激光測量技術(shù)-第一章激光原理與技術(shù)

1、2006年3月6日星期一第一章 激光原理與技術(shù) 本章主要內(nèi)容:輻射理論概要（重點(diǎn)）激光產(chǎn)生的條件:泵浦、增益介質(zhì)、諧振腔、閥值條件（重點(diǎn)）結(jié)構(gòu)及分類物理性質(zhì)（重點(diǎn)）高斯光束（重點(diǎn)）穩(wěn)頻技術(shù)調(diào)制技術(shù)（重點(diǎn)）半導(dǎo)體激光器2006年3月6日星期一第一節(jié) 輻射理論概要一、光量子學(xué)說及波粒二象性 量子說量子說波動(dòng)說波動(dòng)說電磁說電磁說微粒說微粒說幾何光學(xué)幾何光學(xué)波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)電磁理論電磁理論 量子理論量子理論2006年3月6日星期一一、光量子學(xué)說及波粒二象性光具有反/折射、衍射、干涉、光電效應(yīng) 牛頓：粒子說 折/反射現(xiàn)象 Yang：波動(dòng)說衍射、干涉 波粒二象性解釋不了光電效應(yīng)： a、金屬有確定頻率V0，

2、當(dāng)光VV0釋放電子 b、 當(dāng)VV0，電子動(dòng)能與強(qiáng)度無關(guān)，與頻率有關(guān) c、當(dāng)VV0， 無論光強(qiáng)如何， 滯后時(shí)間小于10-8秒ab2006年3月6日星期一一、光量子學(xué)說及波粒二象性光量子學(xué)說Einstein普朗克量子假說（黑體吸收現(xiàn)象） 1905年Einstein光量子學(xué)說 光的能量是不連續(xù)的，光由一粒粒的光子組成，每個(gè)光子的具有確定的能量。只能作為一個(gè)整體被吸收或產(chǎn)生。Amh 221 h h346.62610hJs2006年3月6日星期一一、光量子學(xué)說及波粒二象性根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程: E=MC2 E=hv 光子能量：光子能量：光子動(dòng)量：光子動(dòng)量：光子質(zhì)量：光子質(zhì)量： 2hmchvhmccp

3、p22chcm 2006年3月6日星期一一、光量子學(xué)說及波粒二象性思考題: 1. 光能否作為火箭動(dòng)力? 2. 光在傳播過程中是否受重力影響? 3. 光照射到物體上,是否有壓力？太陽帆的原理是什么？2006年3月6日星期一二、原子能級、簡并度及波爾茲曼分布1、原子能級、原子能級 玻爾理論:電子非任意軌道,且是一定半徑或能級的軌道 定態(tài):處在一定軌道上的電子 基態(tài):能量最低的定態(tài) 激發(fā)態(tài):除基態(tài)以外的其他定態(tài) 2006年3月6日星期一1、原子能級、原子能級電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化要吸收或者釋放能量: hv=E2-E1 定態(tài)限制:即電子的軌道運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)員P必須等于h/2的整數(shù)倍: P=nh/2 玻爾量化條

4、件 n為整數(shù) 主量子數(shù)2006年3月6日星期一2.簡并度、簡并能級表表 13-1 角動(dòng)量狀態(tài)角動(dòng)量狀態(tài)主量子數(shù)主量子數(shù) (n) 1 2 3 4 5 6 7符號符號 K L M N O P Q 角動(dòng)量角動(dòng)量 l (n-1) 0 1 2 3 4符符 號號 s p d f g簡并度簡并度 g = 2l+1 1 3 5 7 92006年3月6日星期一2.簡并度、簡并能級從圖上看出：1、電子運(yùn)行的狀態(tài)不同，其能量相同。2、能量相同的能級對應(yīng)不同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。簡并度簡并度：同一能級對應(yīng)的不同的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的 數(shù)目簡并能級簡并能級：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，這樣的能級叫簡并能級

