第一激光原理與技術(shù)(上)

第一章激光原理與技術(shù)

§1.1輻射理論概論一、光量子學(xué)說(shuō)及波粒二象性

量子說(shuō)波動(dòng)說(shuō)電磁說(shuō)微粒說(shuō)波動(dòng)光學(xué)幾何光學(xué)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(duì)黑體輻射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理論解釋的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，必須大膽的假設(shè)：黑體輻射的能量是不連續(xù)的，存在一個(gè)最小的能量單元，這就是量子。空腔輻射體光電效應(yīng)與光量子學(xué)說(shuō)1905年愛(ài)因斯坦（AlbertEinstein）在解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候進(jìn)一步提出：光也是由最小能量單元-光子組成光動(dòng)力火箭1、光能否作為火箭動(dòng)力?思考題2、光在傳播過(guò)程中是否受重力影響?

3、光照射到物體上,是否有壓力？太陽(yáng)帆的原理是什么？太陽(yáng)能二、原子能級(jí)、簡(jiǎn)并度及波爾茲曼分布玻爾理論:1.原子能級(jí)（1）原子內(nèi)的電子非沿著任意軌道，而是沿著具有一定半徑或能級(jí)的軌道運(yùn)動(dòng)。定態(tài)、基態(tài)、激發(fā)態(tài)（2）原子內(nèi)的電子可由某一定狀態(tài)躍遷到另一定態(tài)，這一過(guò)程要吸收和輻射輻射能。（3）對(duì)于原子內(nèi)的電子可能存在的狀態(tài)有一定限制，即電子的軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量必須滿足玻爾的量化條件躍遷：躍遷：原子從某一能級(jí)吸收或釋放能量，變成另一能級(jí)。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(jiǎn)并度、簡(jiǎn)并能級(jí)電子運(yùn)行的狀態(tài)不同，其能量相同能量相同的能級(jí)對(duì)應(yīng)不同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同一能級(jí)對(duì)應(yīng)的不同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)目電子可以有兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有相同的能級(jí)，這樣的能級(jí)叫簡(jiǎn)并能級(jí)簡(jiǎn)并度簡(jiǎn)并能級(jí)3.玻爾茲曼分布分別處在Em和En能級(jí)的粒子數(shù)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(jí)的分布規(guī)律由高能級(jí)的粒子數(shù)目少于低能級(jí)的粒子數(shù)目結(jié)論1917年，愛(ài)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(chǔ)

愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，若只有自發(fā)輻射和吸收躍遷，黑體和輻射場(chǎng)之間不可能達(dá)到熱平衡，要達(dá)到熱平衡，還必須存在受激輻射。預(yù)示了利用受激輻射來(lái)放大（振蕩）光的可能性！但當(dāng)時(shí)的技術(shù)和生產(chǎn)水平根本沒(méi)有這種需要（無(wú)線電技術(shù)剛剛開(kāi)始，光學(xué)技術(shù)處于初級(jí)階段）激光不可能超越時(shí)代在當(dāng)時(shí)被發(fā)明。三、光與物質(zhì)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(guò)程為自發(fā)輻射。各原子自發(fā)輻射發(fā)出的光彼此獨(dú)立，頻率、振動(dòng)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(dāng)外來(lái)光子的頻率滿足時(shí)，使原子中處于高能級(jí)的電子在外來(lái)光子的激發(fā)下向低能級(jí)躍遷而發(fā)光。當(dāng)光與原子相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在這三種過(guò)程受激輻射：受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的外來(lái)光子具有相同的特征（頻率、相位、振動(dòng)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(dāng)光與原子相互作用時(shí)，總是同時(shí)存在這三種過(guò)程光場(chǎng)能量粒子能量自發(fā)輻射受激輻射受激吸收可能達(dá)到平衡也可能達(dá)不到平衡Laser“受激輻射光放大”LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation§1.2

