第一激光原理與技術(上)

第一章激光原理與技術

§1.1輻射理論概論一、光量子學說及波粒二象性

量子說波動說電磁說微粒說波動光學幾何光學電磁理論量子理論1900年普朗克（MaxPlank）提出輻射能量量子的概念他在對黑體輻射實驗進行理論解釋的時候發(fā)現，必須大膽的假設：黑體輻射的能量是不連續(xù)的，存在一個最小的能量單元，這就是量子?？涨惠椛潴w光電效應與光量子學說1905年愛因斯坦（AlbertEinstein）在解釋光電效應實驗的時候進一步提出：光也是由最小能量單元-光子組成光動力火箭1、光能否作為火箭動力?思考題2、光在傳播過程中是否受重力影響?

3、光照射到物體上,是否有壓力？太陽帆的原理是什么？太陽能二、原子能級、簡并度及波爾茲曼分布玻爾理論:1.原子能級（1）原子內的電子非沿著任意軌道，而是沿著具有一定半徑或能級的軌道運動。定態(tài)、基態(tài)、激發(fā)態(tài)（2）原子內的電子可由某一定狀態(tài)躍遷到另一定態(tài)，這一過程要吸收和輻射輻射能。（3）對于原子內的電子可能存在的狀態(tài)有一定限制，即電子的軌道運動的角動量必須滿足玻爾的量化條件躍遷：躍遷：原子從某一能級吸收或釋放能量，變成另一能級。吸收躍遷：低吸收能量高輻射躍遷：高輻射能量低（自發(fā)輻射）2.簡并度、簡并能級電子運行的狀態(tài)不同，其能量相同能量相同的能級對應不同的電子運動狀態(tài)同一能級對應的不同的電子運動狀態(tài)的數目電子可以有兩個或兩個以上的不同運動狀態(tài)具有相同的能級，這樣的能級叫簡并能級簡并度簡并能級3.玻爾茲曼分布分別處在Em和En能級的粒子數目：由大量粒子所組成的系統(tǒng)在熱平衡狀態(tài)下粒子按能級的分布規(guī)律由高能級的粒子數目少于低能級的粒子數目結論1917年，愛因斯坦提出受激輻射新概念

——奠定了激光發(fā)明的理論基礎

愛因斯坦發(fā)現，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，黑體和輻射場之間不可能達到熱平衡，要達到熱平衡，還必須存在受激輻射。預示了利用受激輻射來放大（振蕩）光的可能性！但當時的技術和生產水平根本沒有這種需要（無線電技術剛剛開始，光學技術處于初級階段）激光不可能超越時代在當時被發(fā)明。三、光與物質的相互作用自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射1.自發(fā)輻射發(fā)光前發(fā)光后普通光源（日光燈、高壓水銀燈）的發(fā)光過程為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨立，頻率、振動方向、相位不一定相同——為非相干光。2.受激吸收吸收前吸收后發(fā)光前發(fā)光后3.受激輻射當外來光子的頻率滿足時，使原子中處于高能級的電子在外來光子的激發(fā)下向低能級躍遷而發(fā)光。當光與原子相互作用時，總是同時存在這三種過程受激輻射：受激輻射產生的光子與引起受激輻射的外來光子具有相同的特征（頻率、相位、振動方向及傳播方向均相同）。受激輻射光子與入射光子屬同一光子態(tài)。相干光

當光與原子相互作用時，總是同時存在這三種過程光場能量粒子能量自發(fā)輻射受激輻射受激吸收可能達到平衡也可能達不到平衡Laser“受激輻射光放大”LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation§1.2

激光產生的原理及條件粒子數分布反轉是介質對光放大作用的條件及產生激光的前提受激吸收受激輻射一、粒子數反轉分布及泵浦過程1.粒子數反轉分布要使介質對光產生放大作用，必須使受激輻射超過受激吸收;二者幾率分別與上能級粒子數密度和下能級粒子數密度成正比。2.泵浦(抽運)受激輻射泵浦自發(fā)輻射或其他釋放能量方式定義：使兩個能級實現粒子數反轉的過程光泵浦電泵浦化學泵浦熱泵浦泵浦分類：二、光的受激放大(1)物理、化學作用(2)反射、散射(3)受激吸收(4)自發(fā)輻射