5、2006年3月6日星期一3、玻爾茲曼分布 為Ei能級的簡并度, K為常數(shù),T為絕對溫度當(dāng)EmEn能級對應(yīng)的粒子數(shù)目： 結(jié)論: 高能級的粒子數(shù)目少于第能級 的粒子數(shù)目 P2, T0 錯(cuò)誤iEKTiiNg eig/1mnEENgmmKTNgnne231.3810kKJ2006年3月6日星期一三、光與物質(zhì)的相互作用作用種類:自發(fā)輻射 1. 特點(diǎn): 輻射光沒有固定頻率、相位i、偏振方向 和傳播方向2E1E發(fā)光前發(fā)光前發(fā)光后發(fā)光后12EEh2006年3月6日星期一三、光與物質(zhì)的相互作用2、受激吸收 2E1E吸收前吸收前h吸收后吸收后2006年3月6日星期一三、光與物質(zhì)的相互作用3.受激輻射特點(diǎn): 相同的

6、頻率、相位、偏振方向和傳播方向 2E1Ehhh發(fā)光前發(fā)光前發(fā)光后發(fā)光后2006年3月6日星期一三、光與物質(zhì)的相互作用光場能量粒子能量自發(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2006年3月6日星期一第二節(jié) 激光產(chǎn)生的原理及條件一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過程1.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布由受激輻射知：可以產(chǎn)生高相干光由受激輻射知：可以產(chǎn)生高相干光由玻爾茲曼分布知由玻爾茲曼分布知N2N1g2/g1，即粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)，即粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)是介質(zhì)對光放大作用的條件及產(chǎn)生是介質(zhì)對光放大作用的條件及產(chǎn)生 激光的前提激光的前提受激吸收受激吸收h2E1E受激輻射受激輻射hh

7、h2006年3月6日星期一一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過程2、泵浦、泵浦(抽運(yùn)抽運(yùn)) 定義：使兩個(gè)能級實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過程受激輻射受激輻射2E1Ehhh3E泵泵浦浦自發(fā)輻射自發(fā)輻射或其他釋或其他釋放能量方放能量方式式2006年3月6日星期一2、泵浦、泵浦泵浦分類：光泵浦電泵浦化學(xué)泵浦 熱泵浦2006年3月6日星期一二、光放大1、增益介質(zhì) 能量波與物質(zhì)的相互作用： 1、物理、化學(xué)作用、物理、化學(xué)作用 2、反射、散射、反射、散射 3、受激吸收、受激吸收 4、自發(fā)輻射、自發(fā)輻射 增益介質(zhì)：增益介質(zhì)： 易于通過泵浦實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，光在此介質(zhì)中受激輻射易于通過泵浦實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，光在此介質(zhì)中受激輻射

8、大于受激吸收、自發(fā)輻射、各種損耗，對光有放大作用大于受激吸收、自發(fā)輻射、各種損耗，對光有放大作用損耗損耗 應(yīng)當(dāng)減弱應(yīng)當(dāng)減弱, ,利于放大利于放大泵浦泵浦 容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)雜散光，影響單色性、相干性雜散光，影響單色性、相干性2006年3月6日星期一2、受激放大增益介質(zhì)對光的放大作用：0( )GZI ZI e結(jié)論: 不考慮損耗的情況下, G越大,Z越大,對光的放大作用越好, 但是G,Z有限,也可能形成不了激光G為增益介質(zhì)的增益系數(shù),G0,Z為增益介質(zhì)的長度,I0為入射光強(qiáng)2006年3月6日星期一三、諧振腔由 知， Z越大， 光越強(qiáng)， 為減小體積，提高Z的大小，常常采用以下結(jié)構(gòu):

9、目的: 1. 光往返,增加Z的大小,利于光放大 2. 腔體對光的頻率、相位、傳播方向和偏振方向有選擇作用.0( )GZI ZI e2006年3月6日星期一四、激光產(chǎn)生的條件條件： 三要素加一閥值條件 三要素: 1. 泵浦 2. 增益介質(zhì) 3. 諧振腔 閥值條件: 光在諧振腔來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.2006年3月6日星期一 五、結(jié)構(gòu)形式通用結(jié)構(gòu)以He-Ne激光器為例：激光激光增益介質(zhì)增益介質(zhì)諧振腔諧振腔泵浦源泵浦源全全反反鏡鏡部分反部分透射鏡部分反部分透射鏡2006年3月6日星期一五、結(jié)構(gòu)形式He-Ne激光器的三種結(jié)構(gòu)：外腔式半內(nèi)腔式A. 內(nèi)腔式2006年3