激光產(chǎn)生的原理及條件粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)是介質(zhì)對(duì)光放大作用的條件及產(chǎn)生激光的前提受激吸收受激輻射一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過(guò)程1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布要使介質(zhì)對(duì)光產(chǎn)生放大作用，必須使受激輻射超過(guò)受激吸收;二者幾率分別與上能級(jí)粒子數(shù)密度和下能級(jí)粒子數(shù)密度成正比。2.泵浦(抽運(yùn))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(gè)能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程光泵浦電泵浦化學(xué)泵浦熱泵浦泵浦分類：二、光的受激放大(1)物理、化學(xué)作用(2)反射、散射(3)受激吸收(4)自發(fā)輻射

損耗應(yīng)當(dāng)減弱,利于放大泵浦容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)雜散光，影響單色性、相干性1.增益介質(zhì)光波與物質(zhì)的相互作用：易于通過(guò)泵浦實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，光在此介質(zhì)中受激輻射大于受激吸收、自發(fā)輻射、各種損耗，對(duì)光有放大作用增益介質(zhì)2.受激放大增益介質(zhì)對(duì)光的放大作用不考慮損耗的情況下,G越大,Z越大,對(duì)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(duì)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(chǎn)生的基本條件及閾值條件閥值條件:

光在諧振腔來(lái)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(zhì)

3.諧振腔1928年，登伯格和科夫曼首次從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了受激輻射的存在。1946年，美國(guó)物理學(xué)家布洛赫首次觀測(cè)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。1947年美國(guó)物理學(xué)家蘭姆等人指出在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的境況下會(huì)出現(xiàn)負(fù)吸收。1949年，法國(guó)物理學(xué)家卡斯特勒提出了光泵方法激光發(fā)明簡(jiǎn)史1951年,NewIdea幾乎同時(shí)、獨(dú)立在兩組科學(xué)家的頭腦中產(chǎn)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(chǎng)相互作用的受激輻射來(lái)放大和產(chǎn)生電磁輻射——量子電子學(xué)擯棄了電子學(xué)傳統(tǒng)概念：自由電子與電磁場(chǎng)相互作用是放大和振蕩電磁場(chǎng)的唯一方法1954年，上述兩個(gè)研究組分別建立了世界第一臺(tái)Maser：NH3分子微波量子振蕩器（波長(zhǎng)1.25cm）。微波振蕩器具有極高的（頻率）波長(zhǎng)穩(wěn)定度——Cs原子鐘量子電子學(xué)誕生！Maser——Micro-wave

Amplification

byStimulatedEmissionofRadiation微波激射放大器自此以后，在激光領(lǐng)域內(nèi)一大批勇于創(chuàng)新，勇于實(shí)踐的人不失時(shí)機(jī)地發(fā)明創(chuàng)造，推動(dòng)激光技術(shù)的發(fā)展。1958年，美國(guó)布隆伯根（Bloembergen）提出“三能級(jí)光泵方法”，成為獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的經(jīng)典方法。Bloembergen借用他人的思想用到量子電子學(xué)領(lǐng)域。根據(jù)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(kāi)始了向Laser的總進(jìn)攻。關(guān)鍵問(wèn)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(dú)立提出開(kāi)放式光諧振腔概念Fabry-perot標(biāo)準(zhǔn)具拋棄了微波技術(shù)的傳統(tǒng)概念借助了光學(xué)已有的概念和技術(shù)發(fā)明光腔1958年12月，Townes和Schawlow發(fā)表文章，提出了實(shí)現(xiàn)Laser的可能性。幾十個(gè)小組都在爭(zhēng)做世界第一臺(tái)Laser。肖洛->紅寶石

湯斯->鉀蒸氣

巴索夫->半導(dǎo)體材料貝爾實(shí)驗(yàn)室的賈萬(wàn)（Javan）提出放電法連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的氦氖激光器方案

最終花落誰(shuí)家？難點(diǎn)在于探索合適材料，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。除了光泵法以外1960年，梅曼（Maiman）做出世界第一臺(tái)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(fù)實(shí)現(xiàn)RubyLaser1961，He-NeLaser1962,GaAs

Semiconductor

Laser機(jī)遇偏愛(ài)有準(zhǔn)備的頭腦和敢于實(shí)踐的人!二十世紀(jì)四大發(fā)明原子能半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)激光器

