1、激光原理與應(yīng)用,本章主要內(nèi)容：,1. 激 光 器 輸 出 的 選 模 2. 激 光 器 的 穩(wěn) 頻 3. 激 光 束 的 變 換 4. 激 光 調(diào) 制 技 術(shù) 5. 激 光 偏 轉(zhuǎn) 技 術(shù) 6. 激 光 調(diào) Q 技 術(shù) 7. 激 光 鎖 模 技 術(shù),(1) 當(dāng)強(qiáng)度很大的光通過(guò)均勻增益型介質(zhì)時(shí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布值下降，增益系數(shù)相應(yīng)下降，但光譜的線型并不改變。,4.1.1 激光單縱模的選?。ㄟx頻）,1. 均勻增寬型譜線的縱模競(jìng)爭(zhēng),(2) 多縱模的情況下，如圖4-1所示，設(shè)有q-1，q，q+1三個(gè)縱模滿足振蕩條件。隨著腔內(nèi)光強(qiáng)逐步增強(qiáng)，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q 模的光強(qiáng)繼續(xù)增長(zhǎng)， 最后變?yōu)榍€

2、3的情形。,圖4-1 均勻增寬型譜線縱模競(jìng)爭(zhēng),(3)若此時(shí)的光強(qiáng)為Iq，則有 ，于是振蕩達(dá)到穩(wěn)定，使激光器的內(nèi)部只剩下q縱模的振蕩。這種現(xiàn)象叫做“縱模的競(jìng)爭(zhēng)”，競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果總是最靠近譜線中心頻率的那個(gè)縱模被保持下來(lái)。,圖4-1 均勻增寬型譜線縱模競(jìng)爭(zhēng),(4)在均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器中，當(dāng)激發(fā)比較強(qiáng)時(shí)，也可能有比較弱的其他縱模出現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱為模的“空間競(jìng)爭(zhēng)”。,4.1.1 激光單縱模的選?。ㄟx頻）,2. 非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩,圖(2-14) 非均勻增寬型激光器中的增益飽和,圖(2-8) 均勻增寬型增益飽和曲線,原因： 在均勻曾寬情況下，每個(gè)粒子對(duì)譜線不同頻率的增益都有貢獻(xiàn) 在非均勻曾寬情

3、況下，單個(gè)粒子僅對(duì)特定頻率處的增益有貢獻(xiàn),現(xiàn)象： 非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個(gè)縱模。,3. 單縱模的選取,(1) 短腔法：,兩相鄰縱模間的頻率差 ，要想得到單一縱模的輸出，只要縮短腔長(zhǎng)，使 的寬度大于增益曲線閾值以上所對(duì)應(yīng)的寬度。,缺點(diǎn)： 影響了激光器的輸出功率。,4.1.1 激光單縱模的選?。ㄟx頻）,圖4-x 非均勻增寬型譜線縱模選取,圖(4-2) 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法示意圖,(2) 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法：,如圖4-2所示，在外腔激光器的諧振腔內(nèi)，沿幾乎垂直于腔軸方向插入一個(gè)法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具,由于多光束干涉的結(jié)果，對(duì)于滿足下列條件的光具有極高的透射率：,能獲得最大透射率的頻率間隔為：

4、,(3) 三反射鏡法：,如圖 4-3 所示，激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組合所代替，其中 M3和M4為全反射鏡，M2是具有適當(dāng)透射率的部分透射部分反射鏡。這個(gè)組合相當(dāng)于兩個(gè)諧振腔的耦合，長(zhǎng)腔：L1+L2，短腔： L2+L3。,圖4-3 三反射鏡法,兩個(gè)諧振腔的縱模頻率間隔分別為：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)，只有同時(shí)滿足兩個(gè)諧振頻率條件的光才能形成振蕩。,(4) 其他方法還包括： 單反射表面腔法、行波腔選模法、 晶體雙折射選模法、吸收介質(zhì)選模技術(shù)等。,4.1.2 激光單橫模的選?。ㄟx模）,1. 衍射損耗和菲涅耳數(shù),( 1 )由于衍射效應(yīng)形成的光能量損失稱為衍射損耗。,(2)如