10、月6日星期一六、激光器的分類及特點(diǎn)固體激光器工作物質(zhì)工作物質(zhì)主要是摻雜晶體和摻雜主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是紅寶石玻璃，最常用的是紅寶石(摻鉻摻鉻)Al2O3、釹玻璃、釹玻璃(摻釹摻釹)、釔鋁石榴石釔鋁石榴石(摻釹摻釹)YAG。激勵(lì)方式激勵(lì)方式:光激勵(lì)光激勵(lì)(簡稱光泵簡稱光泵)特點(diǎn)特點(diǎn): 輸出功率大可達(dá)輸出功率大可達(dá)1000W以以 上上, YAG最好最好,可連續(xù)運(yùn)行可連續(xù)運(yùn)行 多模輸出多模輸出 常用于機(jī)械加工常用于機(jī)械加工1是脈沖氙燈；2是紅寶石棒，3是橢圓柱形聚光器，4是全反射鏡，5是部分反射鏡2006年3月6日星期一2. 氣體激光器常見: CO2,He-Ne, Ar+激光器特點(diǎn):

11、種類多，波長分布區(qū)域?qū)拺?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)簡小，造價(jià)低，轉(zhuǎn)換效率高CO2, 常用于機(jī)械加工 He-Ne 測量、計(jì)量 Ar+ 化學(xué)分析，全息攝影， 激光照排，水下通訊 2006年3月6日星期一3半導(dǎo)體激光器特點(diǎn): 超小型，質(zhì)量輕，成本低，批量生產(chǎn) 能量轉(zhuǎn)換效率高(30)，波長范圍廣(0530 74m)，壽命長(百萬小時(shí))，功率小(一般在100mw)，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G赫茲應(yīng)用: 通信光源、測距、激光光盤、唱片、 印刷術(shù)、辦公自動(dòng)化、泵浦源2006年3月6日星期一 4液體激光器常見有機(jī)染料激光器特點(diǎn)： 輸出的激光

12、波長在很大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)(0.34-1.2um)應(yīng)用: 在光化學(xué)、光生物學(xué)、激光醫(yī)學(xué)等方面2006年3月6日星期一5.化學(xué)激光器常有HF、碘原子激光器等特點(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應(yīng)用: 適合于無電源的野外作業(yè)氧碘化學(xué)激光器氧碘化學(xué)激光器2006年3月6日星期一6. 其他激光器有x射線、薄膜、光纖激光器2006年3月6日星期一第三節(jié) 激光的基本物理性質(zhì)本節(jié)主要內(nèi)容: 一、方向性二、高亮度三、單色性四、相干性： 空間相干性空間相干性 時(shí)間相干性時(shí)間相干性五、橫、縱模2006年3月6日星期一一、方向性光的

13、方向性定義參數(shù)： 1.發(fā)散角 光源發(fā)出的所有光線中兩光線之間的夾角的最大夾角, 一般表示 單位Rad書中用度表示,錯(cuò)誤222006年3月6日星期一2.空間立體角 以立體角頂點(diǎn)為球心，作一半徑為R 的球面。用此立體角的邊界在球面上所截的面積ds 除以半徑平方標(biāo)志立體角的大小，即（以d表示立體角，R為半徑）2SR單位：球面度（Sr）2006年3月6日星期一激光的方向性一般發(fā)散角10-6rad, 出口直徑1mm的激光在1km處的直徑為10cm常見光源發(fā)散角:日光燈: 2氣體激光: 10-3-10-6固體激光: 10-2半導(dǎo)體激光: 5-10 x10-22006年3月6日星期一激光的方向性2006年3

