第五章-激光器.ppt

1、激 光 器,自由討論： 1，激光產(chǎn)生的基本原理？ 2，激光的模式有哪些？ 3，激光穩(wěn)頻有哪些方法？ 4，怎樣調(diào)節(jié)激光的頻率？ 5，光學(xué)諧振腔有哪些種類？ 6，如何產(chǎn)生倍頻和差頻等？,授課內(nèi)容： 1，激光產(chǎn)生的基本原理 2，激光諧振腔 3，激光的光譜特性 4，單模激光器 5，可調(diào)諧激光器 6，非線性光學(xué)混頻技術(shù),光子的基本概念,一、光的波動性 17-18th 世紀(jì) HuygensFresnel（惠更斯菲涅耳） 衍射 與 Young 干涉實(shí)驗(yàn) 1885 Maxwell 方程的提出 1887 Hertz 振子輻射實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)代 同步輻射（同步加速器輻射：帶電粒子速度接近光速，在電磁場中偏轉(zhuǎn)時，由于相對論

2、效應(yīng)，切線方向發(fā)出電磁波） 二、光的粒子性（光子） Energy h Velocity c (299 792 458 ms-1) Rest Mass m = 0 ( 210-50g) Momentum p = h/c = h/ Spin s = 1 基于如下實(shí)驗(yàn)： 黑體輻射：Planck定律 光電效應(yīng): 1905 Einstein用光量子成功解釋 Compton效應(yīng)（高能光子（gamma或者X射線）與物質(zhì)相互作用（電子），出射波長發(fā)生改變）,物理學(xué)基本常數(shù),J-P Uzan, Rev.Mod.Phys. 75, 403,2003,真空中的光速,物理學(xué)的理論,NM 牛頓力學(xué) QM 量子力學(xué) SR

3、 狹義相對論 GR 廣義相對論 NG 牛頓引力 NQG 非相對論引力 QFT 量子場論 TOE 萬物論,J-P Uzan, Rev.Mod.Phys. 75, 403,2003,c,h,G,第5.1節(jié) 激光產(chǎn)生的基本原理,一、激光器的基本構(gòu)成 增益介質(zhì) 光放大器（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)不再遵守Boltzman 分布） 泵浦源 為放大器提供能量（閃光燈、放電、其它激光等） 光諧振腔 將受激放大的光儲存在腔模中（增加放大器等效長度， 增加模密度）,激光結(jié)構(gòu)：M1 反射鏡，M2 輸出耦合鏡（反射率R2 決定腔內(nèi)外強(qiáng)度差）,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：虛線，粒子數(shù)反（N）； 實(shí)線， Boltzman 分布,二、閾值條件

4、“增益 損耗” （per round-trip）,啟動： 自發(fā)輻射,增益：,損耗（ ： 包括反射鏡M2的反射損失（1-R），鏡面吸收，光衍射，光散射等）,If,So,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)閾值條件：,總體效應(yīng),對于不同失諧量，其放大不同，其線形為（均勻/非均勻展寬）：,不管是Lorentz還是Gaussian分布，其在共振處，放大倍數(shù)最大,損失系數(shù)也是和頻率有關(guān),二、速率方程 （不含相干效應(yīng)）,穩(wěn)態(tài)解： 穩(wěn)態(tài)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)： 僅 R1 A21 時，NStat 0 (e.g. 準(zhǔn)分子激光）,光泵速率兩能態(tài)馳豫到其他態(tài)的速率,腔中來回傳播一圈時間,P:從激發(fā)態(tài)泵浦到2態(tài)速率,光子密度,一，封閉腔： 沒有損失，熱平

