激光原理-激光技术

1. 激光技术的基本内容2. 激光技术的前景,1. 激光技术的基本内容,1 激光调制与偏转技术2 激光调Q技术3 超短脉冲技术4 激光放大技术5 模式选择技术6 稳频技术（兰姆凹陷稳频和塞曼效应稳频）*7 非线性光学技术 *8 激光传输技术 *,1.1-1 纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）,电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x,y。因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x和y方向的两个分量，两个振幅(等于入射光振幅的1/ ）和相位都相等,图1.1 是一个纵向电光强度调制的典型结构。,图1.1 纵向电光强度调制,设激光的瞬时电场强度为则光强度为设调制信号为 幅值调制为: 强度调制: 频率调制: 相位调制:M, Mi,Mf,Mp调幅系数、强度调制系数、调频系数和调相系数M, Mi远小于1,1,2,2,1,3,3,4,4,5,5,若调制器工作在非线性部分,则调制光将发生畸变。为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的 2相位延迟，使调制器的电压偏置在T50的工作点上。常用的办法有,V,图1.2 电光调制特性曲线,1.1-2 直接调制 直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源(激光二极管LD或半导体二极管LED)，从而获得已调制信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制，它是目前光纤通信系统普通使用的实用化调制方法。根据调制信号的类型，直接调制又可以分为（连续的）模拟调制和数字（脉冲编码）调制两种。,一、半导体激光器(LD)直接调制的原理半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器件。图1.3 示出了砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。半导体激光器有一个阈值电流 It，发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关。若把调制信号加到激光器(电源)上，即可以直接改变(调制)激光器输出光信号的强度。,图 1.3,图1.4 所示的是半导体激光器调制原理的示意图，图(a)所示是电原理示意图，图(b)所示是输出光功率与调制信号的关系曲线。为了获得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib，这样就可以使输出的光信号不失真。1.5-3 半导体激光器调制（a)电原理图；（b)调制特性曲线,图 1.4,调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将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。现在，欲要获得峰值功率在兆瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难。,1.2 调Q(Q开关)技术,图 1-5-1 固体激光器的结构1，晶体棒 2，反射膜；3，氙灯，4一电源,晶体棒或玻璃棒的直径由1cm到几个cm不等，长度由十几个cm到几十个cm不等。棒的两端面磨的很光滑，平行度很高，镀上反射膜以后就可以当成反射镜组成光学谐振腔。泵浦源使用普通强光源，如氙灯等。固体激光器的优点是输出功率大，体积小，坚固，贮存能量的能力较强，适合实现Q开关、锁模等技术。下边我们分别以红宝石激光器和掺钕离子激光器为例，简介其工作原理。,固体激光器的结构大体一致，如下图所示。,图 1.5,图 1.6 脉冲激光器输出的尖峰结构,图2.1-2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,固体激光器的优点是输出功率大，体积小，坚固，贮存能量的能力较强，适合实现Q开关、锁模等技术。下边我们分别以红宝石激光器和掺钕离子激光器为例，简介其工作原理。,一、调的基本原理 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。,Q值称为品质因数，它定义为: Q=20 (腔内存储的能量 / 每秒损耗的能量）,当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。 改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。从“激光原理”得知，激光器振荡的阈值条件可表示为,式中，g 是模式数目，A21自发辐射几率，c是光子在腔内的寿命，,(2.1-1),而,Q值称为品质因数，它定义为: Q=20 (腔内存储的能量 / 每秒损耗的能量）,c是腔内能量衰减到初始能量的1/e所经历的时间,所以 （2.1-2),0为激光 的中心频率。用W表示腔内存储的能量,表示光在腔内传播单次能量的损耗率, 那么光在一个单程中的能量损耗为W。设L为谐振腔腔长，n为介质折射率，c为光速，则光在腔内走一单程所需的时间为nL/c。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为：,式中，0为真空中激光中心波长。