激光光譜技術及應用-第三章

光學諧振腔結構一臺激光器通常由激光介質(zhì)、諧振腔和泵浦源三局部組成。泵浦是外界對激光器的能源輸出。在泵浦源的作用下激光介質(zhì)得到激發(fā)，成為對光有放大作用的增益介質(zhì)。光學諧振腔是由間隔一定距離的一對面對面放置的反射鏡構成，激光介質(zhì)放在兩反射鏡之間。光學諧振腔作用：提供光學正反響，限制激光模式。光學諧振腔種類：平行平面腔：由兩塊相距為L，平行放置的平面反射鏡構成。凹面反射鏡腔：由相距為L,曲率半徑分別為R1、R2的兩塊凹面反射鏡構成。對于凹面反射鏡，曲率半徑R與焦距f的關系為凹面反射鏡的兩中特殊情況為：共焦腔：兩塊反射鏡的焦距之和等于鏡面見的距離。共心腔：R1+R2=L，這時兩凹面腔的曲率中心在腔內(nèi)相重合。平面凹面反射鏡腔：由相距為L，一塊平面鏡和一塊凹面鏡構成。反射鏡面上的場分布——橫模光學諧振腔可以是開放式的，并且腔的尺寸遠大于光波波長。光學諧振腔中的諧振是指光在反射鏡間來回反射形成穩(wěn)定的光場分布，它更像一個法布里——珀羅干預儀。與干預儀的不同之處是兩鏡之間的距離遠大于鏡面尺寸，因而光的衍射現(xiàn)象起著重要作用。諧振腔分為穩(wěn)定和非穩(wěn)定兩類。光在腔內(nèi)無論反射多少次始終不離開腔體，稱為穩(wěn)定腔。非穩(wěn)腔是光在反射鏡來回反射少數(shù)幾次就離開腔體。設有一對間距為L，曲率半徑R1=R2=R的對稱共焦腔。設經(jīng)屢次反射后反射鏡面S和S′面上的場強分布分別為Es(x,y)和Es′(x′,y′)，它們具有相同形式的場分布函數(shù)，滿足條件(3-1)r稱為傳輸因子，常為復數(shù)，反響了一次單程傳播后的振幅及相位的變化。根據(jù)惠更斯波動原來，諧振腔反射鏡面S上P(x,y)點的場強Es(x,y)，是S′面各點P′(x′,y′)的子波源所發(fā)出的球面波的疊加。數(shù)學上由菲涅爾—基爾霍夫方程來表示(3-2)由于矩形的反射鏡對x，y軸是對稱的，因此可將Es(x,y)和Es′(x′,y′)分解為x，y兩個單元方程

實際激光腔中反射鏡面的場分布為稱為厄密多項式(3-3)鏡面上的光強分布，它們稱之為橫模，記為TEMmn。腔內(nèi)場分布——縱模腔內(nèi)沿z方向傳播的光場的電場分量可以寫為諧振腔鏡面上的場分布為高斯分布，鏡面為等相面。將鏡面上的場分布形式推廣到空間，假設腔內(nèi)垂直與腔軸各個平面上都有相同形式的場分布。這里我們略去理論推導，直接給出腔內(nèi)場的完整表達式(3-4)它以高斯函數(shù)形式描述光束中的場分布，所以稱為高斯光束。如果光束不是基模，那么(3-4)式變?yōu)?3-5)束腰半徑

腔內(nèi)場的分布形式

(3-6)

(3-7)

(3-8)

激光振蕩增益介質(zhì)光在傳播過程可以得到增強的介質(zhì)稱為增益介質(zhì)。當光增益介質(zhì)中傳播時，通過激活介質(zhì)獲得增益，使光得到增強。增益系數(shù)可以定義為光在傳播過程中如何獲得增益？

