激光原理前半部分第三章

2014.4.08思考問題激光器輸出頻率：單縱模？多縱模？頻率穩(wěn)定性如何？（高精度光譜測量或有關計量標準應用）蘭姆凹陷發(fā)生條件？頻率穩(wěn)定性的方法？非均勻加寬介質(zhì)與均勻加寬介質(zhì)之差別？模式（橫模與縱模）可以選擇嗎？§3-6激光器的頻率特性

和穩(wěn)頻與模式選擇原理非均勻譜線增寬多模振蕩

動態(tài)過程:抽運使增大；受激發(fā)射使減小,限制了無限增大；由于工作物質(zhì)譜線增寬機制不同，致使振蕩器中增益飽和性質(zhì)不一樣！1.非均勻譜線增寬多模振蕩(1)燒孔效應一般氣體激光器的氣壓都在毫乇至幾十乇的范圍，主要增寬機制是熱運動增寬。如：He-Ne激光器，

Ne原子質(zhì)量M=20，溫度T=400K,L=30cm.1.非均勻譜線增寬多模振蕩增寬結果有：而假如調(diào)節(jié)諧振腔長度使

其中1.非均勻譜線增寬多模振蕩當在光子的作用下，速度為Vz的那部分激發(fā)原子才產(chǎn)生受激發(fā)射，導致這部分原子的損耗，即速度為Vz的原子數(shù)下降，而其他速度的激發(fā)原子不會參加到頻率為的受激發(fā)射中，因此在增益曲線上處增益下降至閾值，產(chǎn)生了一個凹穴，同理在上有另一凹穴，稱為燒孔效應。1.非均勻譜線增寬多模振蕩1.非均勻譜線增寬多模振蕩這種只有部分激發(fā)原子參與受激發(fā)射，而不是整個原子集合，這樣的譜線增寬現(xiàn)象稱為“非均勻增寬”。燒孔寬度：,在閾值附近;激發(fā)增加時孔也增大。燒孔深度：激光輸出功率：1.非均勻譜線增寬多模振蕩（2）單模振蕩、蘭姆凹陷假如調(diào)整腔長使，則只有Vz=0的激發(fā)原子參與受激發(fā)射，只有一個燒孔。輸出功率出現(xiàn)極小值1.非均勻譜線增寬多模振蕩1.非均勻譜線增寬多模振蕩（3）多模振蕩當譜線寬度（）范圍內(nèi)容納多個縱模低壓1乇---幾十乇下（熱運動增寬---非均勻增寬）原子碰撞間隔：/次原子自發(fā)發(fā)射壽命導致：瞬間速度±Vz的激發(fā)態(tài)粒子數(shù)特別減少1.非均勻譜線增寬多模振蕩蘭姆凹陷的發(fā)現(xiàn)和應用是科學與技術，理論與實踐密切結合取得重要成果的又一個極好例證。

He-Ne

激光器發(fā)明兩年后，1962年，蘭姆位移的發(fā)現(xiàn)者，諾貝爾物理獎得主小W.E.蘭姆教授正在耶魯大學對氦氖激光器作理論分析。他的目的是要根據(jù)原子在電磁場作用下振蕩的經(jīng)典模型，計算激光強度隨空腔參數(shù)改變的關系。蘭姆凹陷的發(fā)現(xiàn)和應用他原來預計，空腔原子有一定的自然躍遷頻率，當空腔頻率與原子躍遷頻率一致時，會因為諧振而使激光強度達最高值?？墒浅龊跛囊饬?，計算所得的曲線卻在諧振處呈現(xiàn)極小值，形成一凹陷。他花了許多時間反復核算，沒有找出錯誤，肯定計算是正確的。

蘭姆凹陷的發(fā)現(xiàn)和應用當時，蘭姆并不知道這就是由于飽和和多普勒頻寬引起燒孔效應的后果（不久就清楚了），但是他敏感地預見到，這一凹陷有助于頻率的穩(wěn)定，因為他在理論計算中參考了二十年代電子學家范德泡爾（vanderPol）關于多頻振蕩器的理論，這一理論證明只要滿足一定條件就可以出現(xiàn)頻率鎖定現(xiàn)象。

