第1章 激光原理与技术2

上一节课：课程内容简介 辐射理论概要：光量子学说及光的波粒二象性；原子能级、简并度及波尔兹曼分布；光和物质的相互作用。激光产生的原理及条件：粒子数反转分布及泵浦过程；光的受激放大；谐振腔的共振作用与激光的形成；激光形成的基本条件及阈值条件；激光器的结构形式；激光器的分类及特点。激光基本物理性质：激光的方向性、高亮度、单色性、时间相干性和空间相干性、激光的纵模与横模。今天主讲内容：高斯光束、稳频技术、激光调制技术、半导体激光器,回顾,高斯光束,高斯光束的表达式由凹面镜构成的稳定谐振腔产生的激光束既不是均匀平面光波，也不是均匀球面光波，而是一种结构比较特殊的高斯光束，如下图。,4,高斯光束,高斯光束的表达式,4,沿Z轴方向传播的高斯光束的电矢量方程表达式为,(x,y,z)点的电矢量,z轴上(x=y=0)各点电矢量振幅,z点的光斑尺寸,z=0处(z)的值,z=0光斑尺寸,它是高斯光束的一个特征参量，称为光束的“束腰”,z处波阵面的曲率半径,与z有关的位相因子,高斯光束,高斯光束的特性,4,（1）z=0的情况,Z=0代入前面高斯光束表达式得出z=0处的电矢量表达式为,a) 与x,y有关的位相部分消失，即z=0的平面是等相面，它与平面波的波阵面一样；b) 振幅部分是一个指数表达式，这种指数函数叫高斯函数，通常称这种振幅的分布为高斯分布。,从上式可以看出：,高斯光束,高斯光束的特性,4,（1）z=0的情况,下图所示即为电矢量E分布曲线，=0（光斑中心）处振幅最大，为A(0,0,0)=A0/0 , ;在= 0 处有A(,0)=A0/e0 =A(0,0,0)/e。,可见光斑中心最亮，向外逐渐减弱，但无清晰的轮廓。所以通常以电矢量振幅下降到中心值1/e（光强为中心值1/e2）处的光斑半径0作为光斑大小的量度束腰。,高斯光束,高斯光束的特性,4,（1）z=0的情况,从以上分析看到，高斯光束在z=0处的波阵面是一平面，这一点与平面波相同，但其光强分布式一种特殊的高斯分布，这一点不同于平面波；也正是由于这一差别，决定了它沿z轴传播时不再保持平面波的特性，而是以高斯球面波的特殊形式传播。,高斯光束,高斯光束的特性,4,（2）z=z00的情况,相位部分相位部分表示高斯光束在z=z00处的波阵面是一球面，其曲率半径为R(z0)。表达式为：即波阵面的曲率半径R(z0)大于z0，且R随z而异，即作为波阵面的球面的曲率半径中心不在原点，而且不断变化。如下页图所示。振幅部分振幅部分与z=0处相仿，仍是中心最强，按高斯指数向外逐渐减弱。但此时的光斑尺寸为：,高斯光束,高斯光束的特性,4,（2）z=z00的情况,高斯光束,高斯光束的特性,4,（2）z=z00的情况,c) 光束的发散角,当z=0处2=0；z (远场)时，2=2/0随z增大，到z= 02/时，才达到远场发散角的通常称z=0到z=02/的范围为准直距离，在此区间发散角最小。,从上式光斑尺寸公式可以看出，在z=0处的光斑尺寸最小，该点的光斑尺寸0为束腰，而(z)随z增大，表示光束逐渐发散。通常以2来描述光束的发散角，表达式为：,高斯光束,高斯光束的特性,4,（3）z=-z0的情况,与z=z0相似，它的振幅分布与z=z0处完全一样，两者曲率半径的绝对值相等。在-z0处，是向z方向传播的汇聚球面波，到达z=0处，变成一个平面波，当继续传播时又变成一个发散的球面波。光束各处上的光强均为高斯分布。,高斯光束,高斯光束的变换,4,（1）高斯光束的复曲率半径,改写为,引入一个新的参数q(z)，其定义为：,参数q(z)将高斯光束的两个基本特征参数(z)和R(z)统一在一个表达式，它是表征高斯光束的又一个重要参数，称为高斯光束的复曲率半径。一旦确定光束在某位置处的q(z)的值，便可求出该处的(z)和R(z)。,q(z)在自由空间(各向同性介质)传输规律,将高斯光束电矢量方程表达式,高斯光束,高斯光束的变换,4,（2）高斯光束通过薄透镜的变换,图中M表示高斯光束入射到透镜表面上的波面，对应的曲率半径R ,M表示经过透净转换后的波面；对应的曲率半径R,则,对比可知，高斯光束的复曲率半径q(z)与普通球面波的曲率半径R有一样的作用；,根据薄透镜成像规律有：,如图，设束腰为0的高斯光束投影在焦距为f的薄透镜上。高斯光束的传输轴线与透镜的轴线一致。,高斯光束,高斯光束的变换,4,（3）高斯光束通过复杂透镜的变换,高斯光束通过复杂透镜系统的变换关系，一般可以表示为：,M为简化光学元件的光线变换矩阵。