激光的基本技術(shù)

1、.激光的基本技術(shù)（1）選模技術(shù)（2）穩(wěn)頻技術(shù)（3）光束變換技術(shù)（聚焦、準(zhǔn)直、擴(kuò)束）（4）激光調(diào)制技術(shù)（5）激光偏轉(zhuǎn).激光的優(yōu)點(diǎn)在于它具有良好的單色性、方向性和亮度高。理想的激光器輸出光束應(yīng)該只有一個(gè)模式，但是對于實(shí)際的激光器，如果不進(jìn)行模式選擇，它們的工作狀態(tài)往往是多模的。含有高階橫模的激光束光強(qiáng)分布不均勻，光束發(fā)散角大。含有多縱模及多橫模的激光器單色性差。在激光準(zhǔn)直、激光加工、非線性光學(xué)、激光測距等領(lǐng)域都需要基橫模激光束。在精密干涉測量、光通訊及全息照相等應(yīng)用中更要求激光是單橫模和單縱模光束。因此，設(shè)計(jì)和改進(jìn)激光器的諧振腔以獲得單模輸出是必要的。 4.1 激光器輸出的選模. 選模技術(shù)-選頻技

2、術(shù) 利用選模技術(shù)-獲得單模單頻激光輸出 激光縱模選取-提高激光的相干性 激光橫模選取-提高激光亮度橫模的選擇：在穩(wěn)定腔中，基模的衍射損耗最小，隨著橫模階次的增高，衍射損耗將迅速增加。諧振腔中不同的橫模具有不同的衍射損耗是橫模選擇的物理基礎(chǔ)。為了提高模式的鑒別能力，應(yīng)該盡量增大高階模式和基模的衍射損耗比，同時(shí)，還應(yīng)該盡量增大衍射損耗在總損耗中占有的比例；衍射損耗的大小及模鑒別能力的值與諧振腔的腔型及菲涅耳系數(shù)有關(guān)。 縱模的選擇：一般的諧振腔中，不同的縱模具有相同的損耗，因而進(jìn)行模式鑒別和選擇時(shí)應(yīng)可以利用不同縱模的不同增益。同時(shí)，也可以引入人為的損耗差。 .4.1.1 4.1.1 激光單縱模的選取

3、激光單縱模的選取 1. 1. 均勻增寬型譜線的縱模競爭均勻增寬型譜線的縱模競爭(1) 當(dāng)強(qiáng)度很大的光通過均勻增寬型介質(zhì)時(shí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布值下降，增益系數(shù)相應(yīng)下降，但光譜的線型并不改變。(2) 多縱模的情況下，如圖所示，設(shè)有q-1，q，q+1三個(gè)縱模滿足振蕩條件。隨著腔內(nèi)光強(qiáng)逐步增強(qiáng)，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光強(qiáng)繼續(xù)增長，最后變?yōu)榍€3的情形。圖4-1 均勻增寬型譜線縱模競爭.(3)若此時(shí)的光強(qiáng)為Iq，則有 ，于是振蕩達(dá)到穩(wěn)定，使激光器的內(nèi)部只剩下q縱模的振蕩。這種現(xiàn)象叫做“縱模縱模的競爭的競爭”，競爭的結(jié)果總是最靠近譜線中心頻率的那個(gè)縱模被保持下來。閾GIGqq),(4)在均勻增寬

4、的穩(wěn)定態(tài)激光器中，當(dāng)激發(fā)比較強(qiáng)時(shí)，也可能有比較弱的其他縱模出現(xiàn)，如何解釋？這種現(xiàn)象稱為模的“空間競爭”。.4.1.1 4.1.1 激光單縱模的選取激光單縱模的選取 2. 2. 非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個(gè)縱模。 3. 3. 單縱模的選取單縱模的選取(1) 短腔法： 兩相鄰縱模間的頻率差 ，要想得到單一縱模的輸出，只要縮短腔長，使 的寬度大于增益曲線閾值以上所對應(yīng)的寬度)2(Lcqq缺點(diǎn) He-Ne激光器：熒光線寬 MHzF1500腔長 L=10cm，縱模間隔 MHzq1500.(2) 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法： 如圖所示，在外腔激光器

