第四章激光的基本技术.doc

PAGE PAGE 164 第4章 激光的基本技术 激光器发明以来各种新型激光器一直是研究的重点。为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术也得到了极大的发展。这些技术可以改变激光辐射的特性，以满足各种实际应用的需要。其中有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。在使用激光作为光源时，这些技术必不可少，至少要使用其中一项，常常是诸项并用。本章讨论激光工程中一些主要的单元技术。因为激光技术涉及的内容十分广泛，这里只给出基本概念和基本方法。 4.1激光器输出的选模 激光器输出的选模技术就是激光器选频技术。前几章中已经讨论过激光谐振腔的谐振频率。大多数激光器为了得到较大的输出能量使用较长的激光谐振腔，这就使得激光器的输出是多模的。然而，基横模(模)与高阶模相比，具有亮度高、发散角小、径向光强分布均匀、振荡频率单一等特点，具有最佳的时间和空间相干性。因此，单一基横模运转的激光器是一种理想的相干光源，对于激光干涉计量、激光测距、激光加工、光谱分析、全息摄影和激光在信息技术中的应用等都十分重要。为了满足这些使用要求，必须采用种种限制激光振荡模的措施，抑制多模激光器中大多数谐振频率的工作，利用所谓模式选择技术，获得单模单频激光输出。 激光器输出的选模（选频）技术分为两个部分，一部分是对于激光纵模的选取，另一部分是对激光横模的选取。前者对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，常常也叫做激光的选频技术；而后者主要影响激光输出的光强均匀性，提高激光的亮度，一般称为选模技术。 4.1.1 激光单纵模的选取 1．均匀增宽型谱线的纵模竞争 前面已经指出，对于均匀增宽型的介质来说，每个发光粒子对形成整个光谱线型都有相同的贡献。当强度很大的光通过均匀增宽型增益介质时，由于受激辐射，使粒子数密度反转分布值下降，于是光增益系数也相应下降，但是光谱的线型并不会改变。其结果是增益曲线按同一比例降低，线宽和频率分布都不发生变化。 图（4-1） 均匀增宽型谱线纵模竞争 当谐振腔的长度足够大，使得有多个纵模落在均匀增宽的谱线范围内，且每个纵模所对应的小讯号增益都大于增益阈值时，这些纵横都有可能在腔内形成振荡。不失一般性，在图（4－1）中，假设只有，，三个纵模满足振荡条件。这三个纵模的光均有增益，光强都在增加，随着光强的增加，整个增益曲线由小讯号增益曲线开始逐渐下降。当降到曲线l时，对模来说，增益已经变得比低了。这样，它往返一次光的增益小于损耗，使振荡越来越弱，直到最后被抑制掉。但此时，对和模来说，增益仍大于，故腔内光强仍继续增加，使增益曲线继续下降。当下降到曲线2时，模也被抑制掉，只有模的光强继续增长，最后变为曲线3的情形。若此时的光强为，则有 (4－1) 于是，振荡达到稳定(振荡一次增益等于损耗，使纵模的光强保持不变)，使激光器内部只剩下纵模的振荡。这种通过增益的饱和效应，使某个纵模逐渐把别的纵模的振荡抑制下去，最后只剩下该纵模的振荡的现象叫做“纵模的竞争”。 由上面的分析可以看到，纵模竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来，所以，一般说来，均匀增宽的稳定激光器的输出常常是单纵模的，而且它们的频率总是在谱线中心附近。 在均匀增宽激光器中，当受激辐射比较强时，也可能有比较弱的其它纵模出现，其原因可以这样解释：当腔内形成纵模为的强激光振荡时，在激光器腔内，形成的是一个驻波场，所以腔内光强并不均匀。在波腹处光强最强，在波节处光强最弱。这就使得在整个腔长范围内各点的增益也不相同，只是平均增益等于，而在波节处增益就比较高。由于其他纵模的波节和波腹与纵模的波节和波腹并不重合，所以这些纵模就可以在纵模的波节处得到较高的增益，而形成较纵模弱的振荡。这就是均匀增宽谱线的稳定激光器中，在激光较强时，也可能出现少数几个弱的其他纵模的振荡的原因。这种现象称为模式的“空间竞争”。 2．非均匀增宽型谱线的多纵模振荡 前面曾经指出，对非均匀增宽型介质来说，某一种纵模的光强增强时，增益的饱和并不引起整个增益曲线下降，而是在该纵模对应的频率处形成一个凹陷(即“烧孔”效应)。如果一个非均匀增宽激光器有多个纵模的小讯号增益系数都大于阈值的话，那么这些纵模就都可以建立自己的振荡，所以，非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 3．单纵模的选取 要提高光束的单色性和相干长度(如在干涉测长仪中就要求良好的单色性)，就需要使激光器工作在单一纵模下(一般是基横模)。但是，许多非均匀增宽的气体激光器往往有几个纵模同时振荡，因此，要设计单纵模激光器，就必须采取选频的措施。常用的选频方法有