可见，当0和L一定时，Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的Q值(或损耗)来实现。,这样，Q值可表示为,调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值(损耗)随时间按一定程序变化的技术。,调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如图1.7所示。图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化；图(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)；图(c)表示粒子反转数n的变化；图(d)表示腔内光子数随时间的变化。,图 1. 7,在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻，粒子数反转达到最大值ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此ni nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间,nt,内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。,调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数增长十分缓慢，如图2.1-4所示，其值始终很小(i)，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。,tf,图2.1-4 从开始振荡到脉冲形成的过程,只有振荡持续到ttD时，增长到了D ，雪崩过程才形成， 才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。,图 1.8,因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间t (也就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使ni迅速减少，到t=tp时刻， ni= nt，光子数达到最大值m之后，由n nt ，则 迅速减少，此时n = nf 见图2.1-3(c) ，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(ni= nt)的时刻。,综上所述，谐振腔的Q值与损耗成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的值，就可以使Q值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染料调Q技术等。,利用某些晶体的电光效应可以做成电光Q开关器件。电光调Q具有开关时间短，效率高，调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽度窄，峰值功率高等优点。,电光调Q,超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁摸(CPM)，以及90年代出现的加成脉冲锁模(APM)或耦合腔锁模(CCM)、自锁模等阶段。自60年代实现激光锁模以来，锁模光脉冲宽度为皮秒(10-12s)量级，70年代，脉冲宽度达到亚皮秒(10-13s)量级，到80年代则出现了一次飞跃，采用光脉冲压缩技术后，获得了6fs的光脉冲。90年代自锁模技术的出现，在掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列。,1.3 超短脉冲技术,所谓模，就是在腔内获得振荡的几种波长稍微不同的波型。 纵模，也叫轴模。 在两反射镜间沿轴进行的光束，由于腔长L与光波波长的比是一个很大的数目，所以必然有数不清不同波长的光波，能符合加强反射的条件， 2nL= k, 即 2nL= k11 = k22 = k33 =ki（正整数）是纵模模数。,例如：L=800nm, n=1, 则k=1时, 对应1=1600nm; k=2, 2=800nm; k=3, 3=533nm,1=1.8751014 , 2=3.751014 , 3=5.6251014 注意：=c/2nL; 32= 21= 1.8751014,横模？ 横模易观察，但其产生的原因复杂：1、偏离轴向的光束的干涉，2、工作物质的色散，3、散射效应及腔内光束的衍射效应等，都对横模有影响。下面只对情况1做简单地分析。除了严格平行光轴的光束(名基模TEM00 ）以外，总有一些偏离光轴而走Z字形的光束。虽然经多次反射也未偏出腔外，仍能符合2nLcos =k的条件；因而，在某一方向存在着加强干涉的波长。设z代表腔轴方向，垂直z的截面为xy平面。该截面内所产生的部分横模如图，标记TEMmn 中的TEM代表电磁横波，下标m代表x方向的波节数，n代表y方向的波节数。,图1.9 不同横模的光场强度,下面将讨论超短脉冲激光器的原理、特点、实现的方法，几种典型的锁模激光器及有关的超短脉冲技术，如超短脉冲脉宽的测量方法、超短脉冲的压缩技术等。,为了更好地理解锁模的原理，先讨论未经锁摸的多纵模自由运转激光器的输出特性。腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为 （1.1-1),一、多模激光器的输出特性,自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模，如图1.10所示。