5、的諧振腔內(nèi)，沿幾乎垂直于腔軸方向插入一個(gè)法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具 圖(4-2) 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法示意圖由于多光束干涉的結(jié)果，對于滿足下列條件的光具有極高的透射率222sin2dmcm能獲得最大透射率的兩個(gè)相鄰的頻率間隔為： 222sin2dcm諧振腔的縱模頻率間隔為： Lcq2)2(sin112FIIitmnh2cos42.腔內(nèi)插入F-P標(biāo)準(zhǔn)具法：調(diào)整F-P標(biāo)準(zhǔn)具的參數(shù)，使得在增益線寬范圍內(nèi)，只有一個(gè)透射峰，同時(shí)在一個(gè)透射峰譜線寬度范圍內(nèi)只有一個(gè)模式起振，則可以實(shí)現(xiàn)單縱模工作。即選模條件為： 1. 選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)具光學(xué)長度，使標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍與激光器的增益線寬相當(dāng)。使在增益線寬內(nèi)，避免存在兩個(gè)

6、或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具的透過峰。 2. 選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)具界面反射率，使得被選縱模的相鄰縱模由于透過率低，損耗大而被抑制使m遠(yuǎn)大于縱，從而使得在整個(gè)譜線寬度內(nèi)只有一個(gè)m具有最大透過率。如果我們再適當(dāng)?shù)卣{(diào)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個(gè)縱模中的某個(gè)縱模q所對應(yīng)的頻率q ，這樣就使得只有縱模q對標(biāo)準(zhǔn)具有較高的透射率而形成振蕩。.(3) 三反射鏡法： 如圖所示，激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組合所代替，其中M3和M4為全反射鏡，M2是具有適當(dāng)透射率的部分透射部分反射鏡。這個(gè)組合相當(dāng)于兩個(gè)諧振腔的耦合圖4-3 三反射鏡法兩個(gè)諧振腔的縱模頻率間隔分別為：)(232LLc短)(221LLc長.

7、4.1.2 4.1.2 激光單橫模的選取激光單橫模的選取 橫模選擇的原則 激光振蕩的閾值條件為：Ga a為總損耗系數(shù)，它可表示為： a=i+m+d其中i為激光束通過增益介質(zhì)產(chǎn)生的損耗；m為激光束在諧振腔鏡面上由于透射、散射和吸收等因素而產(chǎn)生的損耗；d為激光在諧振腔中因衍射而產(chǎn)生的損耗。則有 Gi+m+d選橫模的實(shí)質(zhì)是使需要的橫模（一般為基模TEM00）滿足上式產(chǎn)生振蕩，而使不需要的橫模（一般為高階模）不滿足上式而被抑制，從而達(dá)到濾去高階模的目的。由于上式中的G、i、m對不同橫模來說是相同的，因而滿足振蕩閾值條件主要由衍射損耗d來決定。為了達(dá)到上述目的，應(yīng)當(dāng)盡量減小i和m，或相對增長d，使得腔的

8、總損耗a中衍射損耗d能起決定作用，因而有利于選模。 .橫模選擇常遵循的原則是：橫模選擇常遵循的原則是：必須盡量增大高階橫模與基模的衍射損耗比（差異），即盡量增大比值1000。使高階橫模相對基模而言更易于抑制而難于起振；必須盡量減小內(nèi)部損耗i及鏡面上的損耗m，而相對增大衍射損耗d在總損耗a中的比例。 .一一. . 衍射損耗和菲涅耳數(shù)衍射損耗和菲涅耳數(shù)(1) 由于衍射效應(yīng)形成的光能量損失稱為衍射損耗。 (2)如圖所示的球面共焦腔，鏡面上的基橫模高斯光束光強(qiáng)分布可以表示為 )2exp()(2120 II(3)單程衍射損耗單程衍射損耗為射到鏡面外而損耗掉的光功率 與射向鏡面的總光功率 之比：2122e