五、結(jié)構(gòu)形式通用結(jié)構(gòu)激光增益介質(zhì)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(jié)構(gòu)：1.內(nèi)腔式主要結(jié)構(gòu)：激光管+電源+光學(xué)元件放電管電極光學(xué)諧振腔特點(diǎn)：諧振腔的兩個(gè)反射鏡固定在放電管外殼的兩個(gè)端面上優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用時(shí)不需調(diào)整諧振腔，比較方便；放電管和反射鏡之間無(wú)光學(xué)元件，損耗小，輸出功率高缺點(diǎn)：熱穩(wěn)定性差，放電管熱變形引起兩端反射鏡的位置關(guān)系發(fā)生變化，導(dǎo)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(diǎn)：諧振腔與放電管完全分開(kāi)；諧振腔反射鏡上裝有調(diào)整裝置可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)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(diǎn)：諧振腔可以調(diào)整，能夠長(zhǎng)期保持激光器的穩(wěn)定輸出；可以在諧振腔內(nèi)插入光學(xué)元件，便于進(jìn)行激光器性能研究。缺點(diǎn)：諧振腔兩反射鏡易失調(diào)，并且調(diào)整也比較困難，使用不方便；窗片與軸線夾角不準(zhǔn)確，窗片光學(xué)質(zhì)量不完善，引起反射、散射、吸收等光學(xué)損耗，降低了輸出功率。3.半內(nèi)腔式特點(diǎn)：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(kāi)優(yōu)點(diǎn)：僅需調(diào)整外面的一塊反射鏡，比較容易調(diào)整，工作方便；能夠同外腔式激光器一樣進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)；同時(shí)，有一布儒斯特窗片可輸出偏振光。按工作波段分類遠(yuǎn)紅外、紅外激光器可見(jiàn)光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按運(yùn)轉(zhuǎn)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(diǎn)按工作物質(zhì)分類固體激光器氣體激光器工作物質(zhì)：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(lì)方式：光激勵(lì)(簡(jiǎn)稱光泵)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，輸出功率大可達(dá)1000W以上,YAG最好，可連續(xù)運(yùn)行多模輸出應(yīng)用：常用于機(jī)械加工、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域。工作物質(zhì):

原子（He-Ne）、分子（CO2）、離子（Ar+）特點(diǎn):

種類多，波長(zhǎng)分布區(qū)域?qū)挘瑧?yīng)用廣，頻率穩(wěn)定性好，是很好的相干光源，可實(shí)現(xiàn)最大功率連續(xù)輸出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，轉(zhuǎn)換效率高激勵(lì)方式：電激勵(lì)(簡(jiǎn)稱電泵)應(yīng)用：CO2－常用于機(jī)械加工；

He-Ne－精密測(cè)試計(jì)量；

Ar+－化學(xué)分析，全息攝影，激光照排，水下通訊。液體激光器半導(dǎo)體激光器特點(diǎn):

超小型，質(zhì)量輕，成本低，可批量生產(chǎn)，能量轉(zhuǎn)換效率高(＞30％)，波長(zhǎng)范圍廣(0.5—30μm)，壽命長(zhǎng)(＞百萬(wàn)小時(shí))，發(fā)散角大，單色性差，

易于調(diào)制，改變驅(qū)動(dòng)電流可將輸出光調(diào)制到GHz。應(yīng)用:

通信光源、測(cè)距、激光光盤(pán)、唱片、印刷術(shù)、辦公自動(dòng)化、泵浦源工作物質(zhì)：GaAS(砷化鎵)，InAS（砷化銦），Insb（銻化銦）、CdS（硫化鎘）工作物質(zhì)：有機(jī)染料特點(diǎn)：輸出的激光波長(zhǎng)在很大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)(0.34-1.2μm)應(yīng)用:

