第4章 激光的基本技術(shù)

第4章 激光的基本技術(shù)(1),4.1 激光器輸出的選模4.2 激光器的穩(wěn)頻,4.3 激光束的變換4.4 激光調(diào)制技術(shù),4.3.1薄透鏡對(duì)球面波的曲率變換作用,幾何光學(xué)中透鏡起成像的作用，其成象公式描述了物象關(guān)系物理光學(xué)則把透鏡的作用看成是使光波得到變換，把如圖所示的發(fā)散球面波變成會(huì)聚球面波。若將發(fā)散球面波的曲率半徑記做正R，會(huì)聚球面波的曲率半徑為負(fù)R，透鏡的作用可記做： 透鏡的作用就是改變光波波陣面的曲率半徑。在傅里葉光學(xué)中透鏡的作用則是提供附加位相因子從不同角度對(duì)透鏡的物理作用有不同的解釋其實(shí)質(zhì)是一樣的。,圖4-15 球面波通過(guò)薄透鏡的變換,高斯光束通過(guò)薄透鏡時(shí)的變換,透鏡的變換應(yīng)用到高斯光束上，如下圖所示，有以下關(guān)系 薄透鏡假設(shè)：透鏡足夠薄至使入射高度和出射高度不變,入射光束在鏡面處的波陣面半徑 和有效截面半徑分別用上頁(yè)的公式計(jì)算出出射光束的波陣面半徑和有效截面半徑利用出射光束在鏡面處的波陣面半徑和有效截面半徑計(jì)算出其束腰半徑和束腰位置,圖4-17 短焦距透鏡的聚焦,4.3.2 高斯光束的聚焦,短焦距：即在滿足條件 和 的情況下，出射的光束聚焦于透鏡的焦點(diǎn)附近。如圖4-17所示，這與幾何光學(xué)中的平行光通過(guò)透鏡聚焦在焦點(diǎn)上的情況類似。,圖4-17 短焦距透鏡的聚焦,1. 高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的聚焦情形,由前面的結(jié)論可得聚焦點(diǎn)光斑尺寸：,1.高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的聚焦情形,即縮短 和加大 都可以縮小聚焦點(diǎn)光斑尺寸的目的。前一種方法就是要采用焦距小的透鏡 后一種方法又有兩種途徑：一種是通過(guò)加大s來(lái)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,1.高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的聚焦情形,這與幾何光學(xué)中物、象的尺寸比例關(guān)系是一致的。通過(guò)以上的討論我們看到，不論是聚焦點(diǎn)的位置，還是求會(huì)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(lái)處理。,2.入射高斯光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的情形,(1)(2)同理有：,(3) 根據(jù)高斯光束的漸變性可以設(shè)想，只要 和 相差不大，高斯光束的聚焦特性會(huì)與幾何光學(xué)的規(guī)律迥然不同。,圖(4-20) 倒裝望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散角,4.3.3 高斯光束的準(zhǔn)直,高斯光束的準(zhǔn)直：改善光束的方向性，壓縮光束的發(fā)散角。 可以看出，增大出射光束的腰粗就可以縮小光束的發(fā)散角。選用兩個(gè)透鏡，短焦距的凸透鏡和焦距較長(zhǎng)的凸透鏡可以達(dá)到準(zhǔn)直的目的。,M是高斯光束通過(guò)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(duì)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 1,4.1 激光器輸出的選模,4.1.1 激光單縱模的選取,均勻增寬型譜線的縱模競(jìng)爭(zhēng)(1) 當(dāng)強(qiáng)度很大的光通過(guò)均勻增益型介質(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，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(zhǎng)，最后變?yōu)榍€3的情形。(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“縱模的競(jìng)爭(zhēng)”，競(jìng)爭(zhēng)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(lái)。(4)在均勻增寬的穩(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)，這種現(xiàn)象稱為模的“空間競(jìng)爭(zhēng)”。,圖4-1 均勻增寬型譜線縱模競(jìng)爭(zhēng),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。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(zhǎng)，使 的寬度大于增益曲線閾值以上所對(duì)應(yīng)的寬度缺點(diǎn)：腔長(zhǎng)受到限制，從而限制輸出功率；當(dāng)譜線熒光寬度很寬時(shí)，勢(shì)必使腔長(zhǎng)縮到很短。(2) 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法。 (3) 三反射鏡法。,用法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具選縱模,在激光器的諧振腔內(nèi)幾乎垂直于腔軸地插入一個(gè)法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具，可以進(jìn)行縱模的選取法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具用透射率很高地材料制成，兩個(gè)端面平行且鍍有高反射率反射膜。由于多光束干涉的結(jié)果，只允許若干個(gè)很窄的頻率帶寬的光通過(guò)，其透過(guò)光的頻率為獲得最大透射率的兩相鄰 頻率間隔適當(dāng)?shù)恼{(diào)整 角，就可以達(dá)到選頻的目的,圖(4-2) 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法示意圖,三反射鏡法選縱模,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相當(dāng)于兩個(gè)諧振腔的耦合，一個(gè)是由M1、M3組成，其腔長(zhǎng)為L(zhǎng)1+L2；另一個(gè)由M3、M4組成，其腔長(zhǎng)為L(zhǎng)2+L3，兩個(gè)諧振腔的縱模頻率間隔分別為： c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)只有同時(shí)滿足兩個(gè)諧振條件的光才能形成振蕩，故只要L2+L3足夠小就可以獲得單縱模輸出,圖4-3 三反射鏡法,圖4-4 腔的衍射損耗,4.1.2 激光單橫模的選取,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4-4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(3) 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(4) 分析衍射損耗時(shí)為了方便，經(jīng)常引入一個(gè)所謂“菲涅爾數(shù)”的參量，它定義為,衍射損耗曲線,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圖示為圓截面共焦腔和圓截面平行平面腔的 曲線,圖4-5 不同腔的衍射損耗曲線,高階橫模的抑制,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。下面介紹兩種常用的抑制高階橫模的方法。