学粤教版选修34 4.7激光 课件（2)（52张）.ppt

第7节激光 1 1 1激光单纵模的选取 均匀增宽型谱线的纵模竞争 1 当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降 增益系数相应下降 但光谱的线型并不改变 2 多纵模的情况下 设有q 1 q q 1三个纵模满足振荡条件 随着腔内光强逐步增强 q 1和q 1模都被抑制掉 只有q模的光强继续增长 最后变为曲线3的情形 3 若此时的光强为iq 则有 于是振荡达到稳定 使激光器的内部只剩下q纵模的振荡 这种现象叫做 纵模的竞争 竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来 4 在均匀增宽的稳定态激光器中 当激发比较强时 也可能有比较弱的其他纵模出现 这种现象称为模的 空间竞争 图4 1均匀增宽型谱线纵模竞争 2 非均匀增宽型谱线的多纵模振荡 非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模 单纵模的选取 1 短腔法 两相邻纵模间的频率差 要想得到单一纵模的输出 只要缩短腔长 使的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度缺点 腔长受到限制 从而限制输出功率 当谱线荧光宽度很宽时 势必使腔长缩到很短 3 用法布里 波罗标准具选纵模 在激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里 波罗标准具 可以进行纵模的选取法布里 波罗标准具用透射率很高地材料制成 两个端面平行且镀有高反射率地反射膜 由于多光束干涉的结果 只允许若干个很窄的频率带宽的光通过 其透过光的频率为获得最大透射率的两相邻频率间隔适当的调整角 就可以达到选频的目的 图 4 2 法布里 珀罗标准具法示意图 2 法布里 珀罗标准具法 4 三反射镜法选纵模 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相当于两个谐振腔的耦合 一个是由m1 m3组成 其腔长为l1 l2 另一个由m3 m4组成 其腔长为l2 l3 两个谐振腔的纵模频率间隔分别为 c 2 l1 l2 和c 2 l2 l3 只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡 故只要l2 l3足够小就可以获得单纵模输出 图4 3三反射镜法 3 三反射镜法 5 图4 4腔的衍射损耗 1 2激光单横模的选取 衍射损耗和菲涅耳数 1 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗 2 如图4 4所示的球面共焦腔 镜面上的基横模高斯光束光强分布可以表示为 3 单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率 与射向镜面的总光功率 之比 4 分析衍射损耗时为了方便 经常引入一个所谓 菲涅尔数 的参量 它定义为 6 衍射损耗曲线 衍射损耗与菲涅耳数n的关系一般是比较复杂的 往往写不出解析的表达式而需要用计算机进行数字计算 因此 通常都是将计数结果画成曲线 这就是所谓的衍射损耗曲线图示为圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的曲线 图4 5不同腔的衍射损耗曲线 7 高阶横模的抑制 抑制高阶横模需要两方面的条件 一方面是要求基横模光束的衍射损耗小 使得基横模不仅满足振荡的阈值条件 而且有较大的功率输出 另一方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大 下面介绍两种常用的抑制高阶横模的方法 光阑法选取单横模 高阶横模的光束截面比基横模大 故减小增益介质的有效孔径a 从而减小菲涅耳数n 就可以大大增加高阶横模的衍射损耗 以致将它们完全抑制掉 最简单的办法就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光阑 用于增益较低的气体激光器 聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模 8 聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模 聚焦光阑法 如图4 6所示 在腔内插入一组透镜组 使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间 以提高输出功率 腔内加望远镜系统的选横模方法 其结构如图4 7所示 图4 6聚焦光阑法 图4 7腔内望远镜法 9 2频率的稳定性 频率的漂移 激光器通过选模获得单频振荡后 由于内部和外部条件的变化 谐振频率仍然会在整个线性宽度内移动 这种现象叫做 稳频 就是设法控制那些可以控制的因素 使其对振荡频率的的干扰减至最小限度 从而提高激光频率的稳定性 减小频率的漂移 频率的稳定性包括 一是频率稳定度 二是频率复现度 10 2频率的稳定性 稳定度 指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比复现性 激光器在不同地点 时间 