損耗應當減弱,利于放大泵浦容易實現粒子數反轉雜散光，影響單色性、相干性1.增益介質光波與物質的相互作用：易于通過泵浦實現粒子數反轉分布，光在此介質中受激輻射大于受激吸收、自發(fā)輻射、各種損耗，對光有放大作用增益介質2.受激放大增益介質對光的放大作用不考慮損耗的情況下,G越大,Z越大,對光的放大作用越好,但是G,Z有限,也可能形成不了激光三、諧振腔的共振作用與激光的形成1.光往返,增加z的大小,利于光放大；2.腔體對光的頻率、相位、傳播方向和偏振方向有選擇作用。作用四、激光產生的基本條件及閾值條件閥值條件:

光在諧振腔來回往返一次所獲得光增益必須大于或者等于所遭受的各種損耗之和.三要素:1.泵浦

2.增益介質

3.諧振腔1928年，登伯格和科夫曼首次從實驗上證實了受激輻射的存在。1946年，美國物理學家布洛赫首次觀測到粒子數反轉的實驗現象。1947年美國物理學家蘭姆等人指出在粒子數反轉的境況下會出現負吸收。1949年，法國物理學家卡斯特勒提出了光泵方法激光發(fā)明簡史1951年,NewIdea幾乎同時、獨立在兩組科學家的頭腦中產生USA:Townes湯斯，Gorden.USSR:巴索夫和普羅霍羅夫利用原子（分子）與電磁場相互作用的受激輻射來放大和產生電磁輻射——量子電子學擯棄了電子學傳統(tǒng)概念：自由電子與電磁場相互作用是放大和振蕩電磁場的唯一方法1954年，上述兩個研究組分別建立了世界第一臺Maser：NH3分子微波量子振蕩器（波長1.25cm）。微波振蕩器具有極高的（頻率）波長穩(wěn)定度——Cs原子鐘量子電子學誕生！Maser——Micro-wave

Amplification

byStimulatedEmissionofRadiation微波激射放大器自此以后，在激光領域內一大批勇于創(chuàng)新，勇于實踐的人不失時機地發(fā)明創(chuàng)造，推動激光技術的發(fā)展。1958年，美國布隆伯根（Bloembergen）提出“三能級光泵方法”，成為獲得粒子數反轉的經典方法。Bloembergen借用他人的思想用到量子電子學領域。根據上述原理制成“紅寶石微波量子放大器”RubyMaser激光的誕生RubyMaser之后，開始了向Laser的總進攻。關鍵問題：（1）光諧振腔？封閉微波腔幾何尺寸~λ（2）合適的材料湯斯、普羅霍羅夫分別獨立提出開放式光諧振腔概念Fabry-perot標準具拋棄了微波技術的傳統(tǒng)概念借助了光學已有的概念和技術發(fā)明光腔1958年12月，Townes和Schawlow發(fā)表文章，提出了實現Laser的可能性。幾十個小組都在爭做世界第一臺Laser。肖洛->紅寶石

湯斯->鉀蒸氣

巴索夫->半導體材料貝爾實驗室的賈萬（Javan）提出放電法連續(xù)運轉的氦氖激光器方案

最終花落誰家？難點在于探索合適材料，實現粒子數反轉。除了光泵法以外1960年，梅曼（Maiman）做出世界第一臺紅寶石激光器.1955年，Stanford.Ph.D后在Hughes.R.Lab研究紅寶石的熒光特性1959年看到S-T文章兩周后，USSR重復實現RubyLaser1961，He-NeLaser1962,GaAs

