激光原理wsgPPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 激光原理激光原理wsg 第1頁/共40頁 激光技術(shù)：改善和提高激光輸出性能的各種技術(shù) 1、改善激光器輸出光的時間相干性或空間相干性： 模式選擇、穩(wěn)頻、注入鎖定技術(shù) 2、獲得窄脈沖高峰值功率的激光束： Q調(diào)制、鎖模技術(shù)、注入鎖定技術(shù) 第2頁/共40頁 第3頁/共40頁 橫模：在諧振腔的橫截面內(nèi)激光光場的分布。 基模（ ）光強分布圖案呈圓形，分布范圍小， 00 TEM 光束發(fā)散角最小，功率密度最大，亮度最高。 縱模：沿諧振腔軸線方向的激光光場分布。 單頻激光單色性、相干性最好。 第4頁/共40頁 （一）橫模選擇原理 橫模選擇的物理基礎(chǔ)：諧振腔對不同階橫模有不同衍射損耗。 初始光強為 的某

2、個橫模的光在諧振腔內(nèi)往返一周，其平均單程 光強變?yōu)椋?0 I 01 2 (1) o g l II err 閾值條件： 01 2 (1)1 o g l IIerr 即： 第5頁/共40頁 （一）橫模選擇原理 00 TEM 模： 00 1 200 (1)1 o gl err 激光器以 模單模運轉(zhuǎn) 00 TEM 模： 10 TEM 1)1 ( 1021 0 10 rre lg 第6頁/共40頁 （一）橫模選擇原理 與橫模階數(shù)無關(guān)的損耗：（非選擇損耗） 腔鏡透射率，腔內(nèi)元件吸收、散射損耗等 與橫模階數(shù)相關(guān)的損耗：（選擇損耗） 衍射損耗 決定橫模鑒別能力的因素： 1000 、 d 第7頁/共40頁 10

3、00 隨 增加而變大； N d 隨 增加而減小。 N 第8頁/共40頁 （二）橫模選擇的方法 （1）改變諧振腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù) （2）在一定諧振腔內(nèi)插入附加選模元件 適當(dāng)選擇諧振腔的類型以及腔參數(shù) 值，使諧振腔的衍 射損耗滿足選模條件，從而使激光器輸出基橫模激光束。 gN、 1、諧振腔參數(shù) 選擇法：gN、 第9頁/共40頁 （二）橫模選擇的方法 2、小孔光闌法： （1）使光斑尺寸較小的基 模無阻擋地通過小孔光闌 ，光斑尺寸較大的高階模 受到阻攔而遭受較大的損 耗。 12 00 2 0 ( )1 z rz 第10頁/共40頁 （二）橫模選擇的方法 2、小孔光闌法： （2）腔內(nèi)插入透鏡，光闌放在透鏡焦

4、點上。聚焦光闌法 沿軸向的平行光束 ，聚焦后可通過小 孔往返振蕩； 其他方向光束，聚 焦后被小孔阻截。 第11頁/共40頁 （二）橫模選擇的方法 3、微調(diào)諧振腔（傾斜腔鏡法） 方法：調(diào)整諧振腔的一塊反射鏡使其與軸線偏離。 原理：各種模式的衍射損耗都相應(yīng)增加，高階模損耗增加 更大，以致不能產(chǎn)生激光振蕩；基模損耗較小，仍 可產(chǎn)生激光振蕩。 第12頁/共40頁 （一）縱模選擇原理 不同縱模具有相同損耗，但因頻率差異而具有不同的小 信號增益系數(shù)。 利用不同縱模間的增益差異，在腔內(nèi)引入一定選擇性損耗。 第13頁/共40頁 （二）縱模選擇方法 1、短腔法（縮短腔的長度）： 相鄰縱模間頻率差： 減小 L q

5、 增大 熒光譜線振蕩寬度內(nèi)只有一個 縱模，從而實現(xiàn)單縱模振蕩。 L c qqq 2 1 第14頁/共40頁 （二）縱模選擇方法 3、行波腔法： 采用環(huán)形腔，腔內(nèi)插入一個只允 許光單向通過的隔離器，形成無 空間燒孔的行波腔。隨著自選模 過程，最終只有靠近中心頻率的 一個縱模形成穩(wěn)定振蕩。 2、色散腔法： 第15頁/共40頁 （二）縱模選擇方法 4、選擇性損耗法： 腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具或構(gòu)成組合腔，由于多光束干涉效應(yīng)， 諧振腔具有與頻率有關(guān)的選擇性損耗。 （1）法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法： 由于多光束干涉，只有某些 特定頻率的光能透過標(biāo)準(zhǔn)具 在腔內(nèi)往返傳播，其他頻率 的光不能透過標(biāo)準(zhǔn)具。 第16頁/共40頁 （