环境下使用时频率的相对变化量对共焦腔的tem00模来说 谐振频率的公式可以简化为 当l的变化为 l 的变化为 时 引起的频率相对变化为 一般希望稳定度和复现度都在10 8以上 目前稳定度一般在10 9左右 较高的可达10 11 10 13 复现度一般在10 7左右 高的可达10 10 10 12 11 2 1影响频率稳定的因素 气体激光器的频率稳定性主要取决与谐振腔振荡频率的稳定性 对于共焦腔的tem00q模来说 谐振频率的公式可以简化为 腔长l和气体介质的平均折射率u因工作条件的变化而改变 当l的变化 l u的变化 u时 引起的频率相对变化为 上式说明 频率的相对变化取决于腔长l和平均折射率u受外界条件的扰动而发生的变化 12 2 1影响频率稳定的因素 腔长变化的影响温度变化 一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔机械振动 采取减震措施折射率变化的影响内腔激光器 温度t 气压p 湿度h的变化很小 可以忽略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 13 2 2稳频方法概述 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 以便热膨胀互相抵消 这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况 主动式稳频 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 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 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 14 2 3兰姆凹陷法稳频 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 图4 8兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构 腔长自动补偿系统的方框图如图4 9所示 图4 9兰姆凹陷法稳频方框图 压电陶瓷加一直流电压 使初始频率为 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 15 兰姆凹陷法稳频 图4 10为稳频原理示意图 图4 10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 图 4 11 不同同位素对兰姆凹陷的影响 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 16 2 4饱和吸收法稳频 饱和吸收法稳频的示意装置如图4 12所示 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4 13所示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 图4 12饱和吸收法稳频的装置示意图 图4 13吸收介质的吸收曲线 17 饱和吸收法稳频 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4 14 a 只有频率调到附近激光才能振荡 如图4 14 b 频率在整个线宽范围内调谐均能振荡 反转兰姆凹陷比兰姆凹陷的宽度窄 其中心频率两侧的斜率比兰姆凹陷曲线两侧的斜率大 故可以减小搜索信号的幅度以提高稳定性 图 4 14 反转兰姆凹陷 18 3激光束的变换 激光从激光器里输出以后都要经过一定的光束变换以后才会被用到各种应用场合 光束变换的基本工具是透镜 薄透镜对高斯光束的作用与平常的成象作用有一定的不同 需要进行研究 本节从薄透镜的光束变换特性出发讨论高斯光束通过薄透镜时的变换 继而研究高斯光束的聚焦高斯光束的准直 19 薄透镜对球面波的曲率变换作用 几何光学中透镜起成像的作用 其成象公式描述了物象关系物理光学则把透镜的作用看成是使光波得到变换 把如图所示的发散球面波变成会聚球面波 若将发散球面波的曲率半径记做正r 会聚球面波的曲率半径为负r 透镜的作用可记做 透镜的作用就是改变光波波阵面的曲率半径在傅里叶光学中透镜的作用则是提供附加位相因子从不同角度对透镜的物理作用有不同的解释其实质是一样的 图4 15球面波通过薄透镜的变换 20 高斯光束通过薄透镜时的变换 透镜的变换应用到高斯光束上 如下图所示 有以下关系前式是薄透镜假设 透镜足够薄至使入射高度和出射高度不变实际问题中 通常和是已知的 此时 则可以根据高斯光束的性质计算出入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径 利用上述透镜的变换公式进一步计算出由透镜出射的波阵面半径和有效截面半径就可以得到出射光束的束腰位置和束腰半径 因而可以确定变换后得到的出射高斯光束 21 高斯光束通过薄透镜时的计算 入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别用上页的公式计算出出射光束的波阵面半径和有效截面半径利用出射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径计算出其束腰半径和束腰位置 