第五章-激光器.ppt

1、激 光 器,自由讨论： 1，激光产生的基本原理？ 2，激光的模式有哪些？ 3，激光稳频有哪些方法？ 4，怎样调节激光的频率？ 5，光学谐振腔有哪些种类？ 6，如何产生倍频和差频等？,授课内容： 1，激光产生的基本原理 2，激光谐振腔 3，激光的光谱特性 4，单模激光器 5，可调谐激光器 6，非线性光学混频技术,光子的基本概念,一、光的波动性 17-18th 世纪 HuygensFresnel（惠更斯菲涅耳） 衍射 与 Young 干涉实验 1885 Maxwell 方程的提出 1887 Hertz 振子辐射实验 现代 同步辐射（同步加速器辐射：带电粒子速度接近光速，在电磁场中偏转时，由于相对论

2、效应，切线方向发出电磁波） 二、光的粒子性（光子） Energy h Velocity c (299 792 458 ms-1) Rest Mass m = 0 ( 210-50g) Momentum p = h/c = h/ Spin s = 1 基于如下实验： 黑体辐射：Planck定律 光电效应: 1905 Einstein用光量子成功解释 Compton效应（高能光子（gamma或者X射线）与物质相互作用（电子），出射波长发生改变）,物理学基本常数,J-P Uzan, Rev.Mod.Phys. 75, 403,2003,真空中的光速,物理学的理论,NM 牛顿力学 QM 量子力学 SR

3、 狭义相对论 GR 广义相对论 NG 牛顿引力 NQG 非相对论引力 QFT 量子场论 TOE 万物论,J-P Uzan, Rev.Mod.Phys. 75, 403,2003,c,h,G,第5.1节 激光产生的基本原理,一、激光器的基本构成 增益介质 光放大器（粒子数反转，粒子数不再遵守Boltzman 分布） 泵浦源 为放大器提供能量（闪光灯、放电、其它激光等） 光谐振腔 将受激放大的光储存在腔模中（增加放大器等效长度， 增加模密度）,激光结构：M1 反射镜，M2 输出耦合镜（反射率R2 决定腔内外强度差）,粒子数反转：虚线，粒子数反（N）； 实线， Boltzman 分布,二、阈值条件

4、“增益 损耗” （per round-trip）,启动： 自发辐射,增益：,损耗（ ： 包括反射镜M2的反射损失（1-R），镜面吸收，光衍射，光散射等）,If,So,粒子数反转阈值条件：,总体效应,对于不同失谐量，其放大不同，其线形为（均匀/非均匀展宽）：,不管是Lorentz还是Gaussian分布，其在共振处，放大倍数最大,损失系数也是和频率有关,二、速率方程 （不含相干效应）,稳态解： 稳态反转粒子数： 仅 R1 A21 时，NStat 0 (e.g. 准分子激光）,光泵速率两能态驰豫到其他态的速率,腔中来回传播一圈时间,P:从激发态泵浦到2态速率,光子密度,一，封闭腔： 没有损失，热平

5、衡时符合黑体辐射的普朗克定律、单位体积腔模密度分布,第5.2节 激光谐振腔,频率,二，开放腔：对某些模式有选择性损失，增加某些需要的腔模中的平均光子数，减少其它模光子数（增大模损耗）。,时间 = 1/k为k模中光子的平均寿命（能量1/e）,第k模式，出错能量Wk,单位时间能量损失,QK为每个振荡周期T=1/内储存于该模的能量与损耗的能量之比的2倍。,透过(walk-off)损失（耦合镜的出射损失）,衍射损失（2ad） Fresnel数N表征,反射损失（R1和R2两反射镜反射率，d两反射镜间距）,入射到反射镜上的光反射后形成衍射，衍射到更高级的光由于不能入射到第二个反射镜上而损失。a是b的等效光

6、路图,开放腔损失,开放腔的损失,衍射损失用Fresnel数表征 Fresnel数N： 落在镜面上的Fresnel衍射环的数目 a: 镜面半径 d: 镜间距 一般情况：,N越大（a大，d小）， 衍射损失越小,共焦腔（R1 = R2 = R = d）（曲率半径=间隔）,横模(transverse mode)：横截面光强分布 纵模(longitudinal mode)：腔频率分布,三，共焦腔 （两焦点重合）,厄米多项式(Hermit polynomials),高斯分布,z处相位,强度分布,一维分布,二维标示,Cartesian coordinate,Polar coordinate,基模：m=n=0