14、月6日星期一二、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同內(nèi)輻射的能量EBst 單位: W/cm2.Sr2006年3月6日星期一二、高亮度 太陽光的亮度約為1.03W/cm2Sr 普通的1mW氦氖激光1.05W/cm2Sr 大功率脈沖激光1014 1017W/cm2Sr 飛秒激光可達(dá)1020W/cm2Sr 是太陽的1011倍以上激光是最亮的光激光是最亮的光請勿對準(zhǔn)眼睛請勿對準(zhǔn)眼睛2006年3月6日星期一三、單色性單色性是指光強(qiáng)按頻率(波長)的分布狀況。激光的頻率受以下條件影響： 腔長變化 泵浦 溫度 震動(dòng) 能級分裂激光單色性的好壞可以用頻譜分布的寬度= 2-

15、1(線寬)描述。PmaxPmax1/2Pmax1/2Pmax2006年3月6日星期一三、單色性由 知 , 線寬也對應(yīng)著一定波長寬度 工程上一般也用 或 來度量線寬的大小.12C單色光源是氪（Kr86）燈，中心波長為605.7 nm，中心頻率為4.95108 MHz，其譜線寬度為3.8102 MHz，即4.7104 nm/為為7.9610-7 一般He-Ne激光/為10-11 中心波長6328埃 穩(wěn)頻后可達(dá) 10-13 中心波長3392.23139埃2006年3月6日星期一三、單色性 單模穩(wěn)頻氣體激光器的單色性最好，一般可達(dá)106一103Hz 采用嚴(yán)格的甲烷吸收穩(wěn)頻或碘吸收穩(wěn)頻的HeNe激光器輸

16、出觀察到約2Hz的帶寬 固體激光器的單色性較差 半導(dǎo)體激光器的單色性最差。注注:HeNe激光器的極限線寬大約為激光器的極限線寬大約為610-3Hz/=/? /( 1 2) =/ /(+)(-) / =/2006年3月6日星期一四、相干性1、時(shí)間相干性、時(shí)間相干性(同地異時(shí)同地異時(shí))定義：在同一空間點(diǎn)上，由同一光源分割出來的兩光波之間的位相差與時(shí)間無關(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)過不同的路徑到達(dá)同一位置，尚能發(fā)生干涉，其經(jīng)過的時(shí)間差c稱為相干時(shí)間 2006年3月6日星期一1、時(shí)間相干性、時(shí)間相干性 相干長度相干長度: : 兩列光波間允許的最大光程差 Lc Lc=C t

17、激光一次受激輻射的持續(xù)時(shí)間:t 1/ Lc=Ct=C/=2/ tc t tc=12006年3月6日星期一1. 時(shí)間相干性時(shí)間相干性例1 : He-Ne laser 的線寬和波長比值為10-7 求Michelson干涉儀的最大測量長度是多少？=10-7=10-7C/（0.632810-6） Lc=C/ =6.328m 最大測量長度為 Lmax=Lc/2=3.164m2006年3月6日星期一2、空間相干性（同時(shí)異地）定義： 同一時(shí)間，由空間不同的點(diǎn)發(fā)出的光波的相干性。以楊氏實(shí)驗(yàn)為例：小孔d一定，光源面積影響 bd/R/2 能看到干涉條紋 所以光源尺寸: bc=2b R/d= /楊氏雙縫干涉2006

18、年3月6日星期一2、空間相干性2b一定，小孔間距的影響 d d越小條紋越清晰越小條紋越清晰 d d R/2b= /, ,無干涉條紋無干涉條紋通常稱最大的狹縫間距為橫向相干長度通常稱最大的狹縫間距為橫向相干長度d dc c= = R/2b= /一般尺寸為100um的矩形汞弧燈光源，當(dāng)針孔屏距0.5m，橫向相干長度為0.25mm，激光器的橫向相干長度可達(dá)100M以上2006年3月6日星期一五、激光的橫模和縱?？v模(軸模) 光是一種波,因此在諧振腔中應(yīng)滿足駐波條件 k 真空中的波長 n 諧振腔中媒質(zhì)的折射率可以存在的縱模頻率為相鄰兩個(gè)縱模頻率的間隔為2006年3月6日星期一1. 縱模(軸模)每一個(gè)諧