22 3 2高斯光束的聚焦 短焦距 即短焦距时在满足条件和的情况下 出射的光束聚焦于透镜的焦点附近 如图4 17所示 这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似 图4 17短焦距透镜的聚焦 23 1 高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形 由前面的结论可得聚焦点光斑尺寸 24 1 高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形 即缩短和加大都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的 前一种方法就是要采用焦距小的透镜后一种方法又有两种途径 一种是通过加大s来加大 另一种办法就是加大入射光的发散角从而加大 加大入射光的发散角又可以有两种做法 如图4 18和图4 19 图4 18用凹透镜增大 后获得微小的 0 图4 19用两个凸透镜聚焦 25 1 高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形 这与几何光学中物 象的尺寸比例关系是一致的 通过以上的讨论我们看到 不论是聚焦点的位置 还是求会聚光斑的大小 都可以在一定的条件下把高斯光束按照几何光学的规律来处理 26 2 入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的情形 1 2 同理有 3 根据高斯光束的渐变性可以设想 只要和相差不大 高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同 27 图 4 20 倒装望远镜系统压缩光束发散角 3 3高斯光束的准直 高斯光束的准直 改善光束的方向性 压缩光束的发散角 可以看出 增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角 选用两个透镜 短焦距的凸透镜和焦距较长的凸透镜可以达到准直的目的 m 是高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比 m是倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数 由于f2 f1 所以m 1 又由于 0 因此有m m 1 28 4 1激光调制的基本概念 激光调制就是把激光作为载波携带低频信号 激光调制可分为内调制和外调制两类 这里讲的主要是外调制激光的瞬时光场的表达式为提高抗干扰能力 常采用二次调制 先将欲传递的低频信号对一高频副载波进行频率调制 再用该调频后的副载波对激光进行强度调制 瞬时光的强度为 若调制信号是正弦信号 则 激光幅度调制的表达式为 激光强度调制的表达式为 激光频率调制的表达式为 激光相位调制的表达式为 29 4 2电光强度调制 在单轴电光上沿z轴方向施加电场 该晶体快轴x 和慢轴y 分别与x y轴成45o角 设某时刻加在电光晶体上的电压为v 入射到晶体的在x方向上的线偏振激光电矢量振幅为e 则 通过晶体后沿快轴和慢轴的电矢量振幅都变为沿和方向振动的二线偏振光之间的位相差 图 4 21 典型的电光调制装置示意图 30 电光强度调制 续 通过通振动方向与y轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅 见图4 21 b 分别为 则有 其相互之间的位相差为 则有 图 4 22 画出了曲线的一部分以及光强调制的情形 为使工作点选在曲线中点处 通常在调制晶体上外加直流偏压来完成 如外加信号电压为正弦电压 电压幅值较小 则输出光强近似为正弦形 图 4 22 i i0 v曲线 31 4 3电光相位调制 偏振片通振动方向与晶体y 轴平行 则加电场后 只有振动方向y 轴相平行的光通过长度为l的晶体 其位相增加为晶体上所加的是正弦调制电场 光在晶体的输入面 z 0 处的场矢量大小是则在晶体输出面 z l 处的场矢量大小可写成式中 为相位调制度 图 4 23 相位调制装置示意图 32 4 5激光偏转技术概述 使激光束相对于原始位置作一定规律的偏转扫描根据使用目的不同分为两类 模拟式偏转 能使激光束连续的位移 主要用于激光显示技术数字式偏转 能使激光束离散地投射到空间中某些特定的位置上 主要用于光存储设计或评价一个光偏转器的主要指标 偏转角的大小要达到激光扫描的范围是扫描速度要满足快速记录和显示的要求偏转效率 偏转光强与入射光强之比 反映了光偏转器的光能损失分辨率或在扫描范围内可分辨的点数 是光束的发散角 目前激光技术中最常用的是以下三种偏转方法 机械式偏转 电光偏转 声光偏转 33 5 1机械偏转 机械偏转是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动 改变反射光或折射光的方向 从而获得光束偏转的方法优点 扫描角度大 通常可大于300 可分辨象素多 光学损失小等下图所示的旋转多面反射镜鼓是一种典型的机械偏转方法 这种机械偏转法的缺点是受电机转速的限制 扫描速度较低 34 5 2电光偏转 电光偏转 利用泡克耳斯效应 通过施加在电光晶体上的电场来改变晶体的折射率 