7、, TEM00,z处的光束半径,高斯光的束腰,在两反射镜面上,在光束半径,基模高斯光斑（两镜面上）的大小为,四，稳定腔与非稳腔,亚稳：g1 = g2 = 0,非稳腔：光斑发散而趋向无穷大(g1，g2 只有一者为0； g1g2 1 )，或者分布为虚数（ g1g2 1 ）,稳定腔：在每次往返之后场振幅A(x,y)除相差一个常数C（与x或y无关，表示衍射损失），分布不变。 0 g1g2 1,有时采用非稳定腔的原因：光束直径可以大，从而充分利用大体积的增益介质，获得大功率输出，但发散大。,稳定条件,非稳条件,亚稳条件,不同腔的示意图,对平凹腔 (R2 = or g2 = 1), 稳定条件为 d R1

8、（0 g1 1）,不同腔、稳定区域和非稳区域在g1和g2坐标下的分布,驻波腔：腔内往返光波叠加，形成驻波场 行波腔：腔内光波为行波，由单向器（光二极管）选择行波方向。行波腔可避免空间烧孔获得单模运转，同时没有驻波（波节处光强为0）波节从而充分利用整个增益介质反转粒子数获得大的功率输出。,五，环形腔 （由起码三个反射面组成，形成行波腔）,单向器（光二极管）：Faraday 旋光器（转偏振），双 折射片（转偏振），选偏振（让一定偏振方向的光通过） 正向传播： Faraday 和双折射片转动角度互相抵消，能透过选偏器 反向传播：Faraday 和双折射片转动角度互相增加，经过选偏器损失大,光二极管（

9、单向器）组成,双折射片,钛宝石激光器的光路图： 1，出射的光在M1，M2（M3），M4和M5环形8字形腔中进行振荡。调节反射镜的反射模，可以输出780nm的激光。 2，双折射滤波片将激光线宽压倒2GHz；薄标准具和厚标准具进一步将线宽压窄到10MHz；从外加参考腔所得到的误差信号一部分输到固定镜片的压电陶瓷来控制腔长的快变，另一部分输到布鲁斯特波片，来控制腔长慢变，最后将激光线宽稳定在500KHz。 3，通过扫描布鲁斯特波片的角度，可以在30GHz内扫描激光的频率，并且保持功率的稳定和光束位置不变。,532nm,钛宝石激光器（环形腔激光器）,680nm1.1um,1W,680nm1.1um,驻

10、波条件：腔长d = 半波长的整数倍 相邻基轴模的间隔（纵模间隔，FSR）为,被动腔的频谱 （本征频谱）,共焦腔：,非共焦腔：,解简并,共焦腔,非共焦腔,平面腔,第5.3节 激光的光谱特性,增益介质在决定激光光谱特性中的作用： 1、介质的折射率（影响光程）改变被动腔的本征频率（模牵引效应） 2、由于增益饱和，不同激光模出现模式竞争，从而影响激光输出的频率和振幅。,主动腔： 包含增益介质的谐振腔。等效腔长为 其中L为增益介质长度。频谱将下式中的d换成d*即得：,一、主动谐振腔与其频谱,整体增益,吸收,整体增益,损失,被动腔（无增益介质的空腔）的线宽一般远小于主动腔中激光跃迁的线宽（一般由Doppl

11、er宽度决定）。而增益介质补偿了被动腔中共振线的损耗，从而极大增加品质因子Q，使得振荡激光模的线宽远小于被动腔共振线的线宽。 主动腔的线宽a与FSR（）的关系： 其中单程增益为 当 G()=1 （阈值条件），激光放大器转变成激光振荡器。此时的激光线宽为,二、增益饱和当泵浦光增强时，粒子数反转N增大。当粒子数反转达到阈值Nth 时，产生激光。在激光建立过程中，增益大于损失，受激辐射也增强。但是同时受激辐射不断消耗反转粒子数（激发原子从激发态跃迁到基态，减少粒子数反转），使N减少。当再一次出现N Nth时，增益出现饱和。,光泵引起的粒子数差增大诱导辐射引起的粒子数差减少,均匀增益介质（增益介质所有

12、模式都出现增益饱和）,非均匀增益介质（只有腔共振模式出现增益饱和）,在激光频率附近，取均匀线宽范围,均匀,非均匀,空间烧孔模间隔： ( p = 2,3,) 可见a越小或d越大，烧孔模间隔越远。多模越不容易出现。,三、空间烧孔 驻波腔中，由于I(z,)的空间分布使得波腹增益饱和而波节处粒子数没有消耗，出现空间不均匀现象（烧孔）。导致多个激光波长可同时振荡（多模激光）（不同波成，其波腹和波节点不一样）。,增益介质,四、多模激光中的模式竞争 均匀加宽增益介质中，不同激光模之间会消耗共同的反转粒子数（在线型内），从而出现增益的竞争，本应该导致一个模式增强，其他模式压制，但是像空间烧孔、激光调模和时间依