Semiconductor

Laser機遇偏愛有準備的頭腦和敢于實踐的人!二十世紀四大發(fā)明原子能半導體計算機激光器

五、結構形式通用結構激光增益介質諧振腔泵浦源全反鏡部分反部分透射鏡He-Ne激光器的三種結構：1.內腔式主要結構：激光管+電源+光學元件放電管電極光學諧振腔特點：諧振腔的兩個反射鏡固定在放電管外殼的兩個端面上優(yōu)點：結構簡單，使用時不需調整諧振腔，比較方便；放電管和反射鏡之間無光學元件，損耗小，輸出功率高缺點：熱穩(wěn)定性差，放電管熱變形引起兩端反射鏡的位置關系發(fā)生變化，導致輸出激光頻率穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性較差2、外腔式特點：諧振腔與放電管完全分開；諧振腔反射鏡上裝有調整裝置可以隨時進行調整，以保證反射鏡的光軸與放電管軸線重合；放電管兩端按一定角度貼有布儒斯特窗片，既可以封閉放電管，又可以減少光的損失，還可使激光器輸出偏振度較好的線偏光。優(yōu)點：諧振腔可以調整，能夠長期保持激光器的穩(wěn)定輸出；可以在諧振腔內插入光學元件，便于進行激光器性能研究。缺點：諧振腔兩反射鏡易失調，并且調整也比較困難，使用不方便；窗片與軸線夾角不準確，窗片光學質量不完善，引起反射、散射、吸收等光學損耗，降低了輸出功率。3.半內腔式特點：諧振腔的一塊反射鏡與放電管固定在一起，而另一塊與放電管分開優(yōu)點：僅需調整外面的一塊反射鏡，比較容易調整，工作方便；能夠同外腔式激光器一樣進行各種實驗；同時，有一布儒斯特窗片可輸出偏振光。按工作波段分類遠紅外、紅外激光器可見光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按運轉方式分類連續(xù)激光器脈沖激光器超短脈沖激光器六、激光器的分類及特點按工作物質分類固體激光器氣體激光器工作物質：主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是紅寶石(摻鉻)Al2O3、釹玻璃(摻釹)、釔鋁石榴石(摻釹)YAG。激勵方式：光激勵(簡稱光泵)特點：結構緊湊，輸出功率大可達1000W以上,YAG最好，可連續(xù)運行多模輸出應用：常用于機械加工、醫(yī)療、軍事領域。工作物質:

原子（He-Ne）、分子（CO2）、離子（Ar+）特點:

種類多，波長分布區(qū)域寬，應用廣，頻率穩(wěn)定性好，是很好的相干光源，可實現最大功率連續(xù)輸出，結構簡單，造價低，轉換效率高激勵方式：電激勵(簡稱電泵)應用：CO2－常用于機械加工；

He-Ne－精密測試計量；

Ar+－化學分析，全息攝影，激光照排，水下通訊。液體激光器半導體激光器特點:

超小型，質量輕，成本低，可批量生產，能量轉換效率高(＞30％)，波長范圍廣(0.5—30μm)，壽命長(＞百萬小時)，發(fā)散角大，單色性差，

易于調制，改變驅動電流可將輸出光調制到GHz。應用:

通信光源、測距、激光光盤、唱片、印刷術、辦公自動化、泵浦源工作物質：GaAS(砷化鎵)，InAS（砷化銦），Insb（銻化銦）、CdS（硫化鎘）工作物質：有機染料特點：輸出的激光波長在很大范圍內連續(xù)可調(0.34-1.2μm)應用:

在光化學、光生物學、激光醫(yī)學等方面化學激光器其它激光器特點:可將化學能直接轉換為激光能，不需外加激光源，輸出的波長豐富，從紫外到紅外，高功率、高能量輸出，最有希望獲得最大功率工作物質：HF，碘原子應用:適合于無電源的野外作業(yè)X射線、薄膜、光纖、自由電子激光器等一、激光的方向性光源發(fā)光面發(fā)出的所有光線中兩光線之間的最大夾角§1.3

