激光原理教程七-激光器特性的控制与改善.pdf

激光原理与技术 ——龐 激光器特性的控制与改善 激光器特性的控制与改善 §7-1 模式选择 §7-2 频率稳定 前言—— 本章介绍激光技术方面的相关应用。为控制和改善输出光特性而发展出众多 新技术。 例如：激光精密测距、激光雷达、高速摄影等需要激光脉冲宽度窄(ns量级) ， 峰值功率高，由此发展了调Q技术，把全部辐射光压缩到极窄的脉冲中发射。 调Q技术压缩脉冲有限，之后又产生锁模技术，能使脉冲宽度缩至ps fs量级， 故又称为超短脉冲技术。我们将脉宽为fs，峰值功率在TW 以上的激光脉冲 称为超短脉冲。 超大功率的激光可以在空间极小范围内产生极高能量，产生几千万度高温的 等离子体，用于激光点火实现可控热核聚变反应。 前言—— 激光的某些应用要求激光束具有很高的光束质量(方向性和单色性好) ，一般 激光器工作状态往往是多模的，光束发散，单色性不好。为改善光束质量而 研发了选模技术和稳频技术。 选模技术是从激光振荡的模式中选出单模(基横模和单纵模)，基横模光束方向性好， 单纵模可以获得单频激光输出，改善光束单色性。 激光器工作受到外界干扰而频率不稳，频率变化随机起伏而难以应用于精密测量。 稳频的方法主要有兰姆凹陷稳频、塞曼稳频、饱和吸收稳频等。 随着稳频技术发展，已实现长度和时间频率基准的统一，国际计量标准中，将激光 波长作为“米”定义的国际标准，频率作为“秒”的标准。 由于激光是一种光频电磁波，其传输速度快、频率高，因而是一种很好的载波物质， 可承载信息量大，是光通信、光信息处理中一个极好的载波源。 激光原理和技术涉及多学科理论，应用广泛，但只要掌握其基本的物理规律，对于 其他理论和技术也能够较好地理解。 §7-1 模式选择 激光区别于普通光的特点在于功率高、单色性好、方向性好和相干性好。 理想激光输出应为单横模、单纵模输出，实际激光器总是工作再多横模和 多纵模状态。 横模选择及其意义 模式阶数越高，光强分布图案越复杂，分布范围越大，发散角越大； 横模阶数越低，越有利于加工等有关应用； 要选出单纵模，必须先选出单横模。 纵模选择及其意义 有一些应用，例如外差探测、全息照相技术、精密计量技术等对激光的频率宽度有 严格的要求，因此需要选出单纵模。 §7-1 模式选择 一、横模选择 一台激光器的谐振腔中可能存在若干个稳定的振荡模，只要其中某一个模式 的单程增益单程损耗，即可满足激光振荡条件，被激发起振。 假设谐振腔两端的反射率分别为r r ，单程损耗为δ，单程增益为g ，激光器 1 2 工作长度为l 。初始光强I 的某个模式的光在腔内一次往返后，其光强变为： 0  2   I I r r 1 exp 2gl 0 1 2  2   I I r r 1 exp 2gl 1 振荡阈值条件： 即 1 2 0   以及g 0 g 0 考察TEM00 TEM01模，00 01 00 01 2 0   0 即可实现激光       r r 1 exp g l 1 对于TEM r r 1 exp 2g l 1 1 2 00 00 00 1 2 00 00