在光化學(xué)、光生物學(xué)、激光醫(yī)學(xué)等方面化學(xué)激光器其它激光器特點(diǎn):可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為激光能，不需外加激光源，輸出的波長(zhǎng)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(zhì)：HF，碘原子應(yīng)用:適合于無(wú)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(zhì)通常用發(fā)散角來(lái)描述定義常見(jiàn)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(dǎo)體激光:5~10×10-2例2：東芝公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器TOLD9211，輸出功率5mW，波長(zhǎng)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(zhì)有良好的均勻性，且腔長(zhǎng)大，方向性最好！例1：對(duì)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(jié)論不同類型激光器的方向性差別很大，與增益介質(zhì)的方向性及均勻性、諧振腔的類型及腔長(zhǎng)和激光器的工作狀態(tài)有關(guān)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(dāng)前最好探照系統(tǒng)的1/1000。激光器方向性對(duì)其聚焦性能有重要影響當(dāng)一束發(fā)散角為2θ的單色光被焦距為f的透鏡聚焦時(shí)，焦平面上光斑直徑為發(fā)散角也可用空間立體角來(lái)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(shí)間內(nèi)向著其法線方向上的單位立體角范圍內(nèi)輻射的能量單位:W/cm2.Sr太陽(yáng)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(dá)1020W/cm2·Sr激光是最亮的光請(qǐng)勿對(duì)準(zhǔn)眼睛超快超強(qiáng)激光可形成的物理?xiàng)l件激光可形成自然界存在聚焦強(qiáng)度1020W/cm2光壓1012bar加速度1021g磁場(chǎng)109Gauss3.5×1016W/cm21barg0.5Gauss源于激光能量在空間和時(shí)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(jí)分裂腔長(zhǎng)變化←泵浦、溫度、振動(dòng)單色性是指光強(qiáng)按頻率(波長(zhǎng))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(xiàn)出一定的能級(jí)寬度譜寬極限普通光源中，86Kr放電燈在低溫下發(fā)出波長(zhǎng)λ為650.7nm的光，譜線寬度和波長(zhǎng)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(zhǎng)的比值可達(dá)10-11。甲烷吸收穩(wěn)頻He-Ne激光器（λ=3.39μm），譜線寬度與波長(zhǎng)的比值可達(dá)10-13。四、相干性1.時(shí)間相干性(同地異時(shí))定義：在同一空間點(diǎn)上，由同一光源分割出來(lái)的兩光波之間的位相差與時(shí)間無(wú)關(guān)的性質(zhì)，即光波的時(shí)間延續(xù)性。也可理解為：同一光源的光經(jīng)過(guò)不同的路徑到達(dá)同一位置，尚能發(fā)生干涉，其經(jīng)過(guò)的時(shí)間差τc稱為相干時(shí)間

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

楊氏雙縫干涉以楊氏實(shí)驗(yàn)為例同一時(shí)間，由空間不同的點(diǎn)發(fā)出的光波的相干性狹縫間距一定產(chǎn)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(dāng)針孔屏距0.5m，橫向相干長(zhǎng)度為0.25mm，激光器的橫向相干長(zhǎng)度可達(dá)100mm以上狹縫最大允許距離即橫向相干長(zhǎng)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(yīng)滿足駐波條件

相鄰兩個(gè)縱模頻率的間隔為可以存在的縱模頻率為諧振腔的腔長(zhǎng)、增益介質(zhì)的增益曲線一定，因此只有落在增益范圍內(nèi)，且增益大于損耗的諧振頻率才能形成激光。每一個(gè)諧振頻率的振蕩,稱為一個(gè)模式沿軸向傳播的振動(dòng)模式,稱為軸向模式,簡(jiǎn)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(shè)He-Ne激光器腔長(zhǎng)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(chǎng)在橫向不同的穩(wěn)定分布激光模式一般用TEMmnq表示定義對(duì)稱mnq軸向X向暗條紋數(shù)Y向暗條紋數(shù)縱模數(shù)旋轉(zhuǎn)圓周向暗條紋數(shù)徑向暗條紋數(shù)縱模數(shù)橫截面為圓型的激活介質(zhì)橫?？赡艹霈F(xiàn)軸對(duì)稱激活介質(zhì)的不均勻性，或諧振腔內(nèi)插入元件（如布儒斯特窗）破壞了腔的旋轉(zhuǎn)對(duì)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(qiáng)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(dá)式為§1.4