激光的基本物理性質通常用發(fā)散角來描述定義常見光源發(fā)散角:日光燈:π氣體激光:10-3~10-6固體激光:10-2半導體激光:5~10×10-2例2：東芝公司生產的半導體激光器TOLD9211，輸出功率5mW，波長670nm，輸出光束在水平方向和垂直方向上的發(fā)散角分別為8o和33o。氣體激光器的增益介質有良好的均勻性，且腔長大，方向性最好！例1：對于直徑3mm腔鏡的632.8nmHe-Ne激光器輸出光束，近衍射極限光束發(fā)散角為結論不同類型激光器的方向性差別很大，與增益介質的方向性及均勻性、諧振腔的類型及腔長和激光器的工作狀態(tài)有關氣體激光器發(fā)散角接近衍射極限，是普通光源中方向性很好的弧光的10-5~10-7，是當前最好探照系統(tǒng)的1/1000。激光器方向性對其聚焦性能有重要影響當一束發(fā)散角為2θ的單色光被焦距為f的透鏡聚焦時，焦平面上光斑直徑為發(fā)散角也可用空間立體角來表示激光的方向性二、激光的高亮度亮度定義:

單位面積的光源在單位時間內向著其法線方向上的單位立體角范圍內輻射的能量單位:W/cm2.Sr太陽光的亮度約為1.03W/cm2·Sr普通的1mW氦氖激光105W/cm2·Sr大功率脈沖激光1014-1017W/cm2·Sr飛秒激光可達1020W/cm2·Sr激光是最亮的光請勿對準眼睛超快超強激光可形成的物理條件激光可形成自然界存在聚焦強度1020W/cm2光壓1012bar加速度1021g磁場109Gauss3.5×1016W/cm21barg0.5Gauss源于激光能量在空間和時間上的高度集中三、單色性激光的頻率受以下條件影響：能級分裂腔長變化←泵浦、溫度、振動單色性是指光強按頻率(波長)的分布狀況激光單色性的好壞可以用頻譜分布的寬度

(線寬)描述光譜線表現出一定的能級寬度譜寬極限普通光源中，86Kr放電燈在低溫下發(fā)出波長λ為650.7nm的光，譜線寬度和波長比值7.76×10-7。一般單模穩(wěn)頻He-Ne激光器（λ=632.8nm），譜線寬度與波長的比值可達10-11。甲烷吸收穩(wěn)頻He-Ne激光器（λ=3.39μm），譜線寬度與波長的比值可達10-13。四、相干性1.時間相干性(同地異時)定義：在同一空間點上，由同一光源分割出來的兩光波之間的位相差與時間無關的性質，即光波的時間延續(xù)性。也可理解為：同一光源的光經過不同的路徑到達同一位置，尚能發(fā)生干涉，其經過的時間差τc稱為相干時間

兩列光波間允許的最大光程差稱為相干長度例:He-Nelaser的線寬和波長比值為10-7，求Michelson干涉儀的最大測量長度是多少？最大測量長度為解：Lmax=Lc/2=3.164m86Kr放電燈的相干長度？2.空間相干性（同時異地）定義：

楊氏雙縫干涉以楊氏實驗為例同一時間，由空間不同的點發(fā)出的光波的相干性狹縫間距一定產生干涉條件光源臨界寬度光源寬度一定一般尺寸為100μm的矩形汞弧燈光源，當針孔屏距0.5m，橫向相干長度為0.25mm，激光器的橫向相干長度可達100mm以上狹縫最大允許距離即橫向相干長度可表示為五、激光的橫模和縱模1.激光的縱模光波在諧振腔中應滿足駐波條件

相鄰兩個縱模頻率的間隔為可以存在的縱模頻率為諧振腔的腔長、增益介質的增益曲線一定，因此只有落在增益范圍內，且增益大于損耗的諧振頻率才能形成激光。每一個諧振頻率的振蕩,稱為一個模式沿軸向傳播的振動模式,稱為軸向模式,簡稱縱模諧振腔的作用：（1）提供正反饋；（2）選擇激光的方向性；（3）提高激光的單色性。例設He-Ne激光器腔長L分別為0.30m、1.0m,氣體折射率n1,試求縱模頻率間隔各為多少?思考題：如何形成單模？2.激光的橫模光場在橫向不同的穩(wěn)定分布激光模式一般用TEMmnq表示定義對稱mnq軸向X向暗條紋數Y向暗條紋數縱模數旋轉圓周向暗條紋數徑向暗條紋數縱模數橫截面為圓型的激活介質橫?？赡艹霈F軸對稱激活介質的不均勻性，或諧振腔內插入元件（如布儒斯特窗）破壞了腔的旋轉對稱性。激光橫模形成的主要因素是諧振腔兩端反射鏡的衍射作用,光束不再是平行光，光強也改變?yōu)榉蔷鶆虻摹?/p>

