激光原理与技术.docx

激光原理与技术目录1.激光技术2?激光器模式2?实际应用的需求2?选横模要遵循两条原则3?影响衍射损耗的因素3?横模选择方法5?例题6?元件选模法6?小孔光栏法6?聚焦光栏法：透镜+小孔光栏7?准介稳腔选模8?提高仅措施9?非稳腔选模9?其他选模方法10?可饱和染料选模10?棱镜选模10?纵模选择技术10?色散腔粗选频率10?棱镜11?光栅11?短腔法选纵模12?法布里-珀罗准具选纵模13?选模原理14?行波腔选纵模（适用于加宽工作物质）15?可饱和染料选纵模17?纵模测量19?稳频技术20?当兰姆凹陷稳频系统工作原理21?调幅波的频谱分析26?频率和相位调制28?脉冲调制29?编码调制29?电光调制物理基础：晶体电光效应31?电光强度调制原理31?晶体运用方式32?声光调制物理基础32?调Q技术34?总结6127.激光器技术之选模、稳频、品质调整及锁模64?选模64?稳频65?品质调整（调Q）65?锁模661 .激光技术1 .改善激光器输出光时间相干性或空间相干性2 .获得窄脉冲高峰值功率的激光束选模目的：减少激光模式数，改善方向性，提高单色性激光器模式模式：在腔内可能存在稳定光场的本征态模式纵模：沿腔轴线方向电磁场本征态横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态改善激光方向性提高单色性原因?.实际应用的需求激光打孔：需要激光发散角小，利用激光经过打孔聚焦到物体上，使物体烧出孔来，光斑尺寸越小,功率密度越高，易于打孔激光全息，精密干涉计量需求激光单色性好，提高激光相干长度,横模选择理论基本原理：不同横模衍射损耗不同两条原则：腔的总损耗是：=d+i激光振荡条件使G>即G>d+i?.选横模要遵循两条原则影响衍射损耗的因素衍射损耗大小是选横模的关键衍射损耗与哪些因素有关1.与腔型，g参数有关，不同腔型，衍射损耗不同稳定腔：阴影区，8,最小，中心区域最小远离中心衍射损耗变大准稳腔：g=0两轴，glg2=l两双曲线非稳腔：其余区域，8d最大?.影响衍射损耗的因素衍射损耗大小是选横模的关键，衍射算好与咖些因素有关与腔型，g参数有关不同腔型，衍射损耗不同广场在谐振腔中每次返回遵循菲涅尔基尔霍夫衍射积分方程f(x)=(1.,4)E(x,y)dsE(x,y)本征函数，光场在腔镜上的稳态振幅分布K(1.,R)本征方程的核函数，与腔参数有关y的本征值，横模振幅单程相对变化与模序数有关，同一个腔型不同横模，衍射损耗不同与菲涅尔数有关，同一个腔型不同N,衍射损耗不同基膜体积模体积:表示某一个模式在腔内所扩展的有一个模式日记大小表示了对输出功率大小基膜体积与腔型有关增大腔镜的曲率半径，基膜体积增大基模光束半径变化:疗(Z)(z+)=1-双曲线束腰半径:(Rl+R2-21.2对称腔图斯光束回)=AT/T模体积T;Rf8,即平行平面腔，模体积最大。(2)R一定时,1.有最佳值，1.=K时(共焦腔)模体积最大T121可证明，共焦腔匕O=U=1.A加大=1.加党22其中Qs=巨-腔镜上光斑半径，A=/=等V1111在选模中不但选出单一基膜，而且应尽可能选择腔型，增大体积.输出功率增大?.横模选择方法稳定腔的选模腔参数g,N选择法，利用衍射损耗来进行选模理论基础：前面选模过程)理论基础：前面讨论的小N和汨0、九的关系。