高斯光束一、高斯光束表達(dá)式二、高斯光束的特性1.z=0的情況特點(diǎn):等相位,平面波光強(qiáng)分布為高斯分布束腰：振幅下降為中心的1/e時(shí)對(duì)應(yīng)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(shí),2θ=0,平面波zω0z1z2θc.發(fā)散角z→∞,

的區(qū)域,稱為準(zhǔn)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(fù)曲率半徑——高斯光束q參數(shù)在自由空間中的傳播規(guī)律

2.高斯光束通過(guò)薄透鏡的變換3.高斯光束通復(fù)雜透鏡的變換為簡(jiǎn)單光學(xué)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(yuǎn)離透鏡1.聚焦點(diǎn)位置2.聚焦點(diǎn)尺寸f五、高斯光束的準(zhǔn)直對(duì)于單透鏡系統(tǒng)l=f時(shí)，達(dá)到最大值可利用倒置望遠(yuǎn)鏡可實(shí)現(xiàn)激光光束的準(zhǔn)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(jì)算合理準(zhǔn)直區(qū)間在精密計(jì)量中，通常以波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，測(cè)量精度很大程度上決定于波長(zhǎng)的精確程度?！?.5

激光的穩(wěn)頻技術(shù)頻率穩(wěn)定度穩(wěn)頻的必要性：頻率再現(xiàn)性要求——同一激光器在不同時(shí)間、不同地點(diǎn)、不同條件下頻率的重復(fù)性激光器輸出單頻的同時(shí)，頻率變動(dòng)盡可能小表示頻率變動(dòng)的兩個(gè)物理量頻率漂移遠(yuǎn)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(huì)隨溫度而變化振動(dòng)：振動(dòng)會(huì)引起反射鏡位置變化、激光管變形，使腔長(zhǎng)發(fā)生變化同時(shí)，溫度變化會(huì)引起介質(zhì)折射率的變化激光頻率頻率變化引起變化的原因腔長(zhǎng)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(gè)管壁材料為硬玻璃的內(nèi)腔式氦氖激光器，當(dāng)溫度漂移±1?C時(shí)，由于腔長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)量、光頻標(biāo)、光通信、激光陀螺及精密光譜研究等應(yīng)用領(lǐng)域中，必須采用穩(wěn)頻技術(shù)以改善激光器的頻率穩(wěn)定性。二、穩(wěn)頻方法（一）被動(dòng)穩(wěn)頻1)控制溫度：如2)腔體材料互補(bǔ)：采用正負(fù)線膨脹系數(shù)的材料組合，達(dá)到腔長(zhǎng)穩(wěn)定的效果，一般3)防震、密封（二）主動(dòng)穩(wěn)頻措施基本原理采用電子伺服控制激光頻率，當(dāng)激光頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，鑒頻器給出誤差信號(hào)控制腔長(zhǎng)，使激光頻率自動(dòng)回到標(biāo)準(zhǔn)頻率上。利用激光器的輸出功率P和頻率v的關(guān)系曲線上的凹陷反應(yīng)，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(zhuǎn)換成輸出功率的起伏值ΔP，從而獲得誤差信號(hào),用此誤差信號(hào)反饋控制諧振腔的長(zhǎng)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(zhì)的增益飽和，在激光器的輸出功率P和頻率v的關(guān)系曲線上，在中心頻率v0處輸出功率出現(xiàn)凹陷的現(xiàn)象穩(wěn)頻原理：穩(wěn)頻裝置示意圖A處，與激勵(lì)信號(hào),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(biāo)準(zhǔn)頻率的方向，可作為差值信號(hào)。缺點(diǎn)：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(zhì)原子譜線本身的中心頻率為標(biāo)準(zhǔn)頻率，對(duì)中心頻率的改變,無(wú)控制作用。特點(diǎn)：對(duì)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(chǎn)生足以將頻率拉回中心頻率的誤差信號(hào)，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(yīng)達(dá)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(guò)低會(huì)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(dá)10-9,再現(xiàn)度只有10-7。