原因：沿z軸方向傳播的高斯光束的電矢量表達式為§1.4

高斯光束一、高斯光束表達式二、高斯光束的特性1.z=0的情況特點:等相位,平面波光強分布為高斯分布束腰：振幅下降為中心的1/e時對應的光束截面半徑，又稱光束的截面半徑或者光斑半徑非特指束腰為高斯光束的最小束腰2.z=z0>0的情況為發(fā)散球面波,曲率半徑隨z變化

a.相位部分b.振幅部分z=0時,2θ=0,平面波zω0z1z2θc.發(fā)散角z→∞,

的區(qū)域,稱為準直區(qū)z從0到3.z<0R(z)=-R(z)為匯聚球面波其他同z>0情況三、高斯光束的變換1.高斯光束的復曲率半徑——高斯光束q參數在自由空間中的傳播規(guī)律

2.高斯光束通過薄透鏡的變換3.高斯光束通復雜透鏡的變換為簡單光學元件的光線變換矩陣四、高斯光束的聚焦oABC在z=0處，在A處(緊挨透鏡L的左方)，在B處(緊挨透鏡L的右方)，在C處聚焦條件：短焦距透鏡，束腰遠離透鏡1.聚焦點位置2.聚焦點尺寸f五、高斯光束的準直對于單透鏡系統(tǒng)l=f時，達到最大值可利用倒置望遠鏡可實現激光光束的準直壓縮比例：VCD頭,He-Ne激光,ω0=1mm,距離透鏡500mm,要求聚焦后直徑為10μm,求透鏡焦距——計算合理準直區(qū)間在精密計量中，通常以波長為基準，測量精度很大程度上決定于波長的精確程度?！?.5