6、二）縱模選擇方法 4、選擇性損耗法： （1）法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法： 標(biāo)準(zhǔn)具透射峰對應(yīng)的頻率： 2cos j c j d jq josc 單縱模輸出 第17頁/共40頁 （二）縱模選擇方法 4、選擇性損耗法： （2）復(fù)合腔選縱模： 用一個反射干涉系統(tǒng)代替腔的一個端面反射鏡， 則其組合反射率是頻率的函數(shù)。 FoxSmith 型復(fù)合腔 第18頁/共40頁 （二）縱模選擇方法 4、選擇性損耗法： （2）復(fù)合腔選縱模： 諧振條件： 12 :MM 32 :MMM 兩個諧振腔 12qq )(2 2 1 lL c q q )(2 21 2 ll c q q 第19頁/共40頁 第20頁/共40頁 相互之間的頻率

7、偏差 在振蕩頻率 中所占比例 ： 同樣設(shè)計，同樣方法制成的激光器在同樣條件下使用時， 穩(wěn)定性： 復(fù)現(xiàn)性： 激光器連續(xù)工作期間其頻率改變量 在振蕩頻率 中所占比例： 第21頁/共40頁 4.2.1 影響頻率穩(wěn)定的因素 對共焦腔的TEM00模來說，諧振頻率的公式可以簡化為： L c q 2 環(huán)境溫度的起伏、激光管的發(fā)熱及機(jī)械振動都會引起諧振 腔幾何長度的改變。溫度的變化、介質(zhì)中反轉(zhuǎn)集居數(shù)的起伏以 及大氣的氣壓、濕度變化都會影響激光工作物質(zhì)及諧振腔裸露 于大氣部分的折射率。以上因素使腔長L及折射率市都在一定 范圍內(nèi)變化,當(dāng)L的變化為L，的變化為時，引起的頻率相 對變化為： )( L L 一個管壁材料

8、為硬玻璃的內(nèi)腔式氦氖激光器,當(dāng)溫度漂移 1時,由于腔長變化引起的頻率漂移已超出增益曲線范圍。 腔長變化、折射率變化都是影響頻率穩(wěn)定的因素 第22頁/共40頁 1.溫度變化的影響 環(huán)境溫度的起伏或者是激光管工作時發(fā)熱，都會使腔材料隨 著溫度的改變而伸縮，以致引起頻率的漂移，即 式中，T為溫度的變化量；為諧振腔間隔材料的線膨脹系數(shù)， 硬質(zhì)玻璃=10-5/0C，石英玻璃=610-7/0C，殷鋼=910-7/0C 。一般難以獲得優(yōu)于10-8的頻率穩(wěn)定度。 L L T 2.大氣變化的影響 對于外腔式激光器，設(shè)諧振腔長為L，放電管長度為L0，則 暴露在大氣中部分的相對長度為(L- L0)/L，大氣的溫度、

9、氣壓、 濕度的變化都會引起大氣折射率的變化，從而導(dǎo)致激光振蕩頻率 的變動。設(shè)環(huán)境溫度T=200C，氣壓p=1.013105Pa，濕度 H=1.133kPa,則大氣對633nm波長光的折射率變化系數(shù)分別為 第23頁/共40頁 Pa Pap C dH d H dp d dT d T /108)( /105)( /103 . 9)( 6 1 5 1 07 1 hPa hPa C dt dH dt dp dt dT /6 .656 ,/3 .133 min,/01. 0 0 又設(shè)測量中溫度、氣壓及濕度的時間變化率分別為 第24頁/共40頁 則引起激光波長的變動分別為 9)( 9)( 9)( 108 .

