蕩。對于穩(wěn)定腔，由于基模體積最小面高蕩。對于穩(wěn)定腔，由于基模體積最小面高階模的體積較大，當(dāng)腔鏡發(fā)生傾斜時高階模的體積較大，當(dāng)腔鏡發(fā)生傾斜時高階橫模損耗顯著增大，基模受到的影響較階橫模損耗顯著增大，基模受到的影響較小，因而仍可繼續(xù)維持振蕩。這樣，適當(dāng)小，因而仍可繼續(xù)維持振蕩。這樣，適當(dāng)將腔鏡傾斜就可以抑制高階橫模。將腔鏡傾斜就可以抑制高階橫模。 二、縱模選擇二、縱模選擇 在激光工作物質(zhì)中，往往存在多對激光振蕩能在激光工作物質(zhì)中，往往存在多對激光振蕩能級，可以利用窄帶介質(zhì)膜反射鏡、光柵或棱鏡級，可以利用窄帶介質(zhì)膜反射鏡、光柵或棱鏡等組成色散腔獲得特定波長躍遷的振蕩。本節(jié)等組成色散腔獲得特定波長躍

7、遷的振蕩。本節(jié)討論如何在特定躍遷譜線寬度范圍內(nèi)獲得單縱討論如何在特定躍遷譜線寬度范圍內(nèi)獲得單縱模振蕩的方法。模振蕩的方法。 一般諧振腔中不同縱模有著相同的損耗，但一般諧振腔中不同縱模有著相同的損耗，但由于頻率的差異而具有不同的小信號增益系數(shù)。由于頻率的差異而具有不同的小信號增益系數(shù)。因此，擴大和充分利用相鄰縱模間的增益差，因此，擴大和充分利用相鄰縱模間的增益差，或人為引入損耗差是進行縱模選擇的有效途徑?；蛉藶橐霌p耗差是進行縱模選擇的有效途徑。 1短腔法短腔法 縮短諧振腔長度，可以增大相鄰縱模間縮短諧振腔長度，可以增大相鄰縱模間隔，以致在熒光譜線有效寬度內(nèi)，只存在隔，以致在熒光譜線有效寬度內(nèi)，

8、只存在一個縱模，從而實現(xiàn)單縱模振蕩。一個縱模，從而實現(xiàn)單縱模振蕩。 2行波腔法行波腔法 在均勻加寬激光器中，雖然增益飽和過程中的在均勻加寬激光器中，雖然增益飽和過程中的模競爭效應(yīng)有助于形成單縱模振蕩，由于駐波腔模競爭效應(yīng)有助于形成單縱模振蕩，由于駐波腔中空間燒孔的存在，當(dāng)激勵足夠強時，仍然出現(xiàn)中空間燒孔的存在，當(dāng)激勵足夠強時，仍然出現(xiàn)多縱模振蕩。若采用環(huán)行腔，并在腔內(nèi)插入一個多縱模振蕩。若采用環(huán)行腔，并在腔內(nèi)插入一個只允許光單向通過的隔離器，可形成無空間燒孔只允許光單向通過的隔離器，可形成無空間燒孔的行波腔，從而實現(xiàn)單縱模振蕩。的行波腔，從而實現(xiàn)單縱模振蕩。 3選擇性損耗法選擇性損耗法 若在腔

9、內(nèi)插入標準具或構(gòu)成組合腔，則由于若在腔內(nèi)插入標準具或構(gòu)成組合腔，則由于多光束干涉效應(yīng)，諧振腔具有與頻率有關(guān)的選多光束干涉效應(yīng)，諧振腔具有與頻率有關(guān)的選擇性損耗，損耗小的縱模形成振蕩，損耗大的擇性損耗，損耗小的縱模形成振蕩，損耗大的縱模則被抑制?？v模則被抑制。 72 頻率穩(wěn)定頻率穩(wěn)定 激光的特點之一是單色性好，即其線寬與頻率激光的特點之一是單色性好，即其線寬與頻率比值很小。自發(fā)輻射噪聲引起的激光線寬極限比值很小。自發(fā)輻射噪聲引起的激光線寬極限確實很小，但由于各種不穩(wěn)定因素的影響，實確實很小，但由于各種不穩(wěn)定因素的影響，實際激光頻率的漂移遠遠大于線寬極限。在精密際激光頻率的漂移遠遠大于線寬極限。在