19、振頻率的振蕩,成為一個(gè)模式沿軸向傳播的振動(dòng)模式,稱為軸向模式,簡稱軸?；蛘呖v模諧振腔的腔長、增益介質(zhì)的增益曲線一定，因此只有落在增益大于損耗大大的諧振頻率才能形成激光。一般縱模q=/Vk如果只有一個(gè)縱模稱為單模思考題：如何形成單模2006年3月6日星期一1. 縱模(軸模)諧振腔的作用：諧振腔的作用：（1）維持光振蕩）維持光振蕩（2）選擇激光的方向性）選擇激光的方向性（3）提高激光的單色性。）提高激光的單色性。例例 設(shè)設(shè)He-Ne 激光器腔長激光器腔長L分別分別為為0.30m、1.0m,氣體折射率氣體折射率n 1,試求縱模頻率間隔各為多試求縱模頻率間隔各為多少少?Hz105 . 10 . 112

20、1031.0m,Hz1053 . 012103,m30. 02882881LLnLC2006年3月6日星期一2. 橫模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定義定義 光在橫向的光強(qiáng)分布。一般用光在橫向的光強(qiáng)分布。一般用TEMmnqTEMmnq表示：表示：對稱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)2006年3月6日星期一第四節(jié) 高斯光束一、高斯光束表達(dá)式一、高斯光束表達(dá)式 高斯分布220rAA e振幅下降為中心的1/e時(shí)對應(yīng)的光束截面半徑，別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激光是一種高斯光束，這是因?yàn)榇嬖诎济骁R2006年

21、3月6日星期一第四節(jié) 高斯光束高斯光束的傳播公式：222202()( , , )exp()exp()( )( )2 ( )( )AxyxyE x y zkizizzR zz12202022020( )1()( )1()( )()zzR zzzzzarctgP12 1-15 P14 1-21 P5 1-232006年3月6日星期一二、高斯光束的特性Z=0 R(z)-無窮, 相位為0, 20200222( , ,0)exp()ArE x yrxy0(0)特點(diǎn): 等相位, 平面波光強(qiáng)分布為高斯分布2006年3月6日星期一二、高斯光束的特性Z0 a. 相位部分 為發(fā)散球面波, 曲率半徑隨Z變化 b.

22、振幅部分 為高斯分布 c. 發(fā)散角 22( )()2 ( )xyzkzR z2200( )1()R zzzz1220020( )1()zz122222202400022( )22122()1dzzzdzz 2006年3月6日星期一二、高斯光束的特性Z=0時(shí), 2=0,平面波z, Z從0到 的區(qū)域,稱為準(zhǔn)直區(qū)3. z0情況022z0z1z220z022202006年3月6日星期一三、高斯光束的聚焦透鏡對光束的變換關(guān)系幾何光學(xué)透鏡成像公式:在透鏡前后的波前對應(yīng)的像分別為O, O所以: 透鏡為薄透鏡時(shí), =由高斯光束的性質(zhì)知:111()RRf222020220( )1()1()LzRLL2006年3

23、月6日星期一1. 透鏡對光束的變換關(guān)系對成像端: 帶入成像公式有222020220( )1() 1() LzRLL222222202220()()()111(1)()Lf fLfLfLff2006年3月6日星期一1. 透鏡對光束的變換關(guān)系當(dāng)Lf 或者L+f2/時(shí)則有22202220111111(1)()LLfLff2006年3月6日星期一2. 聚焦當(dāng)L時(shí), L f 22222200222220012202022221111 (1)() () (1() )()1() 11()LLfffzzff 2006年3月6日星期一3. 應(yīng)用VCD頭, He-Ne激光,0=1mm,距離透鏡500mm,要求聚焦