13、赖的波动使模式随机分布。非均匀加宽介质中，可以有多模振荡，但各模不公用反转粒子数，因而不存在模式竞争。一般不加特别措施时的激光都是多模的。,群“模”乱舞！,稳定的多模输出,不同时间，模式随机,五、模牵引 存在增益介质时，被动腔的频率发生移动的现象。 物理本质：折射率n()（色散线性） 其中 m是增益介质中被放大的跃迁的谱线线宽。 r腔线宽， r腔共振频率， 0增益介质吸收中心频率,可见，频率变化正比与频差（拖曳，牵引）。,均匀加宽谱线激光频率为,第5.4节 单模激光器,原子分子增益介质，分立谱线：Ar+、CO2、He-Ne 用波长选择元件选择单条谱线： 棱镜、光栅、Lyot滤光片,一、选择谱线

14、（波长粗选择）,不同的波长在prism中折射角度不一样，只有垂直到达反射镜M2的光才能原路返回，在腔中形成震荡。利用Brewster角是为了减少损失，提高分辨率（入射和反射到Brewster prism上都是Brewster角）。Littrow prism是反射镜和Brewter prism的组合。,用Littrow grating代替Brewster prism放置在腔外，对波成进行选择（只有一定波长的一级光能原路返回，在腔中共振）。,二、横模抑制,大部分激光器要求工作在单横模 抑制高阶模：选定某镜面大小a，镜面距离L，使衰减00较小，10较大；或者增加空间滤波（光阑、光纤） N：Fresn

15、el（菲涅尔）参数,共焦腔,平面腔,在r=0处，TEM00TEM10,基模增益饱和,高阶模增益抑止,三、纵模选择,纵模间隔 (腔FSR) 非均匀加宽增益： 一般多纵模 标准具： 透过曲线进一步选单模 连续扫描且保持单模： 棱镜/光栅：角度 标准具：角度、间距 谐振腔：腔长补偿,Cavity mode (M1,M2),标准具,Cavity mode (M1, M2, M3),Gainprismetalon1etalon2cavity mode suppress,(P1, P2),四、强度稳定（稳幅）,电源起伏； 气体放电不稳； 灰尘光散射； 腔镜振动； 多模激光的模式竞争； CW染料激光的染料密

16、度变化和气泡,激光输出光强起伏的原因：,稳幅方法： 强度反馈控制,通过功率反馈，调制激光器的控制电压,通过功率反馈，通过调节Pockel cell的电压，从而控制输出光的偏振来控制功率,Dye laser强度稳定控制示意图和效果,激光输出波长起伏的原因： （d、n起伏） 长期漂移：温度、气压 短期起伏：腔镜机械振动（最主要）、折射率声波起伏、放电起伏、染料射流起伏等,五、单频激光的频率（波长）稳定（稳频）,1，热张系数小材料 2，导热系数大的基地材料 3，冷吹风减少空气波动和尘埃的影响 4，放置在真空室中，减少空气波动影响,被动稳频（没有反馈，只是让腔绝对参数稳定）：,主动稳频（有反馈，更加误

17、差信号来调节腔参数）：,稳频方法： 温控、电流和PZT补偿反馈控制 锁在峰顶：调制 LIR（Lock-in Regulator）/PDH （Pound-Prever-Hall Detector） 锁在边坡：直流漂移 PID,一些材料的线性热膨胀系数,ULE (Ultra-low Expansion),一种玻璃,温控 FPI 原子谱线 激光器,PZT/T/I,稳频部件：,1，参考标准 2，误差信号 3，反馈电流 4，可调参数 (电流，温度，腔长PZT),V0，扩张 V0，缩小,利用PZT控制腔长,长期飘逸：原子吸收线（受外界干扰小） 短期波动：参考腔（受外界干扰大，但是调制快）,锁峰顶：FPI

18、1监视波长， FPI 2参考腔,锁边带 优点：不需要调制，不需要锁相（Lock-in）。 缺点：D1和D2强度的变化改变锁频零点,TOPTICA 半导体激光器稳频模块,Fast Analog Linewidth Control,激光频率漂移,不同方法激光频率,Without stabilization,Short-term stabilization,Long and short-term stabilization,稳频效果,六、单模激光器的线宽,即使单纵模激光器，任何振幅、位相、频率的起伏都导致有限的线宽。 3个基本的噪声源（不能通过稳频系统消除）： 1、激发态线宽（可忽略）；,2、模中光