蘭姆作出理論預測后，并沒有馬上發(fā)表，而是將手稿寄給激光器的另外兩位先驅(qū)，賈萬和本勒特（Bennett），請他們發(fā)表意見。賈萬回信說，他雖然沒有觀察到這個現(xiàn)象，但相信會有，因為他曾觀察到與之有關的推頻效應。本勒特則把自己的實驗記錄寄給蘭姆，他在激光輸出隨調(diào)諧頻率變化的曲線中沒有找到凹陷信號，表示對此沒有信心。蘭姆凹陷的發(fā)現(xiàn)和應用貝爾實驗室有一位同事叫R.A.麥克發(fā)倫（R.A.McFarlane），得知后對這個問題產(chǎn)生了興趣，主動承擔起實驗研究的工作。他用磁致伸縮方法使氦氖激光器的光學腔改變長度，從而調(diào)整諧振頻率，開始時，他的激光管中用的是自然豐度的氣體（氖的成分為20Ne，90.92％；21Ne，0.26％；22Ne，8.82％），在諧振曲線上也沒有觀察到凹陷，但他注意到曲線有些不對稱，似乎是兩種頻率疊加而成的。他意識到這可能是氖的同位素效應，于是在賈萬的幫助下，做了22Ne（純度達99.5％）的氦氖激光器，果然，在中心頻率附近出現(xiàn)了微淺的凹陷信號。功率加大后，凹陷隨之變深，形成明顯的鴕峰曲線。蘭姆凹陷的發(fā)現(xiàn)和應用于是，麥克發(fā)倫、本勒特和蘭姆三人聯(lián)名于1963年發(fā)表了實驗結果，正式宣布蘭姆凹陷的存在。與此同時，賈萬也發(fā)表了類似報告。從此，單模穩(wěn)頻氦氖激光器登上了精密計量工作的舞臺，在長度和頻率的計量中發(fā)揮了重要作用，并且開辟了激光穩(wěn)頻的廣闊領域。蘭姆凹陷的發(fā)現(xiàn)和應用2．均勻譜線增寬多模振蕩（1）高壓氣體激光器中均勻譜線增寬效應當氣壓＞0.1大氣壓或者更高時壓力增寬-------碰撞頻繁（）

±Vz的激發(fā)粒子得到補充導致：增益曲線上不會產(chǎn)生凹陷，而是整體下降------譜線均勻加寬在閾值時，只有附近的模式運轉(zhuǎn)，大于閾值時是多模運轉(zhuǎn)。2014年4月15日2．均勻譜線增寬多模振蕩2．均勻譜線增寬多模振蕩2．均勻譜線增寬多模振蕩（2）固體激光器中空間周期性粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布晶格振動時間（熱化作用）晶體中激發(fā)離子自發(fā)發(fā)射時間：均勻增寬2．均勻譜線增寬多模振蕩3．穩(wěn)頻原理

激光穩(wěn)頻技術

激光器的輸出波長或頻率在某些應用場合下是不希望發(fā)生無規(guī)變化的：

特別是用作高精度光譜測量或有關計量標準時，不但要求輸出激光有盡可能高的單色性（為此可采用選縱模技術），而且還進一步要求振蕩激光的精確頻率位置不發(fā)生隨機式的漂移變化。3．穩(wěn)頻原理

激光穩(wěn)頻技術

激光振蕩頻率的漂移式變化：共振腔的等價腔長（光程長度）的漂移變化所引起的。

首先應保證幾何腔長和腔內(nèi)各固定元件的機械穩(wěn)定性，并同時保證器件運轉(zhuǎn)環(huán)境和有關物理參量(特別是溫度和腔內(nèi)通光媒質(zhì)的折射率)的穩(wěn)定。即使在做到上述各點之后，由于激光振蕩過程多種因素的影響，仍然有可能使振蕩頻率發(fā)生微小程度的漂移和變化，3．穩(wěn)頻原理

有效的頻率自動穩(wěn)定控制系統(tǒng)。由以下三部分組成。

①誤差信號監(jiān)測裝置。該裝置的作用是監(jiān)測輸出激光頻率變動并給出與偏移量成正比的光電誤差信號；法布里－珀羅干涉儀、頻譜分析儀、具有固定窄吸收峰的飽和吸收媒質(zhì)以及具有穩(wěn)頻本機振蕩器的光學外差接收器等裝置，均可起到上述監(jiān)測作用。3．穩(wěn)頻原理