激光器輸出激光的光強(qiáng)和頻率均有微小的音頻調(diào)制。2.飽和吸收法原理:利用外界頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(shí)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(zhì)對(duì)不同頻率的光吸收是非線性的，對(duì)于吸收曲線中心頻率的光，吸收易飽和，而對(duì)于吸收曲線非中心頻率的光，吸收不飽和。對(duì)于吸收介質(zhì)吸收曲線的中心頻率，腔的損耗最小，輸出功率最高，出現(xiàn)反蘭姆下陷。優(yōu)點(diǎn):3.塞曼(Zeeman)效應(yīng)法塞曼效應(yīng):原子能級(jí)在磁場(chǎng)作用下發(fā)生分裂的現(xiàn)象特點(diǎn)：雙頻激光器:由塞曼效應(yīng)制成的激光器。國(guó)際上明確規(guī)定甲烷和碘吸收穩(wěn)頻的氦氖激光波長(zhǎng)可作為長(zhǎng)度副基準(zhǔn)和復(fù)現(xiàn)米定義。由塞曼效應(yīng)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(yīng)激光器產(chǎn)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(nèi)光強(qiáng)有關(guān)，當(dāng)損耗及放電條件變化時(shí)，頻差也隨之變化。穩(wěn)頻方法測(cè)出二圓偏振光輸出功率之差值，以此作為鑒頻誤差信號(hào)，再通過(guò)伺服控制系統(tǒng)控制激光器腔長(zhǎng)。另：理論、實(shí)驗(yàn)證明左、右圓偏振光頻差與中心頻率有關(guān)，可利用拍頻方法測(cè)出頻差也可以提供鑒頻的誤差信號(hào)。結(jié)構(gòu)示意圖根據(jù)激光器輸出的兩圓偏振光光強(qiáng)的差別來(lái)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(dá)10-10～10-11，頻率復(fù)現(xiàn)性為10-7～10-8。穩(wěn)頻性能優(yōu)點(diǎn)由雙頻激光器構(gòu)成的干涉儀具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可用于工業(yè)中的精密計(jì)量。4.雙縱模穩(wěn)頻當(dāng)激光頻率調(diào)諧到距中心偏離約500MHz時(shí),激光出現(xiàn)偏振方向相互垂直的雙縱模振蕩，經(jīng)偏振分光器分離,分別由性能相同的光電接收器檢測(cè),轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。在內(nèi)腔激光器的玻璃外殼上繞以細(xì)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(zhǎng)。當(dāng)通過(guò)金屬絲加熱使激光頻率調(diào)諧時(shí),一束平行偏振光的功率增強(qiáng),另一束垂直偏振光的功率相應(yīng)減弱。用兩束激光的功率相等作為參考點(diǎn),來(lái)控制激光的腔長(zhǎng),使腔長(zhǎng)保持在雙縱模功率相等的狀態(tài)。

采用商品型內(nèi)腔型激光器,簡(jiǎn)易可行;采用容易制作的激光電源和穩(wěn)頻器,使整個(gè)裝置小型化,便于搬運(yùn)和配用;頻率穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性達(dá)到了用于精密測(cè)量范疇的技術(shù)指標(biāo),可以作為精密長(zhǎng)度測(cè)量和精密波長(zhǎng)測(cè)量的激光二級(jí)頻標(biāo)。穩(wěn)頻性能優(yōu)點(diǎn)在1個(gè)月內(nèi)的短期頻率復(fù)現(xiàn)性可達(dá)1×10-9用于長(zhǎng)度精密測(cè)量的穩(wěn)頻激光器,對(duì)頻率復(fù)現(xiàn)性要求為優(yōu)于3×10-85.無(wú)源腔穩(wěn)頻結(jié)構(gòu)示意圖以外界無(wú)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(guò)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(hào)控制激光二極管的溫度、激勵(lì)電流或外腔激光器的腔長(zhǎng)可使激光頻率穩(wěn)定于法-珀干涉儀的最佳透過(guò)頻率。將不同激光器穩(wěn)定于不同級(jí)次的透過(guò)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(fù)用光通信的發(fā)射光源。缺點(diǎn)參考頻率本身穩(wěn)定性不高一、光調(diào)制的基本概念§1.6

