單模激光器的線寬由那些因素決定

第12

講

單模激光器的線寬由那些因素決定

無源腔線寬有源腔線寬

單模激光器的線寬極限

自發(fā)輻射對單模輸出線寬的影響

單模激光器輸出線寬極限的估算穩(wěn)頻激光器

蘭姆凹陷飽和吸收習(xí)題課§5.5單模激光器的線寬極限

單色性～時間相干性（頻率特性）多模激光器譜寬單模激光器線寬測量譜寬的方法：光譜儀（分辨率：0.02nm－GHz）；掃描干涉儀（MHz）自差拍（KHz）一、無源腔線寬－諧振腔模本征線寬

無源腔(g=0－吸收與發(fā)射的光子數(shù)相等)

光在無源腔中的傳播時的光強變化舉例：He-Ne激光器L=30cm，r1＝1，r2

＝0.98…………無源腔線寬由無源腔內(nèi)的光子壽命決定二、有源腔（激光諧振腔）線寬（g>0)僅從光子壽命出發(fā)來討論

？受激輻射自發(fā)輻射＋＝損耗相干非相干

由于自發(fā)輻射存在，有源腔的凈損耗不為0。

自發(fā)輻射為非相干光，隨機相位，導(dǎo)致相干輻射的激光為略有衰減的有限波列。

有源腔的線寬決定于凈損耗

由于振蕩過程中始終存在自發(fā)輻射，激光線寬不可能為0

有源腔線寬小于無源腔線寬穩(wěn)定振蕩2.求

al,Nl有源腔凈損耗不為0，這部分損耗是由自發(fā)輻射補償?shù)娜?、Dns

的估算(四能級，單模，L＝l）－分配該模式中的自發(fā)輻射幾率=1.求ds代入5.5.8舉例：He-Ne632.8nmL=30cmT=0.02,P0=1mw

Dnc=1.6×106Hz

Dns=6×10-3Hzn2t/Dn2t=1Nl,al

代入(5-5-8)(5-5-3)3.單模激光器的（理論）線寬極限四、實際激光器輸出激光的線寬

遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出極限線寬許多量級

原因：溫度及其它因素引起的頻率漂移氦氖激光器（玻殼）0.01oC

1MHz；固體激光器

o漂移小結(jié)：1)

單模激光器線寬極限的物理原因：自發(fā)輻射，噪聲2)

Dns<<DncP0

s

腔內(nèi)相干輻射光子增多，受激輻射在

Pout占更大比例

總光子數(shù)w21

A21

模式數(shù)總光子數(shù)模式數(shù)He-Ne小結(jié)：(續(xù)）4)s(Dnc)2:cs;Lcs外腔半導(dǎo)體激光器5)單模激光器實際線寬取決于頻率穩(wěn)定性LD§7.2穩(wěn)頻激光器一、外界因素對頻率穩(wěn)定性的影響

縱模頻率：頻率穩(wěn)定性：

諧振腔幾何長度變化：溫度、振動10-3/oC

折射率變化：溫度，D起伏（放電電流、驅(qū)動電流等），氣壓、濕度

單模氦氖激光器頻率穩(wěn)定性：10-4-10-5Dn=1010Hz

采取恒溫、防震、隔聲、穩(wěn)壓、穩(wěn)流措施：10-7

二、穩(wěn)頻基本原理：－穩(wěn)定諧振腔光學(xué)長度

選擇標(biāo)準(zhǔn)參考頻率

獲取誤差信號驅(qū)動電子伺服系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)腔長三、穩(wěn)頻方法*蘭姆凹陷

*飽和吸收

塞曼吸收

F-P標(biāo)準(zhǔn)具穩(wěn)頻系統(tǒng)光電接收頻率穩(wěn)定性：10-9n>n0

同相

n<n0

反相

n=n0

2fn>n0

同相n<n0

反相壓電陶瓷：改變腔長直流:

調(diào)節(jié)激光器輸出頻率交流信號:

搜索信號，判斷+,-正向電壓外(+)，內(nèi)(-)反向電壓外(-)，內(nèi)(+)

n>n0

同相

反向壓電陶瓷

腔長q

拉回n0n<n0

反相

正向壓電陶瓷

腔長q

拉回n0n=n02f

0電壓壓電陶瓷不變

n=n0頻率復(fù)現(xiàn)性差10-7要求蘭姆凹陷對稱,窄且深飽和吸收穩(wěn)頻－反蘭姆凹陷壓電陶瓷吸收管內(nèi)充氣壓:1~10Pa

多普勒加寬為主低壓氣體吸收峰頻率穩(wěn)定性好燒孔寬度吸收曲線燒孔效應(yīng)b(n1)吸收飽和>增益飽和+放置吸收管的諧振腔單程損耗輸出功率P~n1曲線上形成反蘭姆凹陷頻率穩(wěn)定性:10-11~10-12

頻率復(fù)現(xiàn)性10-11632.8nm:

碘同位素蒸汽；3.39mm:甲烷；1530.3718nm：乙炔穩(wěn)頻系統(tǒng)光電接收半導(dǎo)體激光器F-PF-P標(biāo)準(zhǔn)具穩(wěn)頻習(xí)題講解P.1624-13,20P.1855-7,10P.2427-2微安表光源單色儀紅寶石棒光電倍增管電源(1)測量小信號中心頻率吸收系數(shù)am

移開紅寶石棒測I1，放入紅寶石棒測得I2

減小入射光強使吸收系數(shù)最大，維持在此光強

微調(diào)單色儀鼓輪以改變?nèi)肷洳ㄩL，使吸收系數(shù)最大(2)計算紅寶石的吸收截面，發(fā)射截面(3)計算熒光壽命

習(xí)題4-13=a光功率計穩(wěn)態(tài)代入其中習(xí)題4-20（3）

充混合氣體習(xí)題5-7(1)（d）要使混合氣體增益曲線對稱多些(2)增益線寬相等線寬小，Ne22多些？要使需A.能否起振

l1=l2=l;

l1>l2B.

若入射光強能否起振

l1=l2=ll1l2gmam<n0

,IsGn0,

Isa>d’

l1=l2=l任何頻率模均不能振蕩不能起振

能振蕩

l1>l2有可能起振若均勻加寬習(xí)題5-10ABCl1l2gmam<n0

,IsGn0,

Isa>d’B.

若瞬時輸入足夠強光信號能否起振l1=l2=l振蕩條件I1I2的物理意