9、xpaD21020212002)2exp(2)(IdIdI)2exp(22)(212210aIdIa圖4-4 腔的衍射損耗.(4)分析衍射損耗時(shí)為了方便，經(jīng)常引入?yún)⒘俊胺颇鶢枖?shù)”，它定義為 ：LaN2單程衍射損耗表示為：單程衍射損耗表示為：2122expaDLaN2L1NDe2DN對于共焦腔的基橫模來說，衍射損耗只與菲涅耳數(shù)N有關(guān)，N越大則衍射損耗越小。菲涅耳數(shù)是表征諧振腔衍射損耗的一個(gè)特征參數(shù)。.二二. . 衍射損耗曲線衍射損耗曲線1. 衍射損耗與菲涅耳數(shù)N的關(guān)系一般是比較復(fù)雜的，往往寫不出解析的表達(dá)式而需要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字計(jì)算。因此，通常都是將計(jì)數(shù)結(jié)果畫成曲線，這就是所謂的衍射損耗曲線。

10、圖畫出了圓截面共焦腔和圓截面平行平面腔的 曲線，ND1N越大則 越小； 2在同樣的N下，橫模序數(shù)越高則 越大；3. 在同樣的N和同樣的橫模序數(shù)下，共焦腔的 比平行平面腔的 小得多，這是由于凹面鏡的會聚作用使光能更集中于中心處的緣故。DDDD.圖中畫出了對稱腔TEM00模的單程衍射損耗隨菲涅耳數(shù)的變化。在相同的N下，越接近于共焦腔(g0)衍射損耗越小。.基模體積問題基模體積問題某一模式的模體積用來描述該模式在腔內(nèi)所擴(kuò)展的空間范圍。模體積大，對該模式的振蕩起作用的激發(fā)態(tài)粒子數(shù)就多，因而，輸出功率大。反之，模體積小，輸出功率就小?；ｓw積是隨腔型和g、N參數(shù)變化而變化的。 g=1-L/R 腔的結(jié)構(gòu)參

11、數(shù)； N 菲涅爾數(shù).由諧振腔理論分析可知，當(dāng)考慮對稱腔情況時(shí)（R1R2），基模（TEM00）高斯光束的束腰W0可表示為： 具有如下性質(zhì)： 當(dāng)增大腔鏡曲率半徑R時(shí)，基模束腰W0亦隨之增大，從而基模體積亦隨之增大。所以平行平面腔有較大的基模體積。 當(dāng)R為一定值時(shí)，W0隨腔L變化存在一極大值，可得出極大值條件為LR（共焦腔）。 以上性質(zhì)在選模技術(shù)中具有實(shí)用意義。 此外，橫模選擇也是單頻激光器所要求的必要條件。只有在單橫模的基礎(chǔ)上選出單縱模才能獲得激光的單頻振蕩。 20L410)2(2LRL.（1）腔型及參數(shù)g、N的選擇諧振腔的橫模選擇是以腔內(nèi)不同橫模具有不同的衍射損耗為根據(jù)的。而不同的諧振腔類型及不