10、4 106 103 .9 dt dH H H dt dp p p dt dT T T 式中，為測量時間，對示波器=35s，對XY記錄1min。 第25頁/共40頁 機(jī)械振動也是導(dǎo)致光腔諧振頻率變化的重要因素。如建筑 物的振動、車輛的通行、聲響等都會引起腔的支架振動, 使腔的 光學(xué)長度改變, 導(dǎo)致振蕩頻率的漂移； 3.機(jī)械振動的影響 對于L=100cm的光腔，當(dāng)機(jī)械振動引起10-6cm的腔長改變時，頻 率將有110-8的變化。因此，要克服機(jī)械振動的影響，穩(wěn)頻激光 器必須采取良好的防震措施。 第26頁/共40頁 為了減小溫度影響，激光諧振腔間隔器多采用殷鋼材料制 成，但殷鋼的磁致伸縮性質(zhì)可能引起腔

11、長的變化，如1.15m波 長的He-Ne激光器，僅由于地磁場效應(yīng)可以產(chǎn)生140kHz的頻移 。因而地磁場效應(yīng)和周圍電子儀器的散磁場對于高穩(wěn)定激光器影 響必須加以考慮。 4.磁場的影響 綜上所述，環(huán)境溫度的變化、機(jī)械振動等外界干擾對激光 頻率穩(wěn)定性影響很大，因而自然聯(lián)想到，最直接的穩(wěn)頻辦法就是 恒溫、防震、密封隔聲、穩(wěn)定電源等。 第27頁/共40頁 圖 單頻CO2激光器防震、恒溫裝置 1.激光器 2.減震器 3.石英玻璃管 4.鉛筒(外繞加熱絲 ) 圖所示的是一臺CO2激光器的防震、恒溫裝置。它采用了恒溫 措施，溫度可恒定在350.030C。為了防震，在所有部件之間都 置有海綿墊，并將整個裝置放

12、在堅固穩(wěn)定的防震臺上；還采用了 穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。 第28頁/共40頁 實驗證明，采用恒溫度、防震裝置后, CO2激光器的長期頻 率穩(wěn)定度可達(dá)到10-7量級。但要提高到量級10-8以上，單靠這種 被動式穩(wěn)頻方法就很難達(dá)到了，必須采用 伺服 （隨動，servo) 控制系統(tǒng)對激光器進(jìn)行自動控制穩(wěn)頻，即主動穩(wěn)頻的方法。 第29頁/共40頁 L c q L c q q 22 腔長 ： L環(huán)境溫度起伏，激光管發(fā)熱，機(jī)械振動 環(huán)境溫度變化，大氣氣壓、濕度變化折射率 ： 頻率漂移量： )( L L q 激光頻率的穩(wěn)定問題，歸結(jié)為保持腔長和折射率穩(wěn)定的問題。 第30頁/共40頁 主動穩(wěn)頻技術(shù)：選取一個穩(wěn)定的參考標(biāo)

13、準(zhǔn)頻率，當(dāng)外界影響使 激光頻率偏離此特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率時，鑒別器產(chǎn) 生一個正比于偏離量的誤差信號，此誤差信號 經(jīng)放大后又通過反饋系統(tǒng)回來調(diào)節(jié)腔長，使激 光頻率回到標(biāo)準(zhǔn)的參考頻率上，實現(xiàn)穩(wěn)頻。 把原子譜線的中心頻率作為標(biāo)準(zhǔn)頻率： 利用外界參考頻率作為標(biāo)準(zhǔn)頻率： 蘭姆凹陷法、塞曼效應(yīng)法 飽和吸收穩(wěn)頻法 第31頁/共40頁 被動穩(wěn)頻技術(shù)： 利用熱膨脹系數(shù)低的材料制作諧振腔的間隔器 或?qū)崤蛎浵禂?shù)為負(fù)值的材料與熱膨脹系數(shù)為 正值的材料按照一定的長度配合，以使熱膨脹 相互抵消，實現(xiàn)穩(wěn)頻。 第32頁/共40頁 （一）蘭姆凹陷穩(wěn)頻 附近頻率的微小變化會引起輸出功率顯著變化 0 第33頁/共40頁 壓電陶瓷可根據(jù)加在其 上的電壓作線性伸縮， 即通過加在陶瓷上的電 壓來控制腔長。 第34頁/共40頁 （二）塞曼穩(wěn)頻 塞曼效應(yīng) ： 一個發(fā)光的原子系統(tǒng)置于磁場中時，其原 子譜線在磁場作用下會發(fā)生分裂。 左旋圓偏振光： 0 右旋圓偏振光： 0 第35頁/共40頁 采用縱向磁場，利用 壓電陶瓷控制腔長 0 : q 左旋光光強 右旋光光強 0 : q 左旋光光強 右旋光光強 測出二圓