偏转角 假设置于空气中的棱镜 激光入射角为 则由折射定律可以得到在电光晶体上施加电场后 晶体折射率的改变量为 由于泡克耳斯效应引起的折射率变化 极小 10 4量级 所以出射光偏转角的相应改变量为因此出射光偏转角的改变量与折射率变化成线性关系 从而可以利用外加电压控制光线的前进方向 35 电光偏转 续 实际的电光晶体偏转器是由两个晶体棱镜 如kdp棱镜 所组成 棱镜各边分别沿x y 和z 轴 该二晶体的光轴 z轴 反向 外加电场沿图示z轴方向 光的传播方向沿y 轴的方向 它的偏振沿x 轴施加电压后 上 下层棱镜中传播时光的折射率为总光束偏转角显示平面上可分辨的光斑数目 图4 24实际的电光晶体偏转器 36 电光偏转 续 一个电光偏转器所能获得的偏转角很小 很难满足实际应用的要求例如 时 为增加偏转角 而外加电压又不太高 常将若干个kdp棱镜串接下图的结构 37 5 3声光偏转 声光效应 由于声波是纵波又是疏密波 因此声波在介质中传播时 会引起介质密度 折射率 周期性的变化 可将此声波视为一种条纹光栅 光栅的栅距等于声波的波长 当光波入射于声光栅时 发生光的衍射 驻波的振幅按照正弦规律变化 所以介质的折射率以空间周期 s在空间呈正弦变化 图 4 25 所示为一块均匀的透明介质如熔融石英 其一端为超声发生器 作正弦振动 只有满足布拉格条件的入射光对应的衍射光才最强 图 4 25 超声波在透明介质中的传播 38 声光偏转 续 如图 4 26 所示 当光线在满足布拉格条件的衍射角入射到光栅上时 衍射光也与衍射体光栅的等折射率面成出射由于 可以近似得到 声光偏转角式中 s为声波的频率 vs为声波在器件中的传播速率 图 4 26 布拉格条件下的衍射 39 6激光调q技术 一般脉冲激光器输出的脉冲激光都不是单一的光滑脉冲 而是如图所示的一群宽度只有几微秒量级 间隔是几微秒到几十微秒 强度随机不等的小尖蜂脉冲序列 有时称为尖峰序列 那么改善脉冲性能 调q技术可以产生脉宽为 10 7 10 9 秒量级 峰值功率高达千兆瓦的巨脉冲 锁模技术则可产生出 10 12 10 15 秒量级的超短光脉冲 峰值功率达到t瓦量级 即调q技术是将一般输出的连续或脉冲激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射 从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术 40 6 1激光谐振腔的品质因数q 1 41 6 2调q原理 回顾一下激光器的工作过程 产生激光的过程中阈值并不改变公式 4 71 表明 谐振腔的损耗越大 q值越小 损耗越小 q值越高 调q技术的基本思想 当激光上能级积累的反转粒子数不多时 人为地控制激光器阈值 使其很高 抑制激光振荡的产生 在这种情况下 由于光束的激励 激光上能级将不断地积累粒子数 当反转粒子数达到最大数量时 突然降低激光器的阈值 此时亚稳态上的粒子的能量很快转换为光子能力 光子像雪崩一样以极高的速率增长 输出峰值功率高 宽度窄的激光巨脉冲 调q方法 控制不同类型的损耗 就形成了不同的调q技术 控制反射损耗 电光调q技术控制吸收损耗 可饱和吸收染料调q技术控制衍射损耗 声光调q技术 42 6 3电光调q 电光调q装置如图4 27 激光腔中插入起偏振片及作为q开关的kd p晶体 原理 晶体在z轴方向加电压后 产生感应双折射 进入晶体的x方向振动的线偏振光分解为x 和y 振动的二线偏振光 加有半波电压时 损耗非常大 q值很低 去掉半波电压时 损耗小 q值很大 图4 27电光调q装置示意图 43 6 4声光调q 图4 28是一个声光调q的yag激光器的示意图 腔内插入的声光调q器件由声光互作用介质 如熔融石英 和键合于其上的换能器所构成的 原理 当光通过介质中的超声场时 由于衍射造成光的偏折 偏离腔轴 此时损耗大 q值小 一定时间后 撤去超声场 光束不发生偏折 q值升高 声光调q与电光调q相比 后者电压较高 103 104v 前者电压较低 102v 声光调q技术是应用较广泛的一种技术 图4 28声光调q装置示意图 44 6 5染料调q 图4 29就是染料调q激光器的示意图 它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的 染料盒内装有可饱和染料 这种染料对该激光器发出的光有强烈吸收作用 而且随入射光的增强吸收系数减小 其吸收系数可以由下式表示 腔内光强很弱时 染料对光有强烈的吸收 腔内损耗大 q值小 随着腔内的光强逐步增强 吸收逐步减小 损耗小 q值大 选择染料要顾及几个方面 染料吸收峰的中心波长与激光波长基本吻合 染料应有合适的饱和光强 确保得到合适的 开关 速度 染料溶液应具有一定的稳定性和保存期 以利于实用 图 4 29 染料调q装置示意图 45 7激光锁模技术 1964年后 又发展起一门新的脉冲压缩技术 锁模技术 这种技术把瞬间即逝的世界展现到了人们面前 首先回顾一下自由运转多模激光器的输出特性 自由运转激光器通常包含有多个纵模 纵模频率为 假设每个纵模的电场表示为 则自由运转多模激光器的输出为 由于自由运转多模激光器的各个振荡模式的振幅和相位是彼此独立的 随机的 所以总光场是各个模式光场的非相干选加 输出总光强是各个振荡模式光强之和 即 46 7 1锁模原理 核心思想 锁模技术让谐振腔中存在的纵模同步振荡