12、同的腔參數(shù)，其衍射損耗又各不相同。通常在設(shè)計(jì)諧振腔時(shí)，適當(dāng)選擇腔類型和腔參數(shù)g、N就可以獲得基模輸出。共焦腔（g=0）比值1000最大，這似乎有利于選模，然而共焦腔的基模損耗00以及TEM10模的損耗10都太小了。為了抑制高階模，就必須減小腔的非涅爾數(shù)N。N值減小，基模體積變小，使輸出功率下降。若采用平行平面腔，雖比值1000不大，但00及10都較大，容許選擇較大的N值，其TEM10模仍可處于不能振蕩的抑制狀態(tài)下，由于它們的基模體積較大，一旦實(shí)現(xiàn)單橫模振蕩，其輸出功率就可能很高。 三三. . 激光單橫模選擇方法激光單橫模選擇方法 （2）光闌法選模 目前光闌法選模最為普遍，也十分簡單，只需在諧振

13、腔中插入一個(gè)適當(dāng)大小的小孔光闌，便可抑制高階橫模而獲得基模輸出。此法具有以下幾種不同形式： .小孔光闌選模由于基模具有最小的光斑尺寸，而其它高階模的光斑尺寸則依次變大。所以對氣體激光器，可采用選擇放電管的毛細(xì)管直徑的大小，來限制激活介質(zhì)的橫截面積，達(dá)到選模的目的。但對大多數(shù)固體激光器而言，激活介質(zhì)的直徑不可能做得太細(xì)。故欲抑制高階橫模，可在諧振腔中放置一個(gè)適當(dāng)大小的小孔光闌，其孔徑大小恰好阻止其余高階橫模而讓TEM00模順利通過。插入小孔光闌相當(dāng)于減小腔鏡的橫截面積，即減小了諧振腔的菲涅爾數(shù)N，使00及10都有所增大，從而選出基模。 小孔光闌半徑應(yīng)與基模光束的光斑尺寸W(z)大致相等。即： r

14、0=W(z) 由此可見，光闌放在腔內(nèi)不同位置時(shí)，其光闌半徑的大小r0是不同的。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需在激光器內(nèi)插入一個(gè)光闌，逐步減小光闌的孔徑，就可以使光束的模式轉(zhuǎn)變到基模輸出。 .聚焦光闌法小孔光闌法具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于光闌較小，使基模體積變小，使輸出功率下降較大。所以此法僅適用于增益較低的氣體激光器。為了擴(kuò)大基模體積，通常在諧振腔中安置透鏡進(jìn)行選模，如圖所示。其原理是使腔內(nèi)平行光束聚焦，再在焦點(diǎn)處插入一個(gè)小孔光闌，使得只有沿軸向行進(jìn)的平行光束才能通過小孔往返振蕩，而其它方向上的光束被小孔光闌所阻截。這種選模方法，擴(kuò)大了激活介質(zhì)的基模體積，從而提高了激活晶體的利用率，增大了激光輸出功

15、率（或能量）。 此法雖擴(kuò)大了基模體積，但由于使用了二個(gè)透鏡，增加了腔內(nèi)損耗，而且調(diào)整困難。腔內(nèi)存在聚焦光束，使光闌處的光功率密度過高，易使光闌燒壞，因此光闌材料須選用高熔點(diǎn)金屬或藍(lán)寶石一類特殊材料。故不適用大功率、大能量激光器件。 圖4-6 聚焦光闌法.腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法 貓眼”諧振腔將聚焦光闌裝置再作改進(jìn)，即將平面鏡移到焦點(diǎn)處貼近光闌，在透鏡處放置另一個(gè)較大的光闌，此稱為“貓眼”腔。它具有高選模性、模體積大、腔長短、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。但腔鏡處于焦點(diǎn)位置，要求鏡面能耐受強(qiáng)光照射。 圖4-7 腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法.（3）其它選模方法。 棱鏡選模方法。選模原理是基于臨界角附近光束的反射率隨入射角的變化而迅速變化。