激光的穩(wěn)頻技術頻率穩(wěn)定度穩(wěn)頻的必要性：頻率再現性要求——同一激光器在不同時間、不同地點、不同條件下頻率的重復性激光器輸出單頻的同時，頻率變動盡可能小表示頻率變動的兩個物理量頻率漂移遠大于線寬極限!!!一、頻率變化原因溫度：任何材料的物體的線性尺寸都會隨溫度而變化振動：振動會引起反射鏡位置變化、激光管變形，使腔長發(fā)生變化同時，溫度變化會引起介質折射率的變化激光頻率頻率變化引起變化的原因腔長及折射率的變化溫度變化源于環(huán)境溫度的起伏和激光管的發(fā)熱大氣的影響：外腔式氦氖激光管，諧振腔的一部分暴露在大氣之中，大氣的氣壓和溫度的改變影響折射率，使諧振頻率發(fā)生變化。例：一個管壁材料為硬玻璃的內腔式氦氖激光器，當溫度漂移±1?C時，由于腔長變化引起頻率變化為不加任何穩(wěn)頻措施，單縱模氦氖激光器的頻率穩(wěn)定性為腔長變化引起頻率漂移已超出增益曲線范圍因而在精密干涉計量、光頻標、光通信、激光陀螺及精密光譜研究等應用領域中，必須采用穩(wěn)頻技術以改善激光器的頻率穩(wěn)定性。二、穩(wěn)頻方法（一）被動穩(wěn)頻1)控制溫度：如2)腔體材料互補：采用正負線膨脹系數的材料組合，達到腔長穩(wěn)定的效果，一般3)防震、密封（二）主動穩(wěn)頻措施基本原理采用電子伺服控制激光頻率，當激光頻率偏離標準頻率時，鑒頻器給出誤差信號控制腔長，使激光頻率自動回到標準頻率上。利用激光器的輸出功率P和頻率v的關系曲線上的凹陷反應，在凹陷處輸出功率隨頻率變化比較敏感，使激光器的頻率起伏值Δv轉換成輸出功率的起伏值ΔP，從而獲得誤差信號,用此誤差信號反饋控制諧振腔的長度，使激光器輸出頻率趨近中心頻率v01.蘭姆(Lamb)下陷法Lamb下陷：由于增益介質的增益飽和，在激光器的輸出功率P和頻率v的關系曲線上，在中心頻率v0處輸出功率出現凹陷的現象穩(wěn)頻原理：穩(wěn)頻裝置示意圖A處，與激勵信號,同頻反相B處，同頻同相V0處，2倍頻穩(wěn)頻原理圖輸出功率變化的規(guī)律不僅反映了激光器工作頻率偏離中心頻率的大小，而且反映了激光器工作頻率偏離標準頻率的方向，可作為差值信號。缺點：中心頻率易受放電條件、壓力位移等因素的影響，而且線寬較寬，限制了頻率穩(wěn)定度的提高。蘭姆下陷穩(wěn)頻以激光工作物質原子譜線本身的中心頻率為標準頻率，對中心頻率的改變,無控制作用。特點：對凹陷深度的要求為了改善頻率穩(wěn)定性，希望微弱的頻率漂移量就能產生足以將頻率拉回中心頻率的誤差信號，這就要求蘭姆凹陷窄而深。如要使頻率穩(wěn)定性優(yōu)于4×10-9，蘭姆凹陷深度應達1/8。使激光器工作于最佳電流并降低損耗可增加凹陷深度。降低氣壓可使得凹陷變窄，但氣壓過低會使激光器功率降低，甚至使激光不能出光。采用蘭姆下陷法，632.8nmHe-Ne激光的頻率穩(wěn)定度可達10-9,再現度只有10-7。激光器輸出激光的光強和頻率均有微小的音頻調制。2.飽和吸收法原理:利用外界頻率標準進行高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻方法方法:在一外腔管中放入激光管的同時再裝一吸收管裝置示意圖吸收管氣壓很低，通常只有1~10Pa。增益、吸收曲線反蘭姆凹陷的寬度比蘭姆凹陷的寬度更窄，峰的位置更穩(wěn)定，下陷的斜率也更大。吸收介質對不同頻率的光吸收是非線性的，對于吸收曲線中心頻率的光，吸收易飽和，而對于吸收曲線非中心頻率的光，吸收不飽和。對于吸收介質吸收曲線的中心頻率，腔的損耗最小，輸出功率最高，出現反蘭姆下陷。優(yōu)點:3.塞曼(Zeeman)效應法塞曼效應:原子能級在磁場作用下發(fā)生分裂的現象特點：雙頻激光器:由塞曼效應制成的激光器。國際上明確規(guī)定甲烷和碘吸收穩(wěn)頻的氦氖激光波長可作為長度副基準和復現米定義。由塞曼效應而分裂的兩條譜線，不僅在頻率上有差別，而且偏振態(tài)也不同。穩(wěn)頻方法:縱向塞曼穩(wěn)頻、橫向塞曼穩(wěn)頻、塞曼吸收穩(wěn)頻縱向塞曼效應激光器產生頻率較低的右旋圓偏光和頻率較高的左旋圓偏光頻差頻差和諧振腔的損耗及腔內光強有關，當損耗及放電條件變化時，頻差也隨之變化。穩(wěn)頻方法測出二圓偏振光輸出功率之差值，以此作為鑒頻誤差信號，再通過伺服控制系統(tǒng)控制激光器腔長。另：理論、實驗證明左、右圓偏振光頻差與中心頻率有關，可利用拍頻方法測出頻差也可以提供鑒頻的誤差信號。結構示意圖根據激光器輸出的兩圓偏振光光強的差別來判斷諧振頻率偏離中心頻率的方向和程度。頻率穩(wěn)定性可達10-10～10-11，頻率復現性為10-7～10-8。穩(wěn)頻性能優(yōu)點由雙頻激光器構成的干涉儀具有較強的抗干擾能力，可用于工業(yè)中的精密計量。4.雙縱模穩(wěn)頻當激光頻率調諧到距中心偏離約500MHz時,激光出現偏振方向相互垂直的雙縱模振蕩，經偏振分光器分離,分別由性能相同的光電接收器檢測,轉換成電壓信號。在內腔激光器的玻璃外殼上繞以細金屬絲,通電后可使激光管加熱,激光管受溫度變化而改變腔長。當通過金屬絲加熱使激光頻率調諧時,一束平行偏振光的功率增強,另一束垂直偏振光的功率相應減弱。用兩束激光的功率相等作為參考點,來控制激光的腔長,使腔長保持在雙縱模功率相等的狀態(tài)。