光闌法選取單橫模：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(jiǎn)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）。聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模。,聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模,聚焦光闌法：如圖4-6所示，在腔內(nèi)插入一組透鏡組，使光束在腔內(nèi)傳播時(shí)盡量經(jīng)歷較大的空間，以提高輸出功率。腔內(nèi)加望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的選橫模方法，其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。,圖4-6 聚焦光闌法,圖4-7 腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法,4.2 激光器的穩(wěn)頻,4.2.1頻率的穩(wěn)定性,穩(wěn)定度：指激光器在一次連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的頻率漂移與振蕩頻率之比復(fù)現(xiàn)性：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(duì)變化量對(duì)共焦腔的TEM00模來(lái)說(shuō)，諧振頻率的公式可以簡(jiǎn)化為：當(dāng)L的變化為L(zhǎng)，的變化為時(shí)，引起的頻率相對(duì)變化為：一般希望穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)度都在10-8以上。目前穩(wěn)定度一般在10-9左右，較高的可達(dá)10-1110-13；復(fù)現(xiàn)度一般在10-7左右，高的可達(dá)10-1010-12。,影響頻率穩(wěn)定的因素,腔長(zhǎng)變化的影響溫度變化：一般選用熱膨脹系數(shù)小的材料做為諧振腔機(jī)械振動(dòng)：采取減震措施折射率變化的影響內(nèi)腔激光器: 溫度T、氣壓P、濕度h的變化很小，可以忽略外腔和半內(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 穩(wěn)頻方法概述,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(zhǎng)度配合，以便熱膨脹互相抵消，這種辦法一般用于工程上穩(wěn)頻精度要求不高的情況主動(dòng)式穩(wěn)頻： 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(hào)。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。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合。如飽和吸收法。,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(jiǎng)得主小W.E.蘭姆教授正在耶魯大學(xué)對(duì)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(chǎng)作用下振蕩的經(jīng)典模型，計(jì)算激光強(qiáng)度隨空腔參數(shù)改變的關(guān)系。他原來(lái)預(yù)計(jì)，空腔原子有一定的自然躍遷頻率，當(dāng)空腔頻率與原子躍遷頻率一致時(shí)，會(huì)因?yàn)橹C振而使激光強(qiáng)度達(dá)最高值?？墒浅龊跛囊饬?，計(jì)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(shí)間反復(fù)核算，沒有找出錯(cuò)誤，肯定計(jì)算是正確的。當(dāng)時(shí)，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(yīng)的后果（不久就清楚了），但是他敏感地預(yù)見到，這一凹陷有助于頻率的穩(wěn)定，因?yàn)樗诶碚撚?jì)算中參考了二十年代電子學(xué)家范德泡爾（van der Pol）關(guān)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(yù)測(cè)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(wàn)和本勒特（Bennett），請(qǐng)他們發(fā)表意見。賈萬(wàn)回信說(shuō)，他雖然沒有觀察到這個(gè)現(xiàn)象，但相信會(huì)有，因?yàn)樗^察到與之有關(guān)的推頻效應(yīng)。本勒特則把自己的實(shí)驗(yàn)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(hào)，表示對(duì)此沒有信心。他所在的貝爾實(shí)驗(yàn)室有一位同事叫R.A.麥克發(fā)倫（R.A.McFarlane），得知后對(duì)這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了興趣，主動(dòng)承擔(dān)起實(shí)驗(yàn)研究的工作。他用磁致伸縮方法使氦氖激光器的光學(xué)腔改變長(zhǎng)度，從而調(diào)整諧振頻率，開始時(shí)，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(duì)稱，似乎是兩種頻率疊加而成的。他意識(shí)到這可能是氖的同位素效應(yīng)，于是在賈萬(wàn)的幫助下，做了22Ne（純度達(dá)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(hào)。功率加大后，凹陷隨之變深，形成明顯的鴕峰曲線。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(shí)驗(yàn)結(jié)果，正式宣布蘭姆凹陷的存在。與此同時(shí)，賈萬(wàn)也發(fā)表了類似報(bào)告。從此，單模穩(wěn)頻氦氖激光器登上了精密計(jì)量工作的舞臺(tái)，在長(zhǎng)度和頻率的計(jì)量中發(fā)揮了重要作用，并且開辟了激光穩(wěn)頻的廣闊領(lǐng)域。,4.2.3 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻,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(huì)引起輸出功率的顯著變化。,圖4-8 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻激光器的基本結(jié)構(gòu),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(hào)，此訊號(hào)稱為“搜索訊號(hào)”,蘭姆凹陷法穩(wěn)頻,圖4-10為穩(wěn)頻原理示意圖。,圖4-10 穩(wěn)頻原理,假如由于某種原因(例如溫度升高)使L伸長(zhǎng)，引起激光頻率由 偏至 ， 與 的位相正好相反,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,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4-9 蘭姆凹陷法穩(wěn)頻方框圖,圖(4-11) 不同同位素對(duì)蘭姆凹陷的影響,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 飽和吸收法穩(wěn)頻,飽和吸收法穩(wěn)頻的示意裝置如圖4-12所示。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 由于吸收管內(nèi)的壓強(qiáng)很低，碰撞增寬很