激光調(diào)制技術(shù)把欲傳輸?shù)男畔⒓虞d到激光輻射的過(guò)程稱為激光調(diào)制，把完成這一過(guò)程的裝置稱為激光調(diào)制器。激光起到攜帶低頻信號(hào)的作用，所以稱為載波調(diào)制的激光稱為已調(diào)制波或已調(diào)制光內(nèi)調(diào)制指在激光振蕩過(guò)程中加載調(diào)制信號(hào)，即以調(diào)制信號(hào)的規(guī)律去改變激光振蕩的參數(shù)，從向改變激光的輸出特性。外調(diào)制是指在激光形成以后，再用調(diào)制信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，它不改變激光器的參數(shù)，只是改變已經(jīng)輸出的激光參數(shù)(如強(qiáng)度、頻率、位相等)。激光調(diào)制可分為:內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制相位調(diào)制設(shè)激光瞬時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度為則瞬時(shí)光強(qiáng)度為設(shè)調(diào)制信號(hào)為幅值調(diào)制

強(qiáng)度調(diào)制頻率調(diào)制自然雙折射光在各向異性介質(zhì)（晶體）中傳播時(shí)產(chǎn)生的雙折射現(xiàn)象，由晶體結(jié)構(gòu)自身的各向異性決定，也稱固有雙折射。當(dāng)晶體受到應(yīng)力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等外界作用，其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，將會(huì)使光在其中的傳播規(guī)律發(fā)生變化，既光通過(guò)這種有外加電場(chǎng)、超聲場(chǎng)或磁場(chǎng)的晶體時(shí)，將產(chǎn)生與外場(chǎng)有關(guān)的雙折射現(xiàn)象，可以根據(jù)人們的意志加以控制，在光電子技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。感應(yīng)雙折射二、電光調(diào)制(一)電光調(diào)制原理電光效應(yīng)：某些材料在外加電場(chǎng)的作用下，其折射率發(fā)生變化在晶體未加外電場(chǎng)時(shí)，主軸坐標(biāo)系中，折射率橢球如下：當(dāng)晶體加電場(chǎng)后，折射率橢球發(fā)生變形，形式如下：由于外電場(chǎng)的作用，折射率橢球系數(shù)隨之發(fā)生線性變化，變化量可定義為用張量形式表示對(duì)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(biāo)系沿z軸轉(zhuǎn)45o沿x方向振動(dòng)的線偏振光通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的晶體產(chǎn)生的相位差為晶體外加電場(chǎng)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(yīng)（Pockels效應(yīng)）：相位差Δφ與所加電壓V