16、棱鏡可如此放置：使之對于軸向附近很窄的范圍（1）內(nèi)的光線有高的反射率，入射光束，以臨界角c入射到面上，再經(jīng)面全反射回來。凡偏離c的光束，其反射率不高。于是作為高階橫模（其發(fā)散角較大）被濾掉，從而選現(xiàn)基模。 飽和吸收染料選模。因TEM00模的功率密度高，在染料中很容易飽和而使染料變得透明。但高階橫模其功率密度低，不易“漂白”染料，兩者的損耗具有較大的差異，從而達(dá)到選基模的目的。 調(diào)節(jié)腔鏡選模。光學(xué)諧振腔的反射鏡主光軸與激活介質(zhì)的軸線重合時(shí)，不同橫模的衍射損耗都較小，當(dāng)鏡軸與腔軸偏離時(shí)，則不同橫模的衍射損耗都會相應(yīng)增加。因高階橫模損耗大，受到影響較大。而基橫模損耗小，受到影響小，容易獲得基模輸出，

17、但輸出功率會因此而下降。 .四四. .高階橫模的抑制高階橫模的抑制一般說來，抑制高階橫模需要兩方面的條件：一方面是要求基橫模光束的衍射損耗小，使得基橫模不僅滿足振蕩的閾值條件，而且有較大的功率輸出；另一方面是要求高階橫模的衍射損耗足夠大。兩種常用的抑制高階橫模的方法如下。1調(diào)節(jié)反射鏡2腔內(nèi)加光闌：高階橫模的光束截面比基橫模大，故減小增益介質(zhì)的有效孔徑a，從而減小菲涅耳數(shù)N，就可以大大增加高階橫模的衍射損耗，以致將它們完全抑制掉。最簡單的辦法就是在腔內(nèi)靠近反射鏡的地方放置一個(gè)光闌（用于增益較低的氣體激光器），如圖所示。.4.2 激光器的穩(wěn)頻.穩(wěn)定度穩(wěn)定度是指激光器在一次連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的頻率漂移與

18、振蕩頻率之比：S復(fù)現(xiàn)性復(fù)現(xiàn)性是激光器在不同地點(diǎn)、時(shí)間、環(huán)境下使用時(shí)頻率的相對變化量： R.4.2.1 4.2.1 影響頻率穩(wěn)定的因素影響頻率穩(wěn)定的因素1. 腔長變化的影響腔長變化的影響對共焦腔的TEM00模來說，諧振頻率的公式可以簡化為：Lcq2當(dāng)L的變化為L，的變化為時(shí)，引起的頻率相對變化為：)(LL(1) 溫度變化：一般選用熱膨脹系數(shù)小的材料做為諧振腔的的支架(2) 機(jī)械振動(dòng)：采取減震措施2. 折射率變化的影響折射率變化的影響(1)內(nèi)腔激光器: 溫度T、氣壓P、濕度h的變化很小，可以忽略(2)外腔和半內(nèi)腔激光器: 腔的一部分處于大氣之中，溫度T、氣壓P、濕度h的變化較放電管內(nèi)顯著。應(yīng)盡量減

19、小暴露于大氣的部分，同時(shí)還要屏蔽通風(fēng)以減小T 、 P、 h的脈動(dòng)。.4.2.2 4.2.2 穩(wěn)頻方法概述穩(wěn)頻方法概述1. 被動(dòng)式穩(wěn)頻被動(dòng)式穩(wěn)頻利用熱膨脹系數(shù)低的材料制做諧振腔的間隔器；或用膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長度配合把單頻激光器的頻率與某個(gè)穩(wěn)定的參考頻率相比較，當(dāng)振蕩頻率偏離參考頻率時(shí)，鑒別器就產(chǎn)生一個(gè)正比于偏離量的誤差信號。2.主動(dòng)式穩(wěn)頻主動(dòng)式穩(wěn)頻(1) 把激光器中原子躍遷的中心頻率做為參考頻率，把激光頻率鎖定到躍遷的中心頻率上，如蘭姆凹陷法。(2) 把振蕩頻率鎖定在外界的參考頻率上，例如用分子或原子的吸收線作為參考頻率，選取的吸收物質(zhì)的吸收頻率必須與激光頻率相重