10、精密干涉測量、光頻標、光通信、激光陀螺及精密干涉測量、光頻標、光通信、激光陀螺及精密光譜研究等應(yīng)用領(lǐng)域中，需要頻率穩(wěn)定的激光。光譜研究等應(yīng)用領(lǐng)域中，需要頻率穩(wěn)定的激光。為了改善頻率穩(wěn)定性通常采用電子伺服控為了改善頻率穩(wěn)定性通常采用電子伺服控制激光頻率，當(dāng)激光頻率偏離標準頻率時，制激光頻率，當(dāng)激光頻率偏離標準頻率時，鑒頻器給出誤差信號控制腔長，使激光頻鑒頻器給出誤差信號控制腔長，使激光頻率自動回到標準頻率，通常所說的頻率穩(wěn)率自動回到標準頻率，通常所說的頻率穩(wěn)定特性包含著頻率穩(wěn)定性及頻率復(fù)現(xiàn)性兩定特性包含著頻率穩(wěn)定性及頻率復(fù)現(xiàn)性兩個方面。個方面。 一、蘭姆凹陷穩(wěn)頻一、蘭姆凹陷穩(wěn)頻 蘭姆凹陷法以增益

11、曲線中心頻率蘭姆凹陷法以增益曲線中心頻率v0為參為參考標準頻率，電子伺服系統(tǒng)通過壓電陶瓷考標準頻率，電子伺服系統(tǒng)通過壓電陶瓷控制激光器的腔長，使頻率穩(wěn)定于控制激光器的腔長，使頻率穩(wěn)定于v0。單縱單縱模激光器安裝在殷鋼或石英制成的諧振腔模激光器安裝在殷鋼或石英制成的諧振腔間隔器上，其中間隔器上，其中塊反射鏡貼在壓電陶瓷塊反射鏡貼在壓電陶瓷環(huán)上，當(dāng)壓電陶瓷外表面加正電壓、內(nèi)表環(huán)上，當(dāng)壓電陶瓷外表面加正電壓、內(nèi)表面加負電壓時壓電陶瓷伸長，反之則縮短，面加負電壓時壓電陶瓷伸長，反之則縮短，因而可利用壓電陶瓷的伸縮來控制腔長。因而可利用壓電陶瓷的伸縮來控制腔長。 為了改善頻率穩(wěn)定性，希望微弱的頻率為了改

12、善頻率穩(wěn)定性，希望微弱的頻率漂移就能產(chǎn)生足以將頻率拉回漂移就能產(chǎn)生足以將頻率拉回v0的誤差信號，的誤差信號，這就要求蘭姆凹陷窄而深。凹陷的深度和激這就要求蘭姆凹陷窄而深。凹陷的深度和激發(fā)參量發(fā)參量gm 成正比，所以使激光器工作于成正比，所以使激光器工作于最佳電流并降低損耗可以增加凹陷深度。凹最佳電流并降低損耗可以增加凹陷深度。凹陷寬度陷寬度 v則正比于則正比于 v L，因而正比于氣，因而正比于氣壓故降低氣壓可使凹陷變窄，但氣壓過低壓故降低氣壓可使凹陷變窄，但氣壓過低會使激光器功率降低，甚至使激光不能產(chǎn)生。會使激光器功率降低，甚至使激光不能產(chǎn)生。 二、塞曼穩(wěn)頻二、塞曼穩(wěn)頻 利用塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻的方法

13、可分為縱向塞利用塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻的方法可分為縱向塞曼穩(wěn)頻曼穩(wěn)頻(外磁場方向與激光管軸線平行外磁場方向與激光管軸線平行)、橫向塞曼穩(wěn)頻及塞曼吸收穩(wěn)頻橫向塞曼穩(wěn)頻及塞曼吸收穩(wěn)頻(利用腔內(nèi)吸利用腔內(nèi)吸收介質(zhì)的塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻）等三種。本節(jié)以收介質(zhì)的塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻）等三種。本節(jié)以縱向塞曼穩(wěn)頻的氦氖雙頻激光器為例說明縱向塞曼穩(wěn)頻的氦氖雙頻激光器為例說明塞曼穩(wěn)頻的原理塞曼穩(wěn)頻的原理。雙頻激光器穩(wěn)頻的方法之一雙頻激光器穩(wěn)頻的方法之一:測出二圓偏振光測出二圓偏振光輸出功率差值，作為鑒頻的誤差信號，通過輸出功率差值，作為鑒頻的誤差信號，通過伺服控制系統(tǒng)控制激光器腔長。伺服控制系統(tǒng)控制激光器腔長。 左、右旋圓左、右旋圓偏振