24、后直徑為10um,求透鏡焦距12202030,0( )1()1.0055102550025,zzmmfmmfmmmmmm2006年3月6日星期一四、激光擴(kuò)束與準(zhǔn)直需求： 直線光束 ， 大面積輻照112021220343213411ffffMf光束擴(kuò)大了光束擴(kuò)大了M M倍倍如果再聚焦可以縮小光斑如果再聚焦可以縮小光斑f2006年3月6日星期一四、激光擴(kuò)束與準(zhǔn)直看看f2對成像的后的4的曲率半徑：34222222013222221241441 21410010011111()1()22222222RRffRfffffRffMM結(jié)論：結(jié)論：倒置望遠(yuǎn)鏡，能夠擴(kuò)束倒置望遠(yuǎn)鏡，能夠擴(kuò)束將高斯光束轉(zhuǎn)化為平面將

25、高斯光束轉(zhuǎn)化為平面光束光束發(fā)散角，變小發(fā)散角，變小注意：透鏡間距離非嚴(yán)注意：透鏡間距離非嚴(yán)格為格為f f1 1+f+f2 2，略小，略小2006年3月6日星期一第五節(jié)、激光的穩(wěn)頻技術(shù)原因： 測量時(shí)，通常以波長/2為基準(zhǔn) 不穩(wěn)定，或者頻率不穩(wěn)，會(huì)帶來測 量誤差引入兩個(gè)參數(shù) 頻率穩(wěn)定度1.頻率再現(xiàn)性 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，以R表示vS/R2006年3月6日星期一一、頻率變化的原因駐波條件：駐波條件： 2 2()()2 2()()q qc cq qn ncncnq qnnnnn nn n 主要原因：溫度變化 2.振動(dòng) 3.大氣影響1.4. 其他物理原因，如磁場、電場

26、，力2006年3月6日星期一二、穩(wěn)頻方法1、分類、分類 被動(dòng)穩(wěn)頻被動(dòng)穩(wěn)頻 針對頻率變化的因素，消除因素的影響針對頻率變化的因素，消除因素的影響主動(dòng)穩(wěn)頻主動(dòng)穩(wěn)頻 從原理入手，減小環(huán)境因素對頻率變化的影響從原理入手，減小環(huán)境因素對頻率變化的影響2、 被動(dòng)穩(wěn)頻被動(dòng)穩(wěn)頻 溫度控制 可達(dá)10-8 腔體材料選擇 可達(dá)10-8 隔振 激光理論的頻率的變化激光理論的頻率的變化10-3Hz,Sv理論值理論值10-17, 不加穩(wěn)不加穩(wěn)頻措施頻措施,一般一般Sv在在10-6量級量級2006年3月6日星期一二、穩(wěn)頻方法3. 主動(dòng)穩(wěn)頻 常用方法蘭姆(Lamb)下陷法飽和吸收法塞滿(Zeeman)效應(yīng)法 蘭姆(Lamb)

27、下陷法a) 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2006年3月6日星期一蘭姆(Lamb)下陷法原理: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 V轉(zhuǎn)換成輸出功率的起伏值 P，從而獲得誤差信號,用此誤差信號反饋控制諧振腔的長度，使激光器輸出頻率趨近中心頻率V02006年3月6日星期一蘭姆(Lamb)下陷法實(shí)現(xiàn)A處,與激勵(lì)信號,同頻反相B處,同頻,同相V0處,2倍頻以中心頻率為標(biāo)準(zhǔn)頻率,對中心頻率的改變,無控制作用經(jīng)lamb穩(wěn)頻后,He-Ne激光的頻

28、率穩(wěn)定度可達(dá)10-102006年3月6日星期一2. 飽和吸收法利用某些材料對光的吸收隨頻率變化性質(zhì),使激光中心頻率輸出光強(qiáng)最強(qiáng), 利用lamb下陷法的穩(wěn)頻技術(shù)提高,激光器的頻率穩(wěn)定度特點(diǎn): 頻率穩(wěn)定度高可達(dá)10-14 與lamb下陷法相反 因此也稱反lamb下陷法2006年3月6日星期一飽和吸收法技術(shù)實(shí)現(xiàn)2006年3月6日星期一3. 塞曼(Zeeman)效應(yīng)法 塞曼效應(yīng): 原子能級在磁場作用下發(fā)生分裂的現(xiàn)象 雙頻激光器:由塞曼效應(yīng)制成的激光器 特點(diǎn) 高頻的左旋圓偏振光 低頻為右旋圓偏振光 兩者輸出功率的大小 與中諧振腔的中心諧振 頻率有關(guān)2006年3月6日星期一第六節(jié) 激光調(diào)制技術(shù)一、激光調(diào)制