5、圖4-4所示的球面共焦腔，鏡面上的基橫模高斯光束光強(qiáng)分布可以表示為,圖4-4 腔的衍射損耗,(3)單程衍射損耗為射到鏡面外而損耗掉的光功率與射向鏡面的總光功率之比,(4)分析衍射損耗時(shí)為了方便，經(jīng)常引入一個(gè)所謂“菲涅爾數(shù)”的參量，它定義為,2. 衍射損耗曲線,(2) 圖4-5給出了圓截面共焦腔和平行平面腔的衍射損耗菲涅爾數(shù)曲線。,圖4-5 不同腔的衍射損耗曲線,(1) 球面共焦腔基橫模衍射損耗表達(dá)式 ：,菲涅爾數(shù)N越大，衍射損耗D越小；,菲涅爾數(shù)N相同，橫模序數(shù)越低，衍射損耗D越小；,菲涅爾數(shù)N相同，橫模序數(shù)相同，共焦腔比平行平面腔的衍射損耗D小。,4.1.2 激光單橫模的選?。ㄟx模）,3.光

6、闌法選取單橫模,基本做法是在諧振腔內(nèi)插入一個(gè)適當(dāng)大小的小孔光闌。,4.聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模,(1)聚焦光闌法：如圖4-6所示，在腔內(nèi)插入一組透鏡組，使光束在腔內(nèi)傳播時(shí)盡量經(jīng)歷較大的空間，以提高輸出功率。,圖4-6 聚焦光闌法,4.1.2 激光單橫模的選?。ㄟx模）,(2)腔內(nèi)加望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的選橫模方法，其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。,圖4-6 聚焦光闌法,圖4-7 腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法,5.其他方法還包括：,凹凸透鏡選模、腔內(nèi)加臨界角反射器選模、利用調(diào)Q選模等。,小結(jié)：,激光單縱模選取的基本方法 短腔法。 激光單橫模選取的基本方法 光闌法。,4.2.1 影響頻率穩(wěn)定的因素,對(duì)共焦腔的TEM00模來(lái)說(shuō)，諧

7、振頻率的公式可以簡(jiǎn)化為：,當(dāng)L的變化為L(zhǎng)，的變化為時(shí)，引起的頻率相對(duì)變化為：,穩(wěn)定度是指激光器在一次連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的頻率漂移與振蕩頻率之比,復(fù)現(xiàn)性是激光器在不同地點(diǎn)、時(shí)間、環(huán)境下使用時(shí)頻率的相對(duì)變化量,基本概念,4.2.1 影響頻率穩(wěn)定的因素,1. 腔長(zhǎng)變化的影響,(1) 溫度變化：一般選用熱膨脹系數(shù)小的材料做為諧振腔的的支架,(2) 機(jī)械振動(dòng)：采取減震措施,2. 折射率變化的影響,(1)內(nèi)腔激光器: 溫度T、氣壓P、濕度h的變化很小，可以忽略,(2)外腔和半內(nèi)腔激光器: 腔的一部分處于大氣之中，溫度T、氣壓P、濕度h 的變化較放電管內(nèi)顯著。應(yīng)盡量減小暴露于大氣的部分，同時(shí)還要屏蔽通風(fēng)以減小T

8、 、 P、 h的脈動(dòng)。,4.2.2 穩(wěn)頻方法概述,1. 被動(dòng)式穩(wěn)頻,利用熱膨脹系數(shù)低的材料制做諧振腔的間隔器，或用膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長(zhǎng)度配合；應(yīng)、盡量減小暴露于大氣的部分，同時(shí)還要屏蔽通風(fēng)以減小T 、 P、 h的脈動(dòng)。,圖4-x 可調(diào)諧CO激光器,4.2.2 穩(wěn)頻方法概述,把單頻激光器的頻率與某個(gè)穩(wěn)定的參考頻率相比較，當(dāng)振蕩頻率偏離參考頻率時(shí)，鑒別器就產(chǎn)生一個(gè)正比于偏離量的誤差信號(hào)。,2.主動(dòng)式穩(wěn)頻,(1) 把激光器中原子躍遷的中心頻率做為參考頻率， 把激光頻率鎖定到躍遷的中心頻率上，如蘭姆凹陷法。,(2) 把振蕩頻率鎖定在外界的參考頻率上， 實(shí)驗(yàn)中常用分子或原子