20、合。如飽和吸收法。.4.2.3 4.2.3 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻蘭姆凹陷法穩(wěn)頻1. 蘭姆凹陷的中心頻率即為譜線的中心頻率 ，在其附近頻率的微小變化將會引起輸出功率的顯著變化。這種穩(wěn)頻激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖4-8所示 圖4-8 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻激光器的基本結(jié)構(gòu)2.腔長自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的方框圖如圖4-9所示 圖4-9 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻方框圖壓電陶瓷加一直流電壓：使初始頻率為壓電陶瓷上還需加一頻率為f(約為lkHz)、幅度很小(只有零點(diǎn)幾伏)的交流訊號，此訊號稱為“搜索訊號”00當(dāng)壓電陶瓷外表面加正電壓、內(nèi)表面加負(fù)電壓時(shí)壓電陶瓷伸長,反之則縮短,因而可利用壓電陶瓷的伸縮來控制腔長。 .圖4-10 穩(wěn)頻原理4.2.3

21、 4.2.3 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻蘭姆凹陷法穩(wěn)頻3.圖4-10為穩(wěn)頻原理示意圖。 假如由于某種原因(例如溫度升高)使L伸長，引起激光頻率由 偏至 ， 與 的位相正好相反 0AP假如由于某種原因(例如溫度降低)使L縮短，引起激光頻率由 偏至 ， 與 的位相正好相同 0BP在中心頻率附近0 ，不論是小于0還是大于0 ，其結(jié)果都是使輸出功率P增加，而且此時(shí)P將以頻率2f變化圖(4-11) 不同同位素對蘭姆凹陷的影響4. 注意事項(xiàng)第一、激光器的激勵(lì)電源是穩(wěn)壓和穩(wěn)流的。第二、氖的不同同位素的原子譜線中心有一定頻差。第三、頻率的穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率大小有關(guān)。.4.2.4 4.2.4 飽和吸收法穩(wěn)頻飽和

22、吸收法穩(wěn)頻1.飽和吸收法穩(wěn)頻的示意裝置如圖4-12所示。 2.與激光輸出功率曲線的蘭姆凹陷相似，在吸收介質(zhì)的吸收曲線上也有一個(gè)吸收凹陷，如圖4-13所示 圖4-12 飽和吸收法穩(wěn)頻的裝置示意圖圖4-13 吸收介質(zhì)的吸收曲線3.由于吸收管內(nèi)的壓強(qiáng)很低，碰撞增寬很小，所以吸收線中心形成的凹陷比激光管中蘭姆凹陷的寬度要窄得多。.4.2.4 4.2.4 飽和吸收法穩(wěn)頻飽和吸收法穩(wěn)頻4.激光通過激光管和吸收管時(shí)所得到的單程凈增益應(yīng)該是激光管中的單程增益 和吸收管中的單程吸收 的差，即 )(G)(A)()()(AGG凈如圖4-14(a)，只有頻率調(diào)到 附近激光才能振蕩。 0如圖4-14(b)，頻率在整個(gè)線

23、寬范圍內(nèi)調(diào)諧均能振蕩。 圖(4-14) 反轉(zhuǎn)蘭姆凹陷.4.3 激光束的變換.4.3.1 4.3.1 高斯光束通過薄透鏡時(shí)的變換高斯光束通過薄透鏡時(shí)的變換1. 透鏡的成像公式： ，注意參數(shù)的正負(fù)。fss1112. 從光波的角度看，薄透鏡的作用是改變光波波陣面的曲率半徑。 規(guī)定發(fā)散球面波的曲率半徑為正，會聚球面波的曲率規(guī)定發(fā)散球面波的曲率半徑為正，會聚球面波的曲率半徑為負(fù)半徑為負(fù)，則如圖所示，成像公式可改寫為：fRR111圖4-15 球面波通過薄透鏡的變換.實(shí)際問題中，通常 和 是已知的，此時(shí) ，則入射光束在鏡面處的波陣面半徑和有效截面半徑分別為：0ssz 0)(1 220ssR2200)(1s3