,q1,q2分别表示高斯光束输入和输出光学系统处的复曲率半径,部分基本光学元件的光线变换矩阵如下表,高斯光束,高斯光束的变换,4,（3）高斯光束通过复杂透镜的变换,高斯光束,高斯光束的聚焦,4,为使高斯光束获得良好的聚焦，通常采用短焦距透镜，或者使高斯光束束腰离透镜很远。(1)聚焦点位置,如图，一高斯光束入射短焦距透镜L，R、R分别是入射出射光波波阵面曲率半径，透镜焦距为f。Rf，则有：,再根据光斑尺寸和曲率半径公式，得出射光波束腰与透镜距离：,高斯光束,高斯光束的聚焦,4,为使高斯光束获得良好的聚焦，通常采用短焦距透镜，或者使高斯光束束腰离透镜很远。(1)聚焦点位置与聚焦点尺寸,取=1mm,f=20mm,=632.8nm,则,0.0041,即高斯光束经短焦距透镜汇聚后，束腰的位置在透镜前焦点附近。从透镜出射的高斯光束尺寸：,高斯光束,高斯光束的准直,4,在实际应用中往往需要改善激光束的方向性，即要压缩光束的发散角，一般使用倒置望远镜系统。,D=f1+f2;如有一高斯光束从左方入射系统，那么，当L1为短焦距的薄透镜时，有：,平面波,出射光的束腰尺寸,第1章 激光原理与技术,1,3,2,5,4,辐射理论概要,激光产生的原理及条件,稳频技术,激光的基本物理性质,高斯光束,6,激光调制技术,7,半导体激光器,稳频技术,稳频的原因在精密测量中，如干涉测位移，L=n/2，实际是把激光的波长作为一种标准值，测量的精度很大程度上取决于波长的精确程度，要求激光频率变动尽量小，保持不变不可能的，但可以采取一定措施，是输出频率稳定在一定程度。分析频率变化的原因激光的频率为 ，如果腔长l或介质折射率n发生变化，就会引起变化，造成腔长和介质折射率变化的主要原因有以下三点：(1)温度。任何材料物体的线性尺寸都随温度而变化， 折射率变(2)振动。会引起反射镜位置变化、激光管变形，使腔长发生变化 。(3)大气的影响。外腔式激光管的谐振腔暴露于大气之中，大气的气压和温度的改变影响折射率。,5,稳频技术,激光器的稳频方法一般氦氖激光器可能达到的频率稳定度极限为Sv=5 x 10-17,这是在只考虑原子自发发射所造成的无规则噪声时的频率稳定度理论极限值。不加任何稳频措施的频率稳定度为Sv=10-6。稳频方法分为主动稳频和被动稳频两种。(一)被动稳频在激光器工作时间内，设法使其腔长保持不变，一般采取：(1)控制温度。如T=0.01 ,一般Sv10-8。(2)腔体材料互补。采用正、负线膨胀系数的材料组合，达到腔长稳定的效果，一般Sv10-8。(3)防震、密封。由于条件、环境及相关技术限制，被动稳频效果有限，还需进一步措施,5,稳频技术,主动稳频(1)兰姆(Lamb)凹陷法,5,He-Ne 632.8 频率稳定度10-910-10,稳频技术,主动稳频(1)兰姆(Lamb)凹陷法,5,He-Ne 632.8 频率稳定度10-910-10,稳频技术,主动稳频(2)饱和吸收法反兰姆凹陷稳频,5,在一外管内放入激光管的同时再装一吸收管。吸收介质对不同频率的光吸收是非线性的，对于吸收曲线中心频率的光，吸收易饱和，而对于吸收曲线非中心频率的光，吸收不饱和对于吸收介质吸收曲线的中心频率，腔的损耗最小，输出功率最高。,稳频技术,主动稳频(2)饱和吸收法反兰姆凹陷稳频,5,造成在激光的输出功率P和频率之间出现反拉姆凹陷。它的宽度更窄，峰的位置更稳定，稳频效果更好。,稳频技术,主动稳频(3)塞曼(Zeeman)效应法,5,频率高-左旋圆偏振光；频率低-右旋圆偏振光；虚线-未加磁场的增益曲线；实线-加磁场后的两条谱线的增益曲线,第1章 激光原理与技术,1,3,2,5,4,辐射理论概要,激光产生的原理及条件,稳频技术,激光的基本物理性质,高斯光束,6,激光调制技术,7,半导体激光器,激光调制技术,光调制的基本概念将信号加载到激光辐射上，使激光作为传递信息的工具。把欲传输的信息加载到激光辐射的过程称为激光调制。,6,内调制：在激光振荡过程中加载调制信号，如半导体激光器一般是注入电流的方式来实现内调制。外调制：在激光形成之后，再用调制信号对激光进行调制，它不改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光参数(如强度、频率、位相等)。,激光调制技术,光调制的基本概念,6,激光瞬时电场可以表示为：,则瞬时光强可以表示为：,若调制信号a(t)是余弦信号：,则振幅调制表达式为：,则强度调制表达式为：,则频率调制表达式为：,则相位调制表达式为：,激光调制技术,电光调制,6,激光调制技术,声光调制,6,激光调制技术