9、的吸收線作為參考頻率，如飽和吸收法。,4.2.3 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻,1.蘭姆凹陷的中心頻率即為譜線的中心頻率 ，在其附近頻率的微小變化將會(huì)引起輸出功率的顯著變化。,圖4-8 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻激光器的基本結(jié)構(gòu),圖(3-14) P（）曲線與“蘭姆凹陷”,4.2.3 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻,2.腔長(zhǎng)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的方框圖如圖4 - 9 所示,圖4-9 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻方框圖,壓電陶瓷加一直流電壓：使初始頻率為,壓電陶瓷上還需加一頻率為f(約為lkHz)、幅度很小(零點(diǎn)幾伏)的交流訊號(hào)，此訊號(hào)稱為“搜索訊號(hào)”,圖4-10 穩(wěn)頻原理,4.2.3 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻,3.圖4-10為穩(wěn)頻原理示意圖。,假如由于某種原因(例如溫

10、度升高)使L伸長(zhǎng)，引起激光頻率由0偏至A,P與 的位相正好相反,假如由于某種原因(例如溫度降低)使L縮短，引起激光頻率由0偏至B,P與 的位相正好相同,在中心頻率附近0 ，不論是 小于0 還是大于0 ，其結(jié)果都是使輸出功率P增加，而且此時(shí)P將以頻率2f變化,圖4-10 穩(wěn)頻原理,4.2.3 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻,圖(4-11) 不同同位素對(duì)蘭姆凹陷的影響,4. 注意事項(xiàng),第一、激光器的激勵(lì)電源是穩(wěn)壓和穩(wěn)流的。,第二、氖的不同同位素的原子譜線中心有一定頻差。,第三、頻率的穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率大小有關(guān)。,4.2.4 飽和吸收法穩(wěn)頻,1.飽和吸收法穩(wěn)頻的示意裝置如圖4-12所示。,2.與激光輸出

11、功率曲線的蘭姆凹陷相似，在吸收介質(zhì)的吸收曲線上也有一個(gè)吸收凹陷，如圖4-13所示 。,圖4-12 飽和吸收法穩(wěn)頻的裝置示意圖,圖4-13 吸收介質(zhì)的吸收曲線,3.由于吸收管內(nèi)的壓強(qiáng)很低，碰撞增寬很小，所以吸收線中心形成的凹陷比激光管中蘭姆凹陷的寬度要窄得多。,4.2.4 飽和吸收法穩(wěn)頻,4.激光通過(guò)激光管和吸收管時(shí)所得到的單程凈增益應(yīng)該是激光管中的單程增益 和吸收管中的單程吸收 的差，即,如圖4-14(a)，只有頻率調(diào)到 附近激光才能振蕩。,如圖4-14(b)，頻率在整個(gè)線寬范圍內(nèi)調(diào)諧均能振蕩。,圖(4-14) 反轉(zhuǎn)蘭姆凹陷,小結(jié)：,蘭姆凹陷法穩(wěn)頻基本原理：,4.3.1 高斯光束通過(guò)薄透鏡時(shí)的

12、變換,1. 透鏡的成像公式：,從波動(dòng)光學(xué)的角度講，薄透鏡的作用是改變光波波陣面的曲率半徑。,2. 規(guī)定發(fā)散球面波的曲率半徑為正，會(huì)聚球面波的曲率半徑為負(fù)，則如圖4-15所示，成像公式可改寫為：,圖4-15 球面波通過(guò)薄透鏡的變換,4.3.1 高斯光束通過(guò)薄透鏡時(shí)的變換,實(shí)際問(wèn)題中，通常 和 是已知的，此時(shí) ，則入射光束在鏡面處的波陣面半徑和有效截面半徑分別為：,3. 將透鏡的變換應(yīng)用到高斯光束上。如圖4-16所示，有以下關(guān)系：,圖4-16 高斯光束通過(guò)薄透鏡的變換,4. 綜合以上各式可求得出射光束在鏡面處的波陣面半徑 和有效截面半徑 。,于是可以通過(guò)入射光束的 、 來(lái)確定出射光束的 、 。,圖