24、. 將透鏡的變換應(yīng)用到高斯光束上。入射為高斯光束，出射入射為高斯光束，出射仍為高斯光束仍為高斯光束。如圖所示，有以下關(guān)系：fRR111圖4-16 高斯光束通過薄透鏡的變換.4. 由 和式可求得出射光束在鏡面處的波陣面半徑 和有效截面半徑 。R),(),( )(1)(1 111002200220fsgfshRsssRfRR圖4-16 高斯光束通過薄透鏡的變換.22220222200220)(1)(1 )(1)(1 RRRssssR這樣我們可以通過入射光束的 、 來確定出射光束的 、 了。0s0s另一方面：另一方面：.(1) 短焦距：即fR 4.3.2 4.3.2 高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦1.

25、高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的聚焦情形高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的聚焦情形(2) 短焦距時(shí)出射高斯光束束腰位置：fffs)(1 22211)1 (xxx圖4-17 短焦距透鏡的聚焦1 )(1 )(11212222fffRRsfRffR出射光束束腰在透鏡后焦點(diǎn)處出射光束束腰在透鏡后焦點(diǎn)處.(4) 聚焦點(diǎn)的光斑尺寸：f0(3) 在滿足條件 和 的情況下，出射的光束聚焦于透鏡的焦點(diǎn)附近。如圖所示，這與幾何光學(xué)中的平行光通過透鏡聚焦在焦點(diǎn)上的情況類似。fR 12f圖4-17 短焦距透鏡的聚焦12ffRfR22220)(1f122222222)(1 )()(1)(ffff.（5）縮小聚焦點(diǎn)光斑尺寸的方法：

26、f0f第一種方法就是要采用焦距小的透鏡 第二種方法又有兩種途徑：一種是通過加大s來加大 ；另一種辦法就是加大入射光的發(fā)散角從而加大 ，加大入射光的發(fā)散角又可以有兩種做法 ，如圖4-18和圖4-19圖4-18 用凹透鏡增大后獲得微小的0圖4-19 用兩個(gè)凸透鏡聚焦022縮短縮短 或加大或加大 .(6)聚焦光斑物象關(guān)系 結(jié)論：結(jié)論：不論是聚焦點(diǎn)的位置，還是求會聚光斑的大小，都可以在一定的條件下把高斯光束按照幾何光學(xué)的規(guī)律來處理22000)(1sffssf00sssf 00這與幾何光學(xué)中物、這與幾何光學(xué)中物、象尺寸的比例關(guān)系象尺寸的比例關(guān)系是一致的是一致的1)( )(122022000ssf.4.3

27、.2 4.3.2 高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦2.入射高斯光束的腰位于透鏡前焦面時(shí)的聚焦情形入射高斯光束的腰位于透鏡前焦面時(shí)的聚焦情形fssRRsffRfRRffRssRfs220022220220220)(1)(1)(1 111)(1 )(1 (1)束腰位置：這個(gè)特性與幾何光學(xué)這個(gè)特性與幾何光學(xué)的規(guī)律不相同！的規(guī)律不相同！.(2)出射光束束腰大?。?02222022022002200)(1)(1 )(1)(1fRffRfsfs(3) 只要 和 相差不大，高斯光束的聚焦特性與幾何光學(xué)的規(guī)律迥然不同。sf00.4.3.3 4.3.3 高斯光束的準(zhǔn)直高斯光束的準(zhǔn)直1.高斯光束的準(zhǔn)直：改善光束的方向