那么，光子的發(fā)射速率會超過吸收，于是入射光就獲得增益。這個條件稱之為粒子數(shù)反轉，因此增益介質(zhì)是有粒子數(shù)反轉的介質(zhì)。粒子數(shù)反轉是在泵浦源的作用下獲得的。泵浦源的種類有多種，最常用的，對固體與液體介質(zhì)有光激發(fā)，氣體介質(zhì)放電激發(fā)。當泵浦源無法對二能級系統(tǒng)造成粒子數(shù)反轉，需要用多能級系統(tǒng)，常用的由三能級和四能級系統(tǒng)。

三個能級上的粒子數(shù)之和(3-9)三個能級上的粒子數(shù)變化為由于總的粒子數(shù)是一定的，因此三分速率之和為零。引進泵浦率Nr為將粒子從能級0泵浦到能級2的凈速率。當粒子數(shù)到達平衡時，有下式成立(3-10)

也就是能級2對能級1的衰減必須是很慢的，而能級1上的粒子必須很快的返回到基態(tài)，使得能級1相對處于空狀態(tài)。激光的閾值需要注意的是增益介質(zhì)除了增益外還存在損耗，此外諧振腔的兩腔鏡也由損耗。

模式競爭激光諧振腔內(nèi)穩(wěn)定的光強分布用縱模來描述，也就是說，在激光諧振腔內(nèi)被放大的光強必須是諧振腔的某個縱模。

非均勻展寬增益介質(zhì)中可以實現(xiàn)多縱模振蕩。對于非均勻展寬介質(zhì)，只要縱模的間隔足夠大，增益飽和就只在該振蕩頻率附近造成一個凹陷，而整個增益曲線并不下降，因而在非均勻展寬增益介質(zhì)中可以實現(xiàn)多縱模振蕩。蘭姆凹陷氣體介質(zhì)中原子運動速率和方向是雜亂的，因此由此造成的Doppler頻移也各不相同。不同運動速度的原子對不同縱模所做的奉獻是不同的。光譜學中常用的激光器固體激光器氣體激光器燃料激光器半導體激光器光纖激光器固體激光器固體激光器是將可激活粒子摻雜到晶體或玻璃體中的一大類激光器，其介質(zhì)材料有數(shù)十種。固體激光器一般采用光激發(fā)泵浦，如閃光燈或者激光。在高強度閃光燈和振蕩激光作用下，激光棒發(fā)光很快，為了散熱以保護激光棒，一般對激光棒和閃光燈加上冷卻水套。由于介質(zhì)發(fā)熱與導熱性差等原因，固體激光器一般以脈沖方式運轉。在強泵浦光作用下，激光反轉數(shù)的上升很快，當?shù)竭_一定閾值后便可建立振蕩，稱為自由振蕩。其特點是：〔1〕會出現(xiàn)隨機的多尖峰脈沖?！?〕激光振蕩時間拉得很長。Q開關技術Q開關技術可以改善高增益介質(zhì)激光器輸出脈沖波形，提高脈沖輸出功率。Q值是描述光學諧振腔的儲能與損耗關系的參數(shù)，稱為品質(zhì)因數(shù)。

腔的Q值與腔的損耗成反比，損耗越小Q值越高。Q開關的思想：設法控制光腔在泵浦期間的損耗，使在泵浦前期腔的損耗很大，光的增益超過不了損耗，達不到激光起振的閾值；在泵浦脈沖作用下粒子數(shù)反轉數(shù)持續(xù)增長，待粒子反轉數(shù)積累到很大數(shù)量，介質(zhì)的增益足夠大時，突然減小損耗，于是光的增益將大大超過損耗，在瞬間建立起很強的激光。Q開關技術通常分為主動調(diào)Q與被動調(diào)Q兩大類，其中主動調(diào)Q是采用外界控制的調(diào)制元件控制腔的損耗參數(shù)，常用由轉鏡調(diào)Q、聲光調(diào)Q、電光調(diào)Q等；被動調(diào)Q是利用對光強由可飽和吸收材料實現(xiàn)調(diào)Q,例如染料調(diào)Q。常見的兩種固體激光器：YAG激光器，鈦寶石激光器氣體激光器氣體激光器是利用原子或分子為工作介質(zhì)的激光器，它的泵浦方式主要為氣體放電。實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的方式：大量的電子與原子或分子之間或他們之間的碰撞是激光能級間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。氣體物質(zhì)通常為低增益介質(zhì)，因此常使用凹面腔鏡的穩(wěn)定腔。氣體放電管的兩個端面一般不是垂直的平面，而是做成一定的傾角，稱為布儒斯特窗。