13、4-16 高斯光束通過(guò)薄透鏡的變換,4.3.1 高斯光束通過(guò)薄透鏡時(shí)的變換,又：,(1) 短焦距：即,4.3.2 高斯光束的聚焦,1.高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的聚焦情形,(2) 此時(shí),(3) 在滿足條件 和 的情況下，出射的光束聚焦于透鏡的焦點(diǎn)附近。如圖4-17所示，這與幾何光學(xué)中的平行光通過(guò)透鏡聚焦在焦點(diǎn)上的情況類似。,圖4-17 短焦距透鏡的聚焦,(4) 同時(shí)可以得到：,圖4-17 短焦距透鏡的聚焦,(5)由 可知縮短 和加大 都可以縮小聚焦點(diǎn)光斑尺寸的目的。,前一種方法就是要采用焦距小的透鏡,后一種方法又有兩種途徑：一種是通過(guò)加大s來(lái)加大；另一種辦法就是加大入射光的發(fā)散角從而加大 ，加

14、大入射光的發(fā)散角又可以有兩種做法 ，如圖4-18和圖4-19,圖4-18 用凹透鏡增大后獲得微小的0,圖4-19 用兩個(gè)凸透鏡聚焦,(6)此外可得到0與0的關(guān)系：,這與幾何光學(xué)中物、象的尺寸比例關(guān)系是一致的。,通過(guò)以上的討論我們看到，不論是聚焦點(diǎn)的位置，還是求會(huì)聚光斑的大小，都可以在一定的條件下把高斯光束按照幾何光學(xué)的規(guī)律來(lái)處理,4.3.2 高斯光束的聚焦,2.入射高斯光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的情形,(1),(2)同樣有：,(3) 當(dāng) s 和 f 相差不大時(shí)，高斯光束的聚焦特性會(huì)與幾何光學(xué)的規(guī)律迥然不同。即當(dāng)入射高斯光束的束腰位于透鏡的焦點(diǎn)附件時(shí)，出射高斯光束的束腰也位于 透鏡的另

15、一焦點(diǎn)附近，同時(shí)入射光的束腰半徑越小，出射光的束腰半徑越大。,4.3.3 高斯光束的準(zhǔn)直,1.高斯光束的準(zhǔn)直：改善光束的方向性，壓縮光束的發(fā)散角。,2.由 可以看出，增大出射光束的腰粗就可以縮小光束的發(fā)散角。,3.選用兩個(gè)透鏡，短焦距的凸透鏡和焦距較長(zhǎng)的凸透鏡可以達(dá)到準(zhǔn)直的目的。,圖(4-20) 倒裝望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散角,圖(4-20) 倒裝望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散角,M是高斯光束通過(guò)透鏡系統(tǒng)后光束發(fā)散角的壓縮比。M是倒置望遠(yuǎn)鏡對(duì)普通光線的傾角壓縮倍數(shù)。由于f2f1，所以M1。 又由于0，因此有M M 1,4.3.4 激光的擴(kuò)束,圖(4-20) 倒裝望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散角,1.通過(guò)擴(kuò)大發(fā)散

16、角來(lái)擴(kuò)大光斑尺寸，既可以用凹透鏡也可以用凸透鏡實(shí)現(xiàn)。,2.通過(guò)倒置的望遠(yuǎn)鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。,小結(jié)：,高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的變換公式： 入射高斯光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f 時(shí)的變換公式： 高斯光束通過(guò)倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角壓縮比表達(dá)式 ：,4.4.1 激光調(diào)制的基本概念,1. 激光調(diào)制就是把激光作為載波攜帶低頻信號(hào)。,2.激光調(diào)制可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩類，這里講的主要是外調(diào)制。,3. 激光的瞬時(shí)光場(chǎng)的表達(dá)式,瞬時(shí)光的強(qiáng)度為,若調(diào)制信號(hào)是正弦信號(hào) 則：,激光幅度調(diào)制的表達(dá)式為,激光強(qiáng)度調(diào)制的表達(dá)式為,激光頻率調(diào)制的表達(dá)式為,激光相位調(diào)制的表達(dá)式為,4.4.2 電光強(qiáng)度調(diào)制,1. 圖(4