成正比的電光效應(yīng)(二)電光調(diào)制器1.電光強(qiáng)度調(diào)制器2.電光位相調(diào)制光強(qiáng)透過(guò)率三、聲光調(diào)制彈光效應(yīng)當(dāng)一塊各向異性的透明介質(zhì)受外力作用時(shí)，介質(zhì)的折射率發(fā)生變化的現(xiàn)象聲光效應(yīng)聲波作用于介質(zhì)時(shí)所引起的彈光效應(yīng)；超聲波在聲光介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)密度呈現(xiàn)疏密的交替變化，導(dǎo)致折射率大小的交替變化，此時(shí)介質(zhì)可等效為一塊相位光柵，引起入射光波衍射。聲光效應(yīng)分類：喇曼-耐斯聲光衍射：聲波波長(zhǎng)長(zhǎng)，作用長(zhǎng)度小布拉格聲光衍射：聲波波長(zhǎng)小，作用長(zhǎng)度大Raman-Nath聲光衍射規(guī)律：各級(jí)衍射光的衍射角滿足各級(jí)衍射光的極值光強(qiáng)為Bragg衍射衍射條件±1級(jí)衍射光強(qiáng)可表示為0級(jí)衍射光強(qiáng)可表示為入射光可全部衍射到1級(jí)或0級(jí)的衍射方向上，效率高1、固有旋光現(xiàn)象旋光：當(dāng)一束線偏振光通過(guò)某種物質(zhì)時(shí)，光矢量方向會(huì)隨著傳播距離而逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)。光軸石英晶體四、磁光調(diào)制旋光現(xiàn)象的規(guī)律：物質(zhì)的旋光本領(lǐng)例：膽甾相液晶的α約為18000o/mm旋光色散：旋光本領(lǐng)隨波長(zhǎng)而改變的現(xiàn)象例：石英晶體的α在光波長(zhǎng)為400nm時(shí)，為49o/mm，500nm時(shí)，為31o/mm，650nm時(shí)，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(zhì)內(nèi)部的折射率不同，因而從物質(zhì)中出射時(shí)獲得的位相差不等。旋光現(xiàn)象與雙折射現(xiàn)象的對(duì)比雙折射現(xiàn)象是指在各向異性介質(zhì)中的二正交線偏振光的傳播速度不同；旋光現(xiàn)象是指在旋光介質(zhì)中的二反向旋轉(zhuǎn)的圓偏振光的傳播速度不同。旋光現(xiàn)象是一種特殊的雙折射現(xiàn)象——圓雙折射上述旋光效應(yīng)是旋光介質(zhì)固有的性質(zhì)，稱為自然圓雙折射兩互相垂直的線偏光經(jīng)過(guò)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(dòng)方程可以表示為合成光強(qiáng)瓊斯矩陣左旋圓偏光和右旋圓偏光合成光強(qiáng)經(jīng)過(guò)不同相位延遲裝置現(xiàn)象公式性質(zhì)法拉第效應(yīng)PBA2、磁致旋光效應(yīng)磁光效應(yīng)：在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。磁致旋光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)Faradayeffect）：

在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，本來(lái)不具有旋光效應(yīng)的物質(zhì)產(chǎn)生了旋光性質(zhì)?！袘?yīng)圓雙折射3、磁光效應(yīng)的應(yīng)用PBAPA45正向(Positivedirection)PA45反向(Reversedirection)特點(diǎn)：法拉第效應(yīng)的旋光方向決定于外加磁場(chǎng)方向，與光的傳播方向無(wú)關(guān)，即法拉第效應(yīng)不具有可逆性，而自然旋光效應(yīng)是可逆的。1)單通光閘2)磁光調(diào)制特點(diǎn):波長(zhǎng)可達(dá)1.5-5μm功率小調(diào)制頻率高可達(dá)109Hz應(yīng)用于功率調(diào)制

五、電源調(diào)制/直接調(diào)制定義:

直接將調(diào)制信號(hào)加載于激光電源，從而使激光器發(fā)射的激光強(qiáng)度或激光脈沖參數(shù)隨調(diào)制信號(hào)而變化的調(diào)制，稱為電源調(diào)制或直接調(diào)制對(duì)于半導(dǎo)體激光器，一般采用注入調(diào)制電流的方式，來(lái)調(diào)制激光的強(qiáng)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(diào)相六、干涉調(diào)制邁克耳遜干涉儀調(diào)制光強(qiáng)激光精密計(jì)量從開(kāi)始有測(cè)量的時(shí)間起，才開(kāi)始有科學(xué)。沒(méi)有量度，精密科學(xué)就沒(méi)有意義。

——門(mén)捷列夫古埃及定義國(guó)王的肘拐至中指尖的距離為“一腕尺”，稱“庫(kù)比特”長(zhǎng)度計(jì)量歷史英國(guó)在十二世紀(jì)初仍以英王亨利一世鼻尖至指尖的距離定為一碼德國(guó)以十六位最先走出教堂的人腳長(zhǎng)的十六分之一定為一個(gè)長(zhǎng)度單位Foot【補(bǔ)】黃鐘律管累黍造尺中國(guó)原始社會(huì)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(dāng)作一尺。漢代以后，開(kāi)始用黍子作為長(zhǎng)度單位，即規(guī)定一粒黍子的寬度定為一分，十分