光谱线宽课件.ppt

1、1,3.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？,2,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,3,选纵模,标准具,色散法,短腔法,复合腔,4,1.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。,5,棱镜:光通过棱镜时，不同的

2、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。,6,2.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,7,8,9,10,3.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,11,透射谱

3、线宽度,R为镜反射率,12,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，con1)。,(5.3-8),*标准具简介,T()是波长或及R的函数,13,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

4、介,14,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(21)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，,15,当满足:2ndcosi=k1=(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,cosi1，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12=或，,还可省略的下标，故有：,标准具简介,16,此值是某一波长光的干涉圆环和另一波长光的干涉圆

5、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。,17,另一个重要参数是分辨本领：,简介完毕,18,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,19,4.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,20,图5.3-8(

6、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=qii）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:,21,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),22,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),23,谱线加宽,线宽,对于洛仑兹线型,线核,线翼,