②誤差信號反饋放大裝置。通常為一組電子線路，其功能是將誤差信號以電信號形式加以檢測放大，然后反饋輸入到自動校正裝置。3．穩(wěn)頻原理

③頻率自動校正裝置。激光振蕩頻率的嚴格數(shù)值是由共振腔光學長度所決定的，因此當實際振蕩頻率偏離預定的數(shù)值時，由反饋系統(tǒng)輸入的誤差信號可通過壓電作用調(diào)整共振腔反射鏡的前后位置以改變幾何腔長，或者通過線性電光效應改變置于腔內(nèi)的電光晶體的折射率（相當于改變腔的光程長度），使激光振蕩頻率向相反的方向發(fā)生變動，以抵消已產(chǎn)生的偏差影響，從而可保持實際激光振蕩頻率的自動穩(wěn)定控制。3．穩(wěn)頻原理目前采用以飽和吸收媒質(zhì)為監(jiān)測手段的氣體激光器穩(wěn)頻系統(tǒng)，頻譜精度δv/v（這里v為激光頻率,δv為頻率漂移量）可達10-11～10-13量級左右。3．穩(wěn)頻原理

（1）影響激光頻率穩(wěn)定的因素:

（2）激光器主動穩(wěn)頻的方法（a）蘭姆凹陷穩(wěn)頻法：利用原子譜線中心頻率作為鑒別器穩(wěn)定，簡單，穩(wěn)定度（b）飽和吸收穩(wěn)頻法：利用外界參考頻率工作為鑒別器穩(wěn)頻，穩(wěn)定度

（c）塞曼效應穩(wěn)頻：縱向磁場，雙頻穩(wěn)頻激光器3．穩(wěn)頻原理（3）蘭姆凹陷的穩(wěn)頻原理以作參考頻率，反饋控制腔長（壓電陶瓷）從而穩(wěn)定3．穩(wěn)頻原理v0v=v0頻率圖6.2-3蘭姆凹陷穩(wěn)頻原理v0下圖示出了激光輸出功率—頻率曲線。輸出功率在原子譜線中心頻率υ0處有一極小值，選擇它作為頻率穩(wěn)定點。其穩(wěn)頻工作過程如下：輸出一負直流電壓饋送到壓電陶瓷上，這電壓使壓電陶瓷環(huán)縮短，從而使腔長伸長，于是激光振蕩頻率又回到υ0處。3．穩(wěn)頻原理3．穩(wěn)頻原理4．模式選擇技術（1）橫模和縱模選擇的意義為什么選橫模？精細激光加工：光斑直徑=透鏡焦距*發(fā)散角超強超快激光應用;

激光通信、雷達、測距等，希望作用距離大，發(fā)散角小。為什么選縱模？精密干涉測量，全息照相，高分辨光譜等要求單色性、相干性高的單頻光源。4．模式選擇技術（2）橫模選擇的方法

（a）改變腔的結構和參數(shù)：各模衍射損耗有較大差別，高階模損耗大，氣體激光器采用。

（b）在腔內(nèi)插入附加選模元件：因為高階模分布在腔內(nèi)光斑外圍，其光腰比低階模大，如小孔光闌可將高階模攔截損耗，固體激光器采用。4．模式選擇技術4．模式選擇技術（c）腔內(nèi)插入透鏡和光闌：

因為光闌限制了腔內(nèi)光斑大小，不能充分利用工作物質(zhì)有效體積，固在腔內(nèi)將光斑在工作物質(zhì)處抗束，光闌在光腰（焦點）外。4．模式選擇技術4．模式選擇技術4．模式選擇技術4．模式選擇技術4．模式選擇技術（d）非穩(wěn)腔選擇模（高損耗腔）4．模式選擇技術（3）縱模選擇的方法縱模數(shù)，是增益閾值帶寬。

(a)色散腔粗選頻率：采用棱鏡，光柵色散4．模式選擇技術4．模式選擇技術(b)短腔法：

縱模間距越大越好

4．模式選擇技術(c)F-P