28、性，壓縮光束的發(fā)散角2.增大出射光束的腰粗就可以縮小光束的發(fā)散角。02200fsf00因?yàn)椋簣D4-17 短焦距透鏡的聚焦.3.選用兩個(gè)透鏡，短焦距的凸透鏡和焦距較長的凸透鏡可以達(dá)到準(zhǔn)直的目的。圖(4-20) 倒裝望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散角 02010ff120ff 22 222210Mff0012MffMM是高斯光束通過透鏡系統(tǒng)后光束發(fā)散角的壓縮比。M是倒置望遠(yuǎn)鏡對普通光線的傾角壓縮倍數(shù)。由于f2f1，所以M1。 又由于 0，因此有M M 1M.4.4 激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制技術(shù).4.4.1 4.4.1 激光調(diào)制的基本概念激光調(diào)制的基本概念1. 激光調(diào)制就是把激光作為載波攜帶低頻信號。2.激光調(diào)制

29、可分為內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制兩類。這里講的主要是外調(diào)制。 00( )(1cos)cos()mE tEMtt2200( )(1cos)cos ()2ImEI tMtt00( )cos(sin)FFmE tEtMt激光的瞬時(shí)光場的表達(dá)式 00( )cos()E tEt瞬時(shí)光的強(qiáng)度為 22200( )( )cos ()I tE tEt若調(diào)制信號是正弦信號 ( )cosmma tAt則：激光幅度調(diào)制激光幅度調(diào)制的表達(dá)式為 激光強(qiáng)度調(diào)制激光強(qiáng)度調(diào)制的表達(dá)式為 激光頻率調(diào)制激光頻率調(diào)制的表達(dá)式為 激光相位調(diào)制激光相位調(diào)制的表達(dá)式為 00( )cos(sin)PPmE tEtMt3.激光調(diào)制方式.4.4.2 4.4

30、.2 電光強(qiáng)度調(diào)制電光強(qiáng)度調(diào)制1.圖(421)(a)是一個(gè)典型的電光強(qiáng)度調(diào)制的裝置示意圖。它由兩塊交叉偏振片及其間放置的一塊單軸電光晶體組成。偏振片的通振動(dòng)方向分別與x、y軸平行。 圖(4-21) 電光調(diào)制裝置示意圖2.設(shè)某時(shí)刻加在電光晶體上的電壓為V，入射到晶體的在x方向上的線偏振激光電矢量振幅為E，則： 通過晶體后沿快軸 和慢軸 的電矢量振幅都變?yōu)?x y2E沿 和 方向振動(dòng)的二線偏振光之間的位相差 x yV63302通過通振動(dòng)方向與 y 軸平行的偏振片檢偏后產(chǎn)生的光振幅見圖421(b)分別為 ， ，則有 ，其相互之間的位相差為 。則有： yxEyyE2EEEyyyx)cos1 (21)c

31、os(22222EEEEEEyyyxyyyxVIEEI633020222sin2sin.4.4.2 4.4.2 電光強(qiáng)度調(diào)制電光強(qiáng)度調(diào)制3.圖(422)畫出了 曲線的一部分以及光強(qiáng)調(diào)制的情形。為使工作點(diǎn)選在曲線中點(diǎn)處，通常在調(diào)制晶體上外加直流偏壓 來完成。 VII0圖(4-22) I/I0-V曲線2V4.如外加信號電壓為正弦電壓(電壓幅值較小)， ，則輸出光強(qiáng)近似為正弦形。 tVVsin0)sinsin(1 21sin24sin2sin0002020tVVItVVIIItVVIIsin22100.4.4.3 4.4.3 電光相位調(diào)制電光相位調(diào)制1.圖(423)相位調(diào)制裝置示意圖。加電場后，振動(dòng)方向與晶體的y軸相平行的光通過長度為 的晶體，其位相增加為 圖(4-23) 相位調(diào)制裝置示意圖l3006322znnEl 2.晶體上所加的是正弦調(diào)制電場 ，光在晶體的輸入面(z=0)處的場矢量大小是 sinzmmEEtcosUA