在设计激光器时，通过选择不同g、N达到选模目的。选模过程：a,先画出缶O和九的曲线，由此查出不同g、N时，丸和质的大小。b.画出凸oo和N的曲线。a.在g一定时见而Aot这说明/比40减小地慢。b.在N一定时，gT0T而九。O1.这说明/比»增加地慢。工说明：在Mg变化时.小比砺的变化小。在N,g变化时，80比600变化小方法选尺寸选尺寸N大一九/匹）大,但不能太大使正0小九小选腔型g大一正O大加大,但不能太大使九/九小?.1.例题?.元件选模法?.1.小孔光栏法在谐振腔中加一个小孔光栏原理：在稳定腔中，高阶模体积（模斑大）基膜横模小，加入小孔光栏目的是增大510,600虽也增大，但增加的少，结果810/600增大，从而使TEMlO模的损耗大于增益，不能振荡，而TEMOO模的损耗小于增益，能振荡可选择小孔光栏孔径外和基模光斑尺寸大致相等，使的o/厢最大。z1/2对称腔：0(z)=6>(z)=¾1+方形共焦腔：O（Z）=1+1+其中/=2焦距，=11府镜面上光斑半径（基模），睢=ETTTGOS等相位面曲率半径：（z）=/（+£=%+J一般稳定球面腔：&=一-1+Zl>R1=其中.-一）5一（丁飞）+（八&），-1.(RI-1.)山一（人居）+"Aj1.(R必生山区+&7(KI)+(>_&)注意：光栏在不同的位置，选模效果不同，应该放到高斯光束的束腰处，小孔孔径越小，越有利于选单横模，基膜体积减少，输出功率降低，同时由于衍射增大光束的发散角，在保证选出单横模，尽量增大小孔孔径，使输出功率增大结构简单，调整方便，大部分固体激光器采用?.2.聚焦光栏法：透镜+小孔光栏原理：为了克服小孔光栏的缺点，在腔汇总加入聚焦透镜，在焦点处放了一个小孔光栏，基膜聚焦后光斑小，高阶模光斑大，损耗大，抑制了高阶模，只有平行光束经过聚焦后才能通过小孔往返振荡平行平面腔平凹腔（M2变凹面镜）缺点：2个透镜，增加损耗且调1个透镜；还可不加透镜将工作整困难物质一端面加工成凸面使激活介质能量充分利用，介质各处基膜光束能够在腔内振荡改进：正+负透镜=望远镜对光栏材料要求有所降低长腔法增加腔长（适当），能改善激光模式因为N=M（1.）,对一些高阶模有抑制作用。元件选模法，长腔法，小孔光栏法，适用于稳定腔，一般在N较小，a较小，此时衍射效应比较明显，光束衍射损耗比较大，损耗以衍射损耗为主，这样利用改变各膜的衍射损耗办法，可以选出基膜横模般介稳腔和非稳腔中利用光束偏折损耗进行选模?.准介稳腔选模以平行平面腔为例：R,=R2=00gl=g2=lglg2=l介稳腔原理：TEMOO模的光束沿轴向传播，无偏折损耗，只有透射损耗，而TEMIO以上的模偏离轴向传播，有偏折损耗和透射损耗设光束与腔轴夹角是仇则光束往返一次偏折量I1.tg21.11.1.laa设腔镜直径是2a,光往返一次能量损耗率是ITEMoO模无偏振损耗，其往返一次的能量损耗率：b00=7+5,Tjx5分别为«、&的透过率ITEMol模往返一次的能量损耗率：%=（+式+”相对损耗Aj=逛二匣=_1_"-偏折损耗/透射损耗%1+Q越大偏折损耗越大，高阶模损耗越大，对选模越有利，越大越好?.1.提高At措施a. M和TT域反比，使'+AJajT,增加了偏折损耗在总损耗中占的比例作用。b. 和6成正比，,但。是高阶模本身的特性来决定，人为不能改变，mn.c. 