激光原理第4章激光的基本技术.pptxVIP

第一页，共一百零八页。第4章 激光的基本技术4.1 激光输出的选模4.2 激光器的稳频4.3 激光束的变换4.4 激光调制技术4.5 激光偏转技术4.6 激光调Q技术4.7 激光锁模技术第二页，共一百零八页。4.1 激光器输出的选模对激光纵模的选取（选频技术）提高激光的相干性激光器的选模技术对激光横模的选取（选模技术）提高激光的亮度和均匀性一 激光单纵模的选取第三页，共一百零八页。1 均匀增宽型谱线的纵模竞争 对于均匀增益型介质，当强度很大的光通过时粒子数反转分布值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变，如图：这种现象叫做“纵模的竞争”，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第四页，共一百零八页。开始时，存在三个模式 、 、 ：()nG,I,I,IG+nnq1vt()-+q1qq1nG,I,I,IG-nnq1vt()-+q1qq1nG,I,I,IGnnqvt-+q1qq1故： 均增大第五页，共一百零八页。不再增加继续增加继续增加 下降至零，即 模熄灭继续增加增益曲线降低到曲线1时：增益曲线继续下降：第六页，共一百零八页。不再增加继续增加下降至零继续增加达到稳定值均匀加宽激光器具有自选模作用增益曲线降低到曲线2时：增益曲线继续下降：增益曲线降低到曲线3时：所以最终只有靠近中心频率的优势模可以维持振荡第七页，共一百零八页。空间竞争 在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较大时，也可能有比较弱的其他纵模出现，如何解释？这种现象称为模的“空间竞争”。 当腔内形成纵模为q的强光振荡时，此时腔内形成一个驻波场，腔内各点光强不均匀，增益也不相同，只是平均增益等于G阈，而在波节处增益比较高。因为其他纵模的波节和波腹与q纵模不重合，所以这些纵模在波节处得到较高的增益，形成较q纵模弱的振荡。第八页，共一百零八页。当然，如果两个纵模的烧孔重合，或者由于间隔过小而部分重合，则也同样会产生竞争现象。2 非均匀增宽型谱线的多纵模振荡 在非均匀加宽激光器中，如果有多个纵模满足振荡条件，由于某一纵模光腔的增加只会消耗对应的激活粒子，不会使增益曲线整体下降，只会在增益曲线上形成烧孔，所以只要纵模间间隔足够大，各纵模基本上互不相关，所有小信号增益系数大于振荡阈值增益的纵模都能够稳定振荡。第九页，共一百零八页。3.单纵模的选取 要提高光束的单色性和相干长度，就需要使激光器工作在单一频率下。常用的选频方法：（1）短腔法：使纵模间隔大于增益曲线阈值以上所对应的宽度，即缩短腔长。??q=c/2?L缺点：腔长缩短，使得增益长度减少，常常得不到足够的输出功率，因此，这种方法常用在对激光输出功率要求不高的场合。第十页，共一百零八页。（2）法布里-珀罗标准具法 如图所示，在外腔激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里－波罗标准具。它是用透射率很高的材料制成，两个端面平行且镀有高反射率的反射膜，其对于满足的光具有极高的透射率。 这时的产生的激光频率不仅要符合谐振条件，还要对标准具有最大的透射率。第十一页，共一百零八页。能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为而谐振腔的纵模频率间隔为使??m远大于??纵，从而使得在整个谱线宽度内只有一个?m具有最大透率。如果我们再适当地调整?角，就可以使得具有最大透射率的?m正好等于激光器的多个纵模中的某个纵模q所对应的频率?q 、这样就使得只有纵模q对标准具有较高的透射率而形成振荡。第十二页，共一百零八页。（3）三反射镜法： 如图所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当投射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其腔长为L1+L2；另一个由M3、M4组成，其腔长为L2+L3。如果L2、L3较短，就形成了一个短谐振腔和一个长谐振腔的耦合。第十三页，共一百零八页。两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2?(L1+L2)和c/2?(L2+L3)只有同时满足以上两个谐振条件 的光才能形成振荡，故只要选取L2+L3足够小，就可以获得单纵模输出。第十四页，共一百零八页。二、 激光单横模的选取1 衍射损耗与菲涅耳数 如图所示，设有一个腔长为L，反射镜直径为2a的激光器，腔内传播的是一高斯光束，该光束在镜面处的场强分布可以写为：由于光强的分布正比于场强的平方，故镜面处的光强分布为:第十五页，共一百零八页。从上式看出光强I的分布一直弥散到 ，但是由于反射镜尺寸的限制， 处的光能量将落到镜面外而逸出腔体，这将引起能量的损耗，这种由于衍射效应使光束向边缘处弥散而形成的光能量的损耗称为“衍射损耗”。设射向镜面的总光功率为I