17、21)(a)是一個(gè)典型的電光強(qiáng)度調(diào)制的裝置示意圖。它由兩塊交叉偏振片及其間放置的一塊單軸電光晶體組成。,圖(4-21) 電光調(diào)制裝置示意圖,2. 設(shè)某時(shí)刻加在電光晶體上的電壓為V ，入射到晶體的在x方向上的線偏振激光電矢量振幅為E，則：,通過(guò)晶體后沿快軸 和慢軸 的電矢量振幅為,沿 和 方向振動(dòng)的二線偏振光之間的位相差,圖(4-21) 電光調(diào)制裝置示意圖,通過(guò)振動(dòng)方向與 y 軸平行的偏振片檢偏后產(chǎn)生的光振幅(見(jiàn)圖421(b)分別為 ， ，則有 ，其相互之間的位相差為 。則有：,4.4.2 電光強(qiáng)度調(diào)制,3. 圖(422)畫出了 （ ）曲線的一部分以及光強(qiáng)調(diào)制的情形。,圖(4-22) I/I0-

18、V曲線,4.為使工作點(diǎn)選在曲線中點(diǎn)處， 通常在調(diào)制晶體上外加直流偏壓 來(lái)完成。 則輸出光強(qiáng)近似為正弦形：,4.4.3 電光相位調(diào)制,1.圖(423)相位調(diào)制裝置示意圖。加電場(chǎng)后，振動(dòng)方向與晶體的軸相平行的光通過(guò)長(zhǎng)度為 的晶體，其位相增加為,圖(4-23) 相位調(diào)制裝置示意圖,4.4.3 電光相位調(diào)制,圖(4-23) 相位調(diào)制裝置示意圖,2.光在晶體的輸入面(z=0)處的場(chǎng)矢量大小是,晶體上所加的是正弦調(diào)制電場(chǎng) ，則在晶體輸出面(z=l)處的場(chǎng)矢量大小可寫成,式中， 為相位調(diào)制度。,小結(jié)：,電光調(diào)制是利用電光晶體折射率隨外加電場(chǎng)的變化而變化的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,4.5.1 機(jī)械偏轉(zhuǎn),機(jī)械偏轉(zhuǎn)是利用反射

19、鏡或多面反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)或反射鏡的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描。,4.5.2 電光偏轉(zhuǎn),1. 利用電光效應(yīng)，在電光晶體上施加電場(chǎng)改變晶體的折射率使光束偏轉(zhuǎn)。實(shí)際的電光晶體偏轉(zhuǎn)器是由兩個(gè)晶體棱鏡(如KDP棱鏡)所組成。,圖4-24 實(shí)際的電光晶體偏轉(zhuǎn)器,2.如圖4-24所示，如果激光垂直一個(gè)直角面入射直角棱鏡上，施加電壓后，上、下層棱鏡中傳播時(shí)光的折射率為,則由折射定律可得出射光的偏轉(zhuǎn)角為,4.5.3 聲光偏轉(zhuǎn),1.如圖(425)所示為一塊均勻的透明介質(zhì)如熔融石英，其一端為超聲發(fā)生器(作正弦振動(dòng))。當(dāng)在透明介質(zhì)的另一端為聲波的反射介質(zhì)時(shí)， 滿足一定的幾何要求就會(huì)在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生駐波。駐波按照正弦規(guī)律變化， 所以介

20、質(zhì)的折射率以空間周期在空間呈正弦變化。,圖(4-25) 超聲波在透明介質(zhì)中的傳播,4.5.3 聲光偏轉(zhuǎn),圖(4-25) 超聲波在透明介質(zhì)中的傳播,圖(4-26) 布拉格條件下的衍射,2.如圖(426)所示，當(dāng)光線在滿足布拉格條件( )的衍射角 入射到光柵上時(shí)，衍射光也與衍射體光柵的等折射率面成 出射,電光偏轉(zhuǎn)是利用電光晶體折射率在外加電場(chǎng)作用下發(fā)生變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的 聲光偏轉(zhuǎn)是通過(guò)聲波與介質(zhì)相作用使折射率發(fā)生周期性變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的,小結(jié)：,4.6.1 激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q,1.,2. 光強(qiáng)I0在諧振腔傳播z距離后會(huì)減弱為,3. 又有 ，則上式可以改寫為光子數(shù)密度的形式,4.6.1 激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q,4. 體積為V的腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量為：,5. 每振蕩周期損耗的能量為：,6. 品質(zhì)因子與諧振腔的單程總損耗的關(guān)系為