和/./成正比，1.a,可以1.T和J（或在腔内插入小孔光栏），实际上是减小菲涅尔数N。在平平腔中利用和。T，提高通方法进行选模。基膜体积比稳定腔大，输出功率高?.非稳腔选模原理非稳腔是指满足glg2<0或glg2>l的谐振腔，在这种腔中任何傍轴光线经过有限次住返传播后必将逸出腔外，即所有模都有偏折损耗，但TEMo模的损耗最小。分析因为非稳腔N大，衍射损耗小可以忽略，主要表现横向逸出腔外，利用共飘象点发出自再现球面波在腔内来回反射，横向尺寸不断扩大，即求出光束半径往返一次扩大倍数-非稳腔放大率特点各个模损耗差异大（M越大差别越大），选模能力强，l大500大且l大很容易抑制高阶模的振荡，选出单一基横模基膜体积大，近似均匀分布，输出功率能量大非稳腔一般适用于高增益，大尺寸的激光器其他选模方法画可饱和染料选模原理：在腔中放入有机染料，利用它的可饱和吸收特性选模TEMoO模功率密度高，染料易于饱和,损耗小，能振荡。高阶模功率密度低，染料不能饱和，损耗大，不能振荡国棱镜选模原理临界角附近光束的反射率随入射角的变化而迅速变化，可以将棱镜如此放置：使之对轴向附近很窄范围（1'）内的光线有高的反射率，偏离此范围反射率迅速下降，从而可以滤去高阶横模（其发散角大）而选出基横模。画纵模选择技术选单纵模，选出单一频率，单频振荡单色性好采用横模选择方法选出基膜后，在此基础上采用一定的纵模选择方法可以实现单频振荡色散腔粗选频率激光介质谱不止一条，选支：从多条谱线中选出一条谱线叫选支窄带介质膜反射镜选支选出一条谱线，但反射镜带宽最窄100A左右利用色散腔法选支，谱线宽度可以达到10A,很窄，但非单一频率原理：在腔中加入一色散元件（棱镜，光栅），使不同波长光发生分离，其中只有较窄波长范围广振荡，其他波长光偏离腔外画棱镜原理腔中放色散棱镜，使光的出射角，和入射角相等的光在腔内损耗最小，能够振荡。偏离的光损耗加大。如果偏离太多，由于损耗太大不能振荡。只有在，附近的光才能振荡。能够振荡光在附近有一角度范围日。光通过棱镜时，不同的光出射角不同，则损耗不同，只有一定波长范围入内的光，在必附近角度范围内能振荡一选支。Zu的计算（简单的方法）折射率出射光相对入射光的偏角-最小偏向角sinsina2-7=Bsinsin22=>Zr(p-2arcsin11sinI2棱镜顶角一夕Y，称为材料的角色散率。(U折射率的波长变化率（材料色散）。若6=Imrad,对玻璃材料棱镜来说UlX0常用于氮离子激光器。画光栅原理：闪耀光栅方程：2dsina0=m入d是光栅常数，a是闪耀角（光栅平面的法线NO与每条缝的平面法线N2之间的夹角只有满足上式的光才能在腔中振荡，偏离a光损耗增大，偏离的多，。光不能振荡，光沿槽法线方向入射，出射光沿此方向光栅角色散率：O=华=等包<12选出的波长范围：2=上=一夕D2。为腔内容许的偏离角。若4=30°、外1毫弧度，A4几AzS比棱镜高得多。色散腔粗选法特点，只能选出具有一定宽度的谱线，不能选出单一的频率短腔法选纵模原理：利用减少的腔长增加纵模频率间隔当AvqMvg时，实现单模振荡。激光器的纵模间隔：M=募结构简单无插入损耗，只需要缩短腔长即可实现单纵模例子例：HeNe激光器：Ne的AVg=1.5x109HZ当1.=IIn时,A%=1.5xl8Hz,在腔内有10个模振荡。当1.=O.1m时=15x1()9H