第21讲-极限线宽、选模、稳频技术.pptVIP

激光原理与技术·原理部分 第21讲 极限线宽、选模、稳频技术 21.1 连续激光器极限线宽 第三章曾经得到无源腔内的光强为： 则光场振幅为： 故光场为： 上式表示的衰减振动将具有有限的谱线宽度： τR为腔内光子寿命，δ为无源腔单程损耗，L’为腔光学长度，Δνc为无源腔中本征模式的谱线宽度。 21.1 连续激光器极限线宽 对有源腔，其单程净损耗为： 则线宽为： 稳态工作时有 ，则理论上 由于存在自发辐射， ΔνS不可能为0，由四能级系统速率方程有： al为分配到该模式上的自发辐射几率： 21.1 连续激光器极限线宽 稳定运行时： 则： 由于有自发辐射，单程损耗略大于单程增益，δS不为零。 21.1 连续激光器极限线宽 输出功率P0=Pst+Psp，Pst为受激辐射，Psp为分配到该模式的自发辐射功率，PspPst，如果除了输出镜的透过率外，其他损耗不计，则稳定工作时： 21.1 连续激光器极限线宽 将以上得到的式子带入到Δνs的表达式中可以求出： 例：对于长度30cm，T=0.02，P0=1mW的He-Ne激光器，可以求出： 这种线宽是由于自发辐射而产生的，无法排除，成为线宽极限，实际激光器中由于各种不稳定因素，纵模频率漂移远大于极限线宽； P0越大，极限线宽越窄，因为随着P0增大，同一个模式内的相干光子数增加，受激辐射功率与自发辐射功率比之增大，因此线宽变窄； 单程损耗δ下降或者谐振腔长度增加也会引起线宽下降； 21.2 模式选择技术 1、模式选择的意义 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，理想的激光输出应为单横模、单纵模输出； 实际的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； 21.2 模式选择技术 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。 2、横模选择技术 横模选择的原则： 必须尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比； 必须尽量减少其它损耗，相对增大衍射损耗； 21.2 模式选择技术 横模选择技术 小孔光阑选模 聚焦光阑法 21.2 模式选择技术 3、纵模选择技术 短腔选模 当L减小时，Δνq增大，当增大到大于ΔνT后，就可以选出单纵模。 F-P标准具法 复合腔选纵模 21.3 稳频技术 激光器中Δν与ν的比值很小，即单色性很好，但频率漂移较严重，稳频就是用手段稳定ν，单纵模单横模激光器中纵模频率为： 引起Δν的因素：激光管发热、机械振动引起ΔL，温度变化、介质中反转集居数起伏，大气气压、温度变化等都回影响工作物质及腔暴露在大气部分的折射率Δη： 21.3 稳频技术 定义频率稳定性 描述Laser的频率稳定性； 例：一个管壁材料为硬玻璃管的内腔式He-Ne激光器，当ΔT为±1℃时，由于腔长变化引起的频率漂移已经超出增益曲线范围，因此再不采取措施时有： 稳频有两个含义： 1、频率的稳定性； 2、频率的复现性，即参考标准频率νs本身的变化； 21.3 稳频技术 当ν=ν0时，对压电陶瓷调整时，P0为最小值，因此不论腔长增大还是减小，功率都是增大，其输出为2f的低频调制。 当νν0时，输出与调制同频，但相位相差π； 当νν0时，输出与调制同频，相位相同； * *