这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。 假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N个纵模，那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和，即,N=11,荧光光谱,图 1.10,假如各个模的振幅及相位都固定，也可推得输出脉冲的峰值功率正比于 ，因此，由于锁模，峰值功率增大了N倍。,可以推得总光强：,该式说明了平均光强是各个纵模光强之和,每个脉冲的宽度 约为：,每个脉冲的宽度 , 可见增益线宽愈宽，愈可能得到窄的锁模脉冲。,先看三个不同频率光波的叠加：Ei = E0cos(2 i t+ i ) i=1,2,3设三个振动频率分别为1 、 2 、 3 的三个光波沿同一方向传播，且有关系式： 3=31， 2= 21 , E1 = E 2 =E3 = E0,若相位未锁定，则此三个不同频率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关，如左图，由于破坏性的干涉叠加，所形成的光波并没有一个地方有很突出的加强。输出的光强只在平均光强3 E02 /2级基础上有一个小的起伏扰动。,二、锁模的基本原理,注意 (1.1-6)式,但若设法使 1 = 2 = 3 =0时，有 E1 = E0cos(21 t) E2 = E0cos(41 t) E3 = E0cos(61 t),当 t=0 时, E = 3E0, E2 = 9E02; t = 1/(31)时, E1 = E0cos(2/3) = -E0/2， E2 = E0cos(4/3) = -E0/2, E3 = E0cos(2) = E0 , 三波叠加的结果是： E = E1 + E 2 + E3 = 0; 同理可得，t=2/(31 )时，E = 0；t = 1/1时，E = 3E0 。这样就会出现一系列周期性的脉冲，见下图。 当各光波振幅同时达到最大值处时，由于“建设性”的干涉作用，就周期性地出现了极大值（ I = E2 = 9E02 ）。当然, 对于谐振腔内存在多个纵模的情况，同样有类似的结果。,要获得窄脉宽、高峰值功率的光脉冲，只有采用锁模的方法，就是使各纵模相邻频率间隔相等并固定为 ，而且相邻纵模的初位相差为常量。这一点在单横模的激光器中是能够实现的。,式中，q为腔内振荡纵模的序数。,(1.1-7),下面分析激光输出与相位锁定的关系，为运算方便，设多模激光器的所有振荡模均具有相等的振幅E0，超过阈值的纵模共有2N十1个，处在介质增益曲线中心的模，其角频率为0，初相位为0，其模序数q=0，即以中心模作为参考，各相邻模的相位差为，模频率间隔为 ，假定第q个振荡模为,这里不推导具体表达式。图1.16给出了7个振荡模的输出光强曲线。,图 1 . 16,多模(0+qq )激光器相位锁定的结果，实现了q+1 - q=常数，导致输出一个峰值功率高，脉冲宽度窄的序列冲。因此多纵模激光器锁模后，各振荡模发生功率耦合而不再独立。每个模的功率应看成是所有振荡模提供的。#,1.主动锁模：,三、锁模的方法,1)、定义,2)、类型,(1)振幅(损耗)调制锁模：声光锁模,主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法。主动锁模是在激光腔内插入一个调制器，调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔，这样可以得到重复频率为fc/2L的锁模脉冲序列。,t,A(t),(t),T(t),t,t,t,I(t),A(t):驱动声光器件的调制电信号波形,(t):腔损耗波形,T(t):调制器透过率波形,I(t):锁模激光输出波形,声光器件的调制信号,频率,周期,(2)相位(频率)调制模锁:电光锁模,m:电调制频率:光频率,U(t):驱动电光器件的调制电信号波形,n(t)、(t):电光效应引起折射率变化和相移的波形,I(t):锁模激光输出波形(无频移时有脉冲输出，有频移时，经累积光频移出增益曲线而无脉冲输出),电光器件的调制信号,频率,周期,(t):光的频移波形,2、被动式锁模(染料锁模),1)、线性放大：泵浦刚开始，工作物质对产生的诸多光脉冲进行线性放大,2)、非线性吸收：染料被漂白，强脉冲被迅速放大，弱脉冲被吸收,3)、非线性放大：工作物质对留下的强脉冲进行非线性放大，使脉宽被压缩,线性放大 ,非线性 吸收 ,非线性 吸收 ,非线性 放大 ,4. 同步泵浦锁模如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实现锁模，则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得。这种方式就是同步泵浦锁模。,3.自锁模：当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系，不需要在谐振腔内插入任何调制元件，就可以实现纵模锁定的方法。,一、 概 述 利用己介绍的调Q或锁模技术，可以获得极高的峰值功率(1091012w)。其峰值功率之所以大得惊人，是由于把能量压缩在极短暂的时间内释放出来的缘故。但是这种高峰值功率激光器实际上所输出的能量往往不一定很大。因此，为了获得性能优良的高能量激光，应用激光放大技术则是一种最佳方法。