14、光的頻率差與無源腔頻率有關(guān)，偏振光的頻率差與無源腔頻率有關(guān)，vq0=v0時，時，最小，利用拍頻方法測出左、右旋圓偏振最小，利用拍頻方法測出左、右旋圓偏振光的頻差可以提供鑒頻的誤差信號。光的頻差可以提供鑒頻的誤差信號。 雙頻穩(wěn)雙頻穩(wěn)頻激光器的頻率穩(wěn)定性可達頻激光器的頻率穩(wěn)定性可達1010l011頻頻率復(fù)現(xiàn)性為率復(fù)現(xiàn)性為107108,構(gòu)成的干涉儀具有較構(gòu)成的干涉儀具有較強的抗干擾能力，可用于工業(yè)中的精密計量。強的抗干擾能力，可用于工業(yè)中的精密計量。三、飽和吸收穩(wěn)頻三、飽和吸收穩(wěn)頻 前面都是以增益曲線中心頻率前面都是以增益曲線中心頻率v0作為參考標作為參考標準頻率，但準頻率，但v0易受放電條件的影響

15、而發(fā)生變化，易受放電條件的影響而發(fā)生變化，因此頻率復(fù)現(xiàn)性差。為了提高穩(wěn)頻精度，希因此頻率復(fù)現(xiàn)性差。為了提高穩(wěn)頻精度，希望降低氣壓以提高蘭姆下陷的銳度但激光望降低氣壓以提高蘭姆下陷的銳度但激光管不能在過低的氣壓下工作，因此頻率穩(wěn)定管不能在過低的氣壓下工作，因此頻率穩(wěn)定性的進一步減少也受到限制。性的進一步減少也受到限制。 飽和吸收穩(wěn)頻：在外腔激光器的腔內(nèi)置一飽和吸收穩(wěn)頻：在外腔激光器的腔內(nèi)置一吸收管，吸收管內(nèi)的氣體在激光振蕩頻率處吸收管，吸收管內(nèi)的氣體在激光振蕩頻率處有強吸收峰。吸收管內(nèi)氣壓很低，通常只有有強吸收峰。吸收管內(nèi)氣壓很低，通常只有110Pa。低壓氣體吸收峰的頻率很穩(wěn)定，因。低壓氣體吸收

16、峰的頻率很穩(wěn)定，因此頻率復(fù)現(xiàn)性好。此頻率復(fù)現(xiàn)性好。當(dāng)入射光足夠強時，由于下能級粒子數(shù)的減當(dāng)入射光足夠強時，由于下能級粒子數(shù)的減少和上能級粒子數(shù)的增加，吸收系數(shù)將隨入少和上能級粒子數(shù)的增加，吸收系數(shù)將隨入射光強之增加而減小，這就是吸收飽和現(xiàn)象。射光強之增加而減小，這就是吸收飽和現(xiàn)象。吸收飽和現(xiàn)象和前面討論的增益飽和現(xiàn)象是吸收飽和現(xiàn)象和前面討論的增益飽和現(xiàn)象是完全類似的。若把吸收看成負增益，則關(guān)于完全類似的。若把吸收看成負增益，則關(guān)于增益飽和的全部理論均可用于吸收飽和。由增益飽和的全部理論均可用于吸收飽和。由于吸收管內(nèi)氣壓很低，吸收譜線主要是多普于吸收管內(nèi)氣壓很低，吸收譜線主要是多普勒加寬。勒加寬。四、無源腔穩(wěn)頻四、無源腔穩(wěn)頻 外界無源腔的特征頻率也以用作穩(wěn)頻的參外界無源腔的特征頻率也以用作穩(wěn)頻的參考頻率。圖中法考頻率。圖中法珀干涉儀的透過率隨光頻珀干涉儀的透過率隨光頻率變化，激光頻率的變化將引起透過法率變化，激光頻率的變化將引起透過法珀珀干涉儀光功率的變化