19、子数的统计分布引起的振幅的起伏(Poisson分布)；,Schawlow-Townes relation（Nth1, Nsp =1）:,如果 L=780nm, PL=1mW, 则 PL/hL=3.921015 s-1，R1=R2=0.95, L = 100um, 则 c=12GHz, L = 115 KHz；如果 PL=100 mW, L = 1 cm, 则 PL/hL=3.921017 s-1，c=120 MHz, L =0.115 Hz,3、相位起伏（主要贡献）：不同时刻放大的自发辐射,Nsp photon number of spontaneous emission; Nth photo

20、n number of thermal radiation,腔线宽,第5.5节 可调谐激光器,一、基本概念： 频率连续变化 (扫描/调谐) 保持单频 (CW、单纵模),调谐方法： 1、在宽的增益覆盖波长范围内频率选择 2、外场使增益介质能级移动 3、非线性光学混频,不同激光器的波长范围,二、半导体二极管激光器,FSR：,在外加电压下，电子空穴在p-n区复合，辐射能量,不同材料的半导体波长,半导体激光器的温度、电流调谐,跳模原因：腔长不能跟随增益同步变化，纵模是分立的、固定频率的。 调谐机理：温度使L、n变化；电流使增益变化,外腔半导体激光器调谐 （见“半导体激光器实验设计”）,腔模,腔线宽,波

21、长,三、可调谐固体激光器,调谐机理： 选择不同的参杂离子或者不同的基地材料，波长不同,Coherent 899/MBR110,Ti:Al2O3,翠玉激光器(Alexandrite),调协范围：650nm-1000nm 用半导体激光代替Ar+泵浦： 1，单纵模 2，Verdi10功率可达10W,四、色心激光器,色心：囚禁在空穴中的一个电子 （准原子） 调谐机理：（vibronic振动能级间跃迁),一个不同离子,两个不同离子,两个电子,相对d,少一个电子,色心激光器结构,不同类型和材料，不同波长增益,K, i粒子数反转，产生激光,FA(11)型色心激光器工作原理,一些固态激光器的调谐范围,半导体激

22、光器：单纵模（10W），装置简单,五、染料激光器,染料：大分子（丰富的振动能级）调谐机理：振动能级间跃迁,激发：光吸收，经过快速碰撞，驰豫到激发态的最低能态V0。泵浦光波长短于激光波长,优点：波长范围大300nm-1.2um，利用倍频技术，100nm-4um,不同的激光染料，其增益波长不同,SP 380 vs Coherent 699/899,和Ti:Sappire激光器结构一样，可以通用，只是更换不同的增益介质（ Ti:Sappire 或者燃料）和不同的镜片,振动镜片：条件镜片倾角，条件有效腔长，于增益介质同步单模连续输出,其输出波长不仅取决于燃料本身，也取决于泵浦光,六、准分子激光器,准分

23、子：激发态双聚物（电子激发态为束缚态、基态为排斥态）：激发态原子经过碰撞进入束缚态，基态束缚能小而使其寿命短，粒状数反转容易实现。其波长可调范围由R1和R2决定。,放电产生准分子的机理：*为激发态,不同准分子物质的激光参数,七、自由电子激光器,激光产生的机理：相对论速度的电子在周期磁场中震荡产生相干辐射（受激Compton散射）,韧致辐射（又称刹车辐射，Bremsstrahlung）：原指高速运动的电子骤然减速时发出的辐射。据电动力学，作加速或减速运动的带电粒子必然伴随电磁辐射。,同步辐射：同步辐射是带电粒子的运动速度接近光速（vc）在电磁场中偏转时，由于相对论效应，沿运动的切线方向发出的一种

24、电磁辐射，最先在电子同步加速器上发现，故得此名。,切伦科夫(Cherenkov)辐射: 介质中运动的物体速度超过该介质中光速时发出的一种以短波长为主的电磁辐射，其特征是蓝色辉光。,电子在周期磁场中震荡，类似与振子，不同振子间辐射能量,第5.6节 非线性光学混频技术,一、物理背景,例如：,则：,产生 倍频(21、 22)、和频(1+2) 、差频(1-2),介质在外加电场中产生宏观极化率,k阶极化系数和k+1阶张力,KDP晶体： 非零分量为 xijk的计算（原子物理、固体）： （参见 非线性光学）,是3阶张量,相位匹配：介质内空间任何一点产生的光场的相位与泵浦光的相位相同。 相位匹配条件（光子动量守恒条件）：,二、相位匹配,用双折射晶体实现相位匹配,n0,ne 与k垂直，n0不变，但是