,1.4 激光放大技术,二、激光放大器的类型,激光放大器与激光(振荡)器基于同一物理过程(受激辐射的光放大)，其主要区别是激光放大器(行波)没有谐振腔。,激光放大器要求工作物质具有足够的反转粒子数，以保证光脉冲信号通过它时得到的增益大于介质内部各种损耗。 另外，为了得到共振放大，要求放大介质有与输入信号相匹配的能级结构。,图 1.17 为激光器与放大器串接工作的示意图。当第一级输出的激光进入放大器时，放大器的激活介质应恰好被激励而处于最大粒子数反转状态，即产生共振跃迁而得到放大。,行波放大器,图 1.17,1.5 模式选择技术,要求激光方向性或单色性很好。要求对激光谐振腔的模式进行选择。模式选择技术可分为两大类: 一类是横模选择技术; 另一类是纵模选择技术。 从激光原理可知, 所谓横模, 就是指在谐振腔的横截面内激光光场的分布。横模阶数越高, 光强分布就越复杂且分布范围越大, 因而其光束发散角越大。反之，基模 (TEM00) 的光强分布图案呈圆形且分布范围很小, 其光束发散角最小, 功率密度最大，因此亮度也最高，径向强度分布是均匀的。横模选择技术是使激光发散角小。不同横模的衍射损耗不同，是选择横模的基础。,横模选择方法可分为两类：一类是改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选模性能；另一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元件来提高选模性能。气体激光器采用前类方法，固体激光器采用后类方法。,图1.18 采用小孔光阑作为选模元件,如: n为折射率，L为腔长, 因 所以 取微分后 = c/2nL 纵模选择技术则是单频激光运转的必要手段。,所谓纵模, 就是指沿谐振腔轴线方向上的激光光场分布。对于一般腔长的激光器, 往往同时产生几个甚至几百个纵模振荡; 纵模个数取决于激光的增益曲线宽度及相邻两个纵模的频率间隔。,下面主要讲述纵模（单色激光）选择的原理。,激光器的振荡频率范围是由工作物质的增益谱线的宽度决定的，而产生多纵模振荡数则是由增益线宽和谐振腔两相邻纵模的频率间隔决定的，即在增益线宽内，只要有几个纵模同时达到振荡阈值，一般都能,形成振荡。如以0表示增益曲线高于阈值部分的宽度，相邻纵模的频率间隔为q，则可能同时振荡的纵模数,一.纵模选择原理,q,0,图1.18 激光振荡的纵模数,对于一般稳定腔来说，由衍射理论可知，不同的横模(TEMmm)具有不同的谐振频率数,故参与振荡的横模数越多，总的振荡频谱结构就越复杂；当腔内只存在单横模(TEM00)振荡时, 其振荡频谱结构才较简单，为一系列分立的振荡频率，其间隔为=c/2nL。,纵模选择的基本思想：激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡主要取决于这一个纵模的增益与损耗值的相对大小。对于同一个横模的不同纵模而言，其损耗是相同的，但是不同纵模间却存在着增益差异，因此，利用不同纵模之间的增益差异，在腔内引入一定的选择性损耗，使欲选的纵模损耗最小，而其余纵模的附加损耗较大，只有中心频率附近的少数增益大的纵模建立起振荡。最终形成并得到放大的是增益最大的中心频率所对应的单纵模。,如果激光工作物质具有发射多条不同波长的激光谱线，那么，在纵模选择之前，必须将频率进行粗选, 将不需要的谱线抑制掉。例如, He-Ne激光器，可发射 623.8 nm，1.15 m = 1150 nm，3.39 m = 3390 nm三条谱线。,二.纵模选择的方法, (色散腔粗选频率、短腔法、标准具法、复合腔法等),1.色散腔粗选频率,通常是利用腔镜反射膜的光谱特性(只对某个波段反射率大)或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间分离，然后设法，仅使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡。,图1.20所示的是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。谐振腔所能选择振荡的最小波长范围由棱镜的角色散和腔内振荡光束的发散角决定。,图1.20 色散棱镜的粗选装置图,另一种色散腔是用一个反射光栅代替谐振腔的一个反射镜，如图1. 21所示。,设d为光栅栅距(光栅常数)，1为光线在光栅上的入射角，2为光线在光栅上的反射角，则形成光栅衍射主极大值的条件是,图1.21 光栅色散腔粗选频率,式中，m1,2为衍射级次。,(5.3-4),图1.21 光栅色散腔粗选频率,色散腔法虽然能从较宽范围的谱线中选出较窄的振荡谱线，实现了单条荧光谱线的振荡；但这还只是较粗略的选择， 在该条谱线的荧光线宽范围内，还存在着频率间隔为 的一系列分立的振荡频率，即多个纵模，如何进一步从单条谱线中选出单一的纵模，就要采取如下的一些方法。,激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽0和谐振腔的纵模间隔q决定。而纵模间隔 与腔长成反比，因此选择单纵模的方法之一是缩短谐振腔的长度, 以增大q，使得在0范围内只存在一个纵模，而其余的纵模都位于0之外，如图1.22所示, 此即所谓短腔法选纵模。,.短腔法,如He-Ne激光器，当L=1m时，其纵模间隔 =150MHz (设n=1)。因0 = 1500 MHz,若要求单纵模振荡就要求L=0.1m以下。故短腔法只适用于增益线宽较窄的激光器。由于腔长缩短，激光输出功率必然受到限制。因此在大功率单纵模输出的场合，此法不适用。