01第一章激光原理与技术(上)素材.ppt

聚焦条件：短焦距透镜，束腰远离透镜 1.聚焦点位置 2.聚焦点尺寸 f 五、高斯光束的准直 对于单透镜系统l=f时， 达到最大值 可利用倒置望远镜可实现激光光束的准直 压缩比 例：VCD头, He-Ne激光,ω0=1mm,距离透镜500mm,要求聚焦 后直径为10μm,求透镜焦距 ——计算合理 准直区间 在精密计量中，通常以波长为基准， 测量精度很大程度上决定于波长的精确程度。 §1.5 激光的稳频技术 频率稳定度 稳频的必要性： 频率再现性 要求 ——同一激光器在不同时间、不同地点、不同条件下频率的重复性 激光器输出单频的同时，频率变动尽可能小 表示频率变动的两个物理量 频率漂移远大于线宽极限!!! 一、频率变化原因 温度：任何材料的物体的线性尺寸都会随温度而变化 振动：振动会引起反射镜位置变化、激光管变形，使腔长发生变化 同时，温度变化会引起介质折射率的变化 激光频率 频率变化 引起变化的原因 腔长及折射率的变化 温度变化源于环境温度的起伏和激光管的发热 大气的影响：外腔式氦氖激光管，谐振腔的一部分暴露在大气之中，大气的气压和温度的改变影响折射率，使谐振频率发生变化。 例：一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器，当温度漂移±1?C时，由于腔长变化引起频率变化为 不加任何稳频措施，单纵模氦氖激光器的频率稳定性为 腔长变化引起频率漂移已超出增益曲线范围 因而在精密干涉计量、光频标、光通信、激光陀螺及精密光谱研究等应用领域中，必须采用稳频技术以改善激光器的频率稳定性。 二、稳频方法 （一）被动稳频 1)控制温度：如 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 3)防震、密封 （二）主动稳频 措施 基本原理 采用电子伺服控制激光频率，当激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。 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Δv转换成输出功率的起伏值ΔP，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 1.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 稳频原理： 稳频装置示意图 A处，与激励信号,同频反相 B处，同频同相 V0处，2倍频 稳频原理图 输出功率变化的规律不仅反映了激光器工作频率偏离中心频率的大小，而且反映了激光器工作频率偏离标准频率的方向，可作为差值信号。 缺点： 中心频率易受放电条件、压力位移等因素的影响，而且线宽较宽，限制了频率稳定度的提高。 兰姆下陷稳频以激光工作物质原子谱线本身的中心频率为标准频率，对中心频率的改变,无控制作用。 特点： 对凹陷深度的要求 为了改善频率稳定性，希望微弱的频率漂移量就能产生足以将频率拉回中心频率的误差信号，这就要求兰姆凹陷窄而深。如要使频率稳定性优于4×10-9，兰姆凹陷深度应达1/8。 使激光器工作于最佳电流并降低损耗可增加凹陷深度。 降低气压可使得凹陷变窄，但气压过低会使激光器功率降低，甚至使激光不能出光。 采用兰姆下陷法，632.8nm He-Ne激光的频率稳定度可达10-9,再现度只有10-7。 激光器输出激光的光强和频率均有微小的音频调制。 2. 饱和吸收法 原理: 利用外界频率标准进行高稳定度的稳频方法 方法: 在一外腔管中放入激光管的同时再装一吸收管 装置示意图 吸收管气压很低，通常只有1~10Pa。 增益、吸收曲线 反兰姆凹陷的宽度比兰姆凹陷的宽度更窄，峰的位置更稳定，下陷的斜率也更大。 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，出现反兰姆下陷。 优点: 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 特点： 双频激光器:由塞曼效应制成的激光器。 国际上明确规定甲烷和碘吸收稳频的氦氖激光波长可作为长度副基准和复现米定义。 由塞曼效应而分裂的两条谱线，不仅在频率上有差别，而且偏振态也不同。 稳频方法:纵向塞曼稳频、横向塞曼稳频、塞曼吸收稳频 纵向塞曼效应 激光器产生频率较低的右旋圆偏光和频率较高的左旋圆偏光 频差 频差和谐振腔的损耗及腔内光强有关，当损耗及放电条件变化时，频差也随之变化。 稳频方法 测出二圆偏振光输出功率之差值，以此作为鉴频误差信号，再通过伺服控制系统控制激光器腔长。 另：理论、实验证明左、右圆偏振光频差与中心频率有关，可利用拍频方法测出频差也可以提供鉴频的误差信号。 结构示意图 根据激光器输出的两圆偏振光光强的差别