29、的基本概念一、激光調(diào)制的基本概念 把欲傳輸?shù)男畔⒓虞d到激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。 激光起到攜帶低頻信號的作用，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。 激光調(diào)制可分為: 內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制 內(nèi)調(diào)制:指在激光振蕩過程中加載調(diào)制信號，即以調(diào)制信號的規(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)制信號對激光進(jìn)行調(diào)制，它不改變激光器的參數(shù)，們是改變已經(jīng)輸出的激光參數(shù)(如強(qiáng)度、頻率、位相等)。2006年3月6日星期一第六節(jié) 激光調(diào)制技術(shù)設(shè)激光的瞬時(shí)電場強(qiáng)度為則光強(qiáng)度為設(shè)調(diào)制信號為 幅值調(diào)制為: 強(qiáng)度調(diào)制: 頻率調(diào)制:

30、相位調(diào)制:M, Mi,Mf,Mp調(diào)幅系數(shù)、強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)、調(diào)頻系數(shù)和調(diào)相系數(shù)M, Mi遠(yuǎn)小于10 00 0( ( ) )c co os s( () )E E t tA At t 2 22 22 20 00 0( ( ) )( ( ) )c co os s ( () )I I t tE E t tA At t ( ( ) )c co os sm mm ma a t tA At t 0 00 02 22 20 00 00 00 00 00 0( ( ) )( (1 1c co os s) )c co os s( () )( ( ) )( (1 1c co os s) )c co os s( () )

31、2 2( ( ) )c co os s( (c co os s) )( ( ) )c co os s( (c co os s) )A Am mi im mf ff fm mP Pp pm mE E t tA AM Mt tt tA AI It tM Mt tt tE E t tA At tM Mt tE E t tA At tM Mt t 2006年3月6日星期一 二、調(diào)制方法 知識1、電光調(diào)制 a、原理電光效應(yīng)：某些材料在外加電場的作用下，其折射率發(fā)生變化Xyz光軸偏轉(zhuǎn)45度， 主折射率分裂為：線偏振光分裂為兩束線振光， X，y方向 相位差為 3 3006300633 3006300631

32、12 21 12 2xzxzxzxznnnEnnnEnnnEnnnE 3333063063063063222222()()yxzyxznnnEnVnnnEnV2006年3月6日星期一1、電光調(diào)制相位差與所加電壓v成正比，通常稱為線性電光效應(yīng)或Pockels效應(yīng)一般把引起相位差的電壓作為電光材料的性能： 稱為半波電壓， V或者V/2表示 3 30 06 63 32 2V VV VV Vn n 2006年3月6日星期一b.應(yīng)用光強(qiáng)調(diào)制V VV V Kdp 引起相位 波片： /2 2 2V VV V 2006年3月6日星期一b.應(yīng)用所以經(jīng)檢偏器后，光的電勢量為（A為入射光振幅的cos45倍） ( (

33、) )0 0c co os s 4 45 5c co os s 4 45 5( (1 1) )2 2i it ty yx xA AE EE Ee ee e 所以光強(qiáng)為 2 22 22 22 20 0| | |2 2s si in n ( () )s si in n ( () )2 22 2A AI I ( () ) ( () )i it ti it tx xy yE EA Ae eE EA Ae e 所以投射率為2 22 2sinsin1 1sin ()1sin(sin)sin ()1sin(sin)22221 11sin1sin2 2m mmmmmV VV Vm mm mm mm mVVtVVtV VTtTtV Vif VVif VVV