光谱线宽课件.ppt

3 线宽是激光原理重要概念 线宽的大小 常常决定激光器中可能产生的纵模的数量 一般介质中 线宽有多大 有多小 1 影响纵模数的因素 1 工作原子自发辐射的荧光线宽 2 激光器的腔长 在谱线内 满足增益阈值条件的那些纵模频率才能形成激光 参见 课本四章二节 2 选纵模 标准具 色散法 短腔法 复合腔 3 1 色散腔粗选频率激光介质的谱线常常不止一条 在选单一频率之前 如果先使激光处在单一的谱线上 对选纵模有利 原理 在腔中加入一色散元件 使不同波长的光发生分离 其中只有较窄波长范围的光振荡 其他波长的光偏离腔外 选出一条谱线 谱线的宽度可以达到10nm 4 棱镜 光通过棱镜时 不同的光出射角不同 则损耗不同 能够振荡的光只有一范围 角色散率最大偏离角 光栅利用炫耀光栅方程 满足上式的光才能在腔中振荡 入射光线和反射光线重合 偏离此式的光损耗大 偏离的多 光不能振荡 光沿槽法线方向入射 出射光沿此方向 特点 上述两种色散腔粗选法只能选出具有一定宽度的谱线 不能选出单一的频率 5 2 缩短腔长使纵模间隔大于谱线有效宽度 纵模间隔 适用于荧光谱线较窄的激光器 增益曲线内只存在一个纵模 6 7 8 9 3 腔内插入法布里 珀罗标准具 多光束干涉 透射峰频率 q为正整数 n为标准具两镜间介质折射率 d为标准具长度 q为标准具内光线与法线的夹角 相邻透过率峰的频率间隔 10 透射谱线宽度 R为镜反射率 11 图5 3 4所示的是标准具选纵模装置示意图 法布里 珀罗 F P 标准具对不同波长的光束具有不同的透过率 可以用下式表示 式中 为标准具的精细度 R为标准具的反射率 d为标准具的厚度 即两平行面的间隔 是标准具中参与多光束干涉效应的相邻两出射光线的相位差 即 式中 n为标准具介质的折射率 为光束进入标准具后的折射角 一般很小 con 1 5 3 8 标准具简介 T 是波长或 及R的函数 12 图5 3 5F P标准具的透过率 下图示出了当R取不同值时 T 与 的变化曲线 由图可以看出 标准具有反射率R越大 则透射曲线越窄 选择性就越好 选模技术 标准具简介 13 相邻两透过率极大值的间隔为 类似于前面的 上式通常称为标准具的自由光谱区 下面解释之 设波长为 1和 2 2 1 的两光以相同的方向射到法布里 珀罗标准具上 它们各生一组同心圆环状的干涉亮条纹 主最大 对同一干涉级 k 2的干涉圆环的直径较 1的小些 如图所示 14 当满足 2ndcosi k 1 k 1 2时 1的第k级亮圆环与 2的第 k 1 级亮圆环重迭 因而得由于在法布里 珀罗标准具中 大多数情况下 cosi 1 所以上式中的k值应为以此k值代入上式 则得 实际上 可认为 1 2 或 还可省略 的下标 故有 标准具简介 15 此 值是某一波长光的干涉圆环和另一波长光的干涉圆环重合时的波长差 亦即在给定d的标准具中 若入射光的波长在 1到 1 的波长范围以内 则所产生的干涉圆环不重叠 我们称此 为标准具常数或称标准具的自由光谱范围 标准具的厚度d比谐振腔的长度L小得多 因此它的自由光谱区比谐振腔的纵模间隔大得多 也可用频率表示之 因为 所以此为自由光谱区 16 另一个重要参数是分辨本领 简介完毕 17 当满足 可获得单纵模输出 增益曲线 谐振腔纵模谱 F P透过率曲线 18 4 复合腔法如果用一个反射干涉仪系统取代谐振腔中的一个反射镜 则其组合反射率是光波长 频率 的函数 图5 3 8所示的是两种组合干涉复合腔的原理图 图5 3 8复合腔选模 19 图5 3 8 a 是一个迈克耳孙干涉仪式复合腔 它由一个迈克耳孙干涉仪取代谐振腔的一个反射镜构成 该腔可以看成由两个子腔组合而成 全反射镜M和M1组成一子腔 腔长为L l1 因为2nL qi i 谐振频率 1i c 2 L l1 qi 设n 1 另一个子腔由全反镜M和M2组成 其腔长为L l2 谐振频率为 2j c 2 L l2 qj 激光器的谐振频率必须同时满足上面两个条件 即 c 2 L l1 qi c 2 L l2 qj 而且第一个子腔的光束经过N个频率间隔后的频率正好和第二个子腔的光束经过N 1个频率间隔后的频率再次相等 由此可以得到复合腔的频率间隔 20 适当选择l1及l2 可以使复合腔的频率间隔足够大 即两相邻纵模间隔足够大 与增益线宽相比拟时 即可实现单纵模运转 c 2 l1 l2 5 3 9 21 图5 3 8 b 所示的为一个福克斯 史密斯 Fox Smith 干涉仪式复合腔 可以证明 复合腔的两相邻的频率间隔为 自己看 图5 3 8复合腔选模 5 3 11 22 谱线加宽 线宽 对于洛仑兹线型 线核 线翼 定义f