采用商品型內腔型激光器,簡易可行;采用容易制作的激光電源和穩(wěn)頻器,使整個裝置小型化,便于搬運和配用;頻率穩(wěn)定度和復現性達到了用于精密測量范疇的技術指標,可以作為精密長度測量和精密波長測量的激光二級頻標。穩(wěn)頻性能優(yōu)點在1個月內的短期頻率復現性可達1×10-9用于長度精密測量的穩(wěn)頻激光器,對頻率復現性要求為優(yōu)于3×10-85.無源腔穩(wěn)頻結構示意圖以外界無源腔的頻率作為穩(wěn)頻的參考頻率，激光頻率的變化將引起透過法-珀干涉儀光功率的變化。利用與蘭姆凹陷穩(wěn)頻類似的鑒頻方法得到的誤差信號控制激光二極管的溫度、激勵電流或外腔激光器的腔長可使激光頻率穩(wěn)定于法-珀干涉儀的最佳透過頻率。將不同激光器穩(wěn)定于不同級次的透過峰頻率上，可得到頻率間隔固定的多路激光，它可作為頻分復用光通信的發(fā)射光源。缺點參考頻率本身穩(wěn)定性不高一、光調制的基本概念§1.6

激光調制技術把欲傳輸的信息加載到激光輻射的過程稱為激光調制，把完成這一過程的裝置稱為激光調制器。激光起到攜帶低頻信號的作用，所以稱為載波調制的激光稱為已調制波或已調制光內調制指在激光振蕩過程中加載調制信號，即以調制信號的規(guī)律去改變激光振蕩的參數，從向改變激光的輸出特性。外調制是指在激光形成以后，再用調制信號對激光進行調制，它不改變激光器的參數，只是改變已經輸出的激光參數(如強度、頻率、位相等)。激光調制可分為:內調制和外調制相位調制設激光瞬時電場強度為則瞬時光強度為設調制信號為幅值調制

強度調制頻率調制自然雙折射光在各向異性介質（晶體）中傳播時產生的雙折射現象，由晶體結構自身的各向異性決定，也稱固有雙折射。當晶體受到應力、電場、磁場等外界作用，其結構發(fā)生變化時，將會使光在其中的傳播規(guī)律發(fā)生變化，既光通過這種有外加電場、超聲場或磁場的晶體時，將產生與外場有關的雙折射現象，可以根據人們的意志加以控制，在光電子技術中得到了廣泛的應用。感應雙折射二、電光調制(一)電光調制原理電光效應：某些材料在外加電場的作用下，其折射率發(fā)生變化在晶體未加外電場時，主軸坐標系中，折射率橢球如下：當晶體加電場后，折射率橢球發(fā)生變形，形式如下：由于外電場的作用，折射率橢球系數隨之發(fā)生線性變化，變化量可定義為用張量形式表示對于KDP晶體沿z軸加電壓，晶體主軸x、y、z變?yōu)閤’、y’、z，即坐標系沿z軸轉45o沿x方向振動的線偏振光通過長度為L的晶體產生的相位差為晶體外加電場后新的折射率橢球一般把引起π相位差的電壓稱為半波電壓，Vπ或者Vλ/2表示