,图1.22 短腔法选纵模原理,式中， 为标准具的精细度；R为标准具对光的反射率；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)。,图1.23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：,(5.3-8),3.F-P标准具法,T()是波长或及R的函数,图1.23 F-P标准具法选纵模,图1.24 F-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。,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。,在激光器的谐振腔内插入标准具, 并选择适当的厚度和反射率 , 使m与激光工作物质的增益线宽相当, 如图5.3-6所示。由图可见, 处于中心频率的纵模与标准具最大透过率的m相一致，故该模损耗最小，即Q值最大，可以起振，而其余的纵模则由于附加损耗太大，Q值过低而不能形成激光振荡。调节标准具的倾斜角以改变，即可使m与不同纵模频率重合，以获得不同频率的单纵模激光输出。,F-P标准具选纵模的优点在于标准具平行平面板间的厚度可以做得很薄，由于腔长没有缩短，输出功率仍可很大。,图1.25 F-P标准具选单纵模,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1.26 复合腔选单纵模,图1.26 (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，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:,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),=c/2(l1-l2),6、 稳频技术（兰姆凹陷稳频和塞曼效应稳频）,1、分类 被动稳频 针对频率变化的因素，消除因素的影响主动稳频 从原理入手，减小环境因素对频率变化的影响2、 被动稳频 温度控制 可达10-8 腔体材料选择 可达10-8 隔振,激光理论的频率的变化10-3Hz,Sv理论值10-17, 不加稳频措施,一般Sv在10-6量级,3. 主动稳频 常用方法兰姆(Lamb)下陷法饱和吸收法塞满(Zeeman)效应法 兰姆(Lamb)下陷法 Lamb下陷:由于增益介质的增益饱和，在激光器的输出功率P和频率V的关系曲线上，在中心频率V0处输出功率出现凹陷的现象,兰姆(Lamb)下陷法,原理:利用激光器的输出功率P和频率V的关系曲线上的凹陷反应，在凹陷处输出功率随频率变化比较敏感，使激光器的频率起伏值 V转换成输出功率的起伏值 P，从而获得误差信号,用此误差信号反馈控制谐振腔的长度，使激光器输出频率趋近中心频率V0,兰姆(Lamb)下陷法实现,A处,与激励信号,同频反相B处,同频,同相V0处,2倍频以中心频率为标准频率,对中心频率的改变,无控制作用经lamb稳频后,He-Ne激光的频率稳定度可达10-10,2. 饱和吸收法,利用某些材料对光的吸收随频率变化性质,使激光中心频率输出光强最强, 利用lamb下陷法的稳频技术提高,激光器的频率稳定度特点: 频率稳定度高可达10-14 与lamb下陷法相反 因此也称反lamb下陷法,饱和吸收法技术实现,3. 塞曼(Zeeman)效应法,塞曼效应: 原子能级在磁场作用下发生分裂的现象双频激光器:由塞曼效应制成的激光器特点 高频的左旋圆偏振光 低频为右旋圆偏振光 两者输出功率的大小 与中谐振腔的中心谐振 频率有关,1.7 非线性光学技术 *,一、非线性光学现象,线性光学,光与介质相互作用，入射光的电场强度比介质中原子内的场强小得多。,非线性光学,强光入射介质时,二、倍频和混频,当激光与非线性介质作用，入射光通过介质后，其输出频率较入射频率有所变化，会出现倍频光、和频光与差频光。,入射单色强光电场强度,经常使用的倍频晶体是KDP，KPB。KDP的能量转换效率较高，KPB较低。BBO是一种新倍频晶体，具有很高的能量转换效率，逐渐取代KPB。,使用倍频技术，可以得到大约200nm的短波激光。Nd: YAG泵浦染料激光器倍频曲线。,入射两种不同频率的强光,介质除辐射直流、基频和倍频成分，还将辐射频率为和频与差频的光波，称为光学混频。,三、受激喇曼散射,当光束在透明介质中传播时，如果介质的光学性质不均匀，就会出现部分光束偏离原来传播方向的现象，就叫光的散射。,弹性散射,光与物质分子碰撞是弹性的，无能量交换。,入射光与散射光频率相同，散射光强度与频率四次方成正比。,非弹性散射,散射光频率与入射光频率不相同。,四、光束自聚焦效应,在强光作用下，介质的折射率不再是常数，会随入射光强度增大而变大。,激光束在截面上强度分布不均匀，呈高斯分布。,8 激光传输技术 *,通信是指将信息从一处传到另一处。,无线电通信的载体是无线电波。,光纤通信（或激光通信）是将声音、图像或其它 信息调制到激光载波上发送出去。,激光通信分为：地面大气通信、宇宙空间通信、光纤（缆）通信,一、光导纤维,用石英、玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝，直径在几微米到120微米左右。,1、光纤的结构及传光原理,由玻璃纤芯、包层和护套组成,光纤导光利用全反射定理。,纤芯折射率为n1包层折射率为n2,n1n2,光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播。,