常見的氣體激光器包括：He-Ne激光器氬離子激光器紅外波段分子氣體激光器準分子激光器染料激光器染料激光器是以染料作為激光工作物質(zhì)的激光器。大多數(shù)是將染料溶于乙醇、苯、丙酮或水等溶劑中；也可將染料溶于塑料中，做成固溶體染料激光器，等等。染料激光器的突出優(yōu)點是可以實現(xiàn)輸出波長在一個較大的波長范圍內(nèi)調(diào)諧。染料激光介質(zhì)。激光染料是有機大分子，現(xiàn)已研制出上百種，常用的也有10~20種。染料的溶劑相當于固體工作物質(zhì)的基質(zhì)材料，不同染料所用的溶劑也不相同。激光染料介質(zhì)的光物理過程。染料的可調(diào)諧想是由它的分之結構和能及特征所決定的。染料激光器一般采用光激發(fā)泵浦，可用閃光燈或脈沖激光泵浦。泵浦方式分為縱向泵浦和橫向泵浦。超短脈沖激光鎖模技術原理利用鎖模技術可以產(chǎn)生比調(diào)Q脈沖窄的多的光脈沖，這在快速過程的光譜研究中有重要應用。鎖模也稱為相位鎖定，就是使多縱模激光器各自獨立振蕩的縱模在時間上有序化。腔內(nèi)任意點上由多模振蕩產(chǎn)生的總光場E為

如果使N個縱模間存在相位相關性，如各個縱模以固定的相位等間隔的分布

由上式瞬時光強表示為

對其進行展開得

鎖模激光器染料同步泵浦鎖模激光器鈦藍寶石自鎖模激光器光源的非線性光學擴展耦合波方程現(xiàn)在已有眾多的激光譜線可供各種光譜技術使用，但是光譜學所要求的光源要能覆蓋從遠紅外到真空紫外的整個光譜區(qū)，現(xiàn)有的激光譜線仍不能滿足這樣的要求。在尋求高亮度的相干光源中，人們發(fā)現(xiàn)利用一些特殊的非線性介質(zhì)可以有效地擴展光譜范圍。當光波通過介質(zhì)時會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。在光的強度不是很強時，介質(zhì)的極化強度P是與電場強度E成正比的，這是線性極化根據(jù)麥克斯韋方程，可得強光在非線性介質(zhì)中傳播方程然而在強光下，電場強度E的高次方將起作用，呈現(xiàn)非線性極化。麥克斯韋〔1831?1879〕

假設只考慮到二階非線性極化效應時說明三個平面波在非線性介質(zhì)中傳播時的相互轉換關系，稱為耦合波方程。光學倍頻、混頻與參量振蕩等各種非線性光學現(xiàn)象都可以利用這個方程組來解釋。倍頻技術

用折射率表示為

相位匹配條件要求二次諧波場的傳播速度與基波場的傳播速度相等。對一般介質(zhì)這種情況是不能滿足的。大多數(shù)非線性晶體中存在雙折射現(xiàn)象，進入晶體的光分成兩束，一束按原來方向傳播，稱為尋常光〔o光〕，另一束光會偏轉一個角度，稱為非尋常光〔e光〕。非尋常光：非尋常光的折射率與傳播方向有關〔各向異性〕，對于各向異性的折射率