線性電光效應（Pockels效應）：相位差Δφ與所加電壓V

成正比的電光效應(二)電光調制器1.電光強度調制器2.電光位相調制光強透過率三、聲光調制彈光效應當一塊各向異性的透明介質受外力作用時，介質的折射率發(fā)生變化的現象聲光效應聲波作用于介質時所引起的彈光效應；超聲波在聲光介質中傳播時，介質密度呈現疏密的交替變化，導致折射率大小的交替變化，此時介質可等效為一塊相位光柵，引起入射光波衍射。聲光效應分類：喇曼-耐斯聲光衍射：聲波波長長，作用長度小布拉格聲光衍射：聲波波長小，作用長度大Raman-Nath聲光衍射規(guī)律：各級衍射光的衍射角滿足各級衍射光的極值光強為Bragg衍射衍射條件±1級衍射光強可表示為0級衍射光強可表示為入射光可全部衍射到1級或0級的衍射方向上，效率高1、固有旋光現象旋光：當一束線偏振光通過某種物質時，光矢量方向會隨著傳播距離而逐漸轉動。光軸石英晶體四、磁光調制旋光現象的規(guī)律：物質的旋光本領例：膽甾相液晶的α約為18000o/mm旋光色散：旋光本領隨波長而改變的現象例：石英晶體的α在光波長為400nm時，為49o/mm，500nm時，為31o/mm，650nm時，為16o/mm唯象解釋：將入射線偏光看成是左旋、右旋圓偏光的合成，左旋、右旋圓偏光在物質內部的折射率不同，因而從物質中出射時獲得的位相差不等。旋光現象與雙折射現象的對比雙折射現象是指在各向異性介質中的二正交線偏振光的傳播速度不同；旋光現象是指在旋光介質中的二反向旋轉的圓偏振光的傳播速度不同。旋光現象是一種特殊的雙折射現象——圓雙折射上述旋光效應是旋光介質固有的性質，稱為自然圓雙折射兩互相垂直的線偏光經過λ/4波片之后，變?yōu)樽笮龍A偏光和右旋圓偏光左旋和右旋圓偏光的振動方程可以表示為合成光強瓊斯矩陣左旋圓偏光和右旋圓偏光合成光強經過不同相位延遲裝置現象公式性質法拉第效應PBA2、磁致旋光效應磁光效應：在強磁場的作用下，物質的光學性質發(fā)生變化。磁致旋光效應（法拉第效應Faradayeffect）：

在強磁場的作用下，本來不具有旋光效應的物質產生了旋光性質?！袘獔A雙折射3、磁光效應的應用PBAPA45正向(Positivedirection)PA45反向(Reversedirection)特點：法拉第效應的旋光方向決定于外加磁場方向，與光的傳播方向無關，即法拉第效應不具有可逆性，而自然旋光效應是可逆的。1)單通光閘2)磁光調制特點:波長可達1.5-5μm功率小調制頻率高可達109Hz應用于功率調制

五、電源調制/直接調制定義:

直接將調制信號加載于激光電源，從而使激光器發(fā)射的激光強度或激光脈沖參數隨調制信號而變化的調制，稱為電源調制或直接調制對于半導體激光器，一般采用注入調制電流的方式，來調制激光的強度和位相例：在激光光纖通信中，為提高抗干擾能力和工作的穩(wěn)定性，多采用脈沖調相六、干涉調制邁克耳遜干涉儀調制光強激光精密計量從開始有測量的時間起，才開始有科學。沒有量度，精密科學就沒有意義。

——門捷列夫古埃及定義國王的肘拐至中指尖的距離為“一腕尺”，稱“庫比特”長度計量歷史英國在十二世紀初仍以英王亨利一世鼻尖至指尖的距離定為一碼德國以十六位最先走出教堂的人腳長的十六分之一定為一個長度單位Foot【補】黃鐘律管累黍造尺中國原始社會末期采用“布手知尺”，即以中等人身高姆指至食指之間的距離當作一尺。漢代以后，開始用黍子作為長度單位，即規(guī)定一粒黍子的寬度定為一分，十分