5、衡時符合黑體輻射的普朗克定律、單位體積腔模密度分布,第5.2節(jié) 激光諧振腔,頻率,二，開放腔：對某些模式有選擇性損失，增加某些需要的腔模中的平均光子數(shù)，減少其它模光子數(shù)（增大模損耗）。,時間 = 1/k為k模中光子的平均壽命（能量1/e）,第k模式，出錯能量Wk,單位時間能量損失,QK為每個振蕩周期T=1/內(nèi)儲存于該模的能量與損耗的能量之比的2倍。,透過(walk-off)損失（耦合鏡的出射損失）,衍射損失（2ad） Fresnel數(shù)N表征,反射損失（R1和R2兩反射鏡反射率，d兩反射鏡間距）,入射到反射鏡上的光反射后形成衍射，衍射到更高級的光由于不能入射到第二個反射鏡上而損失。a是b的等效光

6、路圖,開放腔損失,開放腔的損失,衍射損失用Fresnel數(shù)表征 Fresnel數(shù)N： 落在鏡面上的Fresnel衍射環(huán)的數(shù)目 a: 鏡面半徑 d: 鏡間距 一般情況：,N越大（a大，d小）， 衍射損失越小,共焦腔（R1 = R2 = R = d）（曲率半徑=間隔）,橫模(transverse mode)：橫截面光強(qiáng)分布 縱模(longitudinal mode)：腔頻率分布,三，共焦腔 （兩焦點(diǎn)重合）,厄米多項(xiàng)式(Hermit polynomials),高斯分布,z處相位,強(qiáng)度分布,一維分布,二維標(biāo)示,Cartesian coordinate,Polar coordinate,基模：m=n=0

7、, TEM00,z處的光束半徑,高斯光的束腰,在兩反射鏡面上,在光束半徑,基模高斯光斑（兩鏡面上）的大小為,四，穩(wěn)定腔與非穩(wěn)腔,亞穩(wěn)：g1 = g2 = 0,非穩(wěn)腔：光斑發(fā)散而趨向無窮大(g1，g2 只有一者為0； g1g2 1 )，或者分布為虛數(shù)（ g1g2 1 ）,穩(wěn)定腔：在每次往返之后場振幅A(x,y)除相差一個常數(shù)C（與x或y無關(guān)，表示衍射損失），分布不變。 0 g1g2 1,有時采用非穩(wěn)定腔的原因：光束直徑可以大，從而充分利用大體積的增益介質(zhì)，獲得大功率輸出，但發(fā)散大。,穩(wěn)定條件,非穩(wěn)條件,亞穩(wěn)條件,不同腔的示意圖,對平凹腔 (R2 = or g2 = 1), 穩(wěn)定條件為 d R1

8、（0 g1 1）,不同腔、穩(wěn)定區(qū)域和非穩(wěn)區(qū)域在g1和g2坐標(biāo)下的分布,駐波腔：腔內(nèi)往返光波疊加，形成駐波場 行波腔：腔內(nèi)光波為行波，由單向器（光二極管）選擇行波方向。行波腔可避免空間燒孔獲得單模運(yùn)轉(zhuǎn)，同時沒有駐波（波節(jié)處光強(qiáng)為0）波節(jié)從而充分利用整個增益介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)獲得大的功率輸出。,五，環(huán)形腔 （由起碼三個反射面組成，形成行波腔）,單向器（光二極管）：Faraday 旋光器（轉(zhuǎn)偏振），雙 折射片（轉(zhuǎn)偏振），選偏振（讓一定偏振方向的光通過） 正向傳播： Faraday 和雙折射片轉(zhuǎn)動角度互相抵消，能透過選偏器 反向傳播：Faraday 和雙折射片轉(zhuǎn)動角度互相增加，經(jīng)過選偏器損失大,光二極管（

9、單向器）組成,雙折射片,鈦寶石激光器的光路圖： 1，出射的光在M1，M2（M3），M4和M5環(huán)形8字形腔中進(jìn)行振蕩。調(diào)節(jié)反射鏡的反射模，可以輸出780nm的激光。 2，雙折射濾波片將激光線寬壓倒2GHz；薄標(biāo)準(zhǔn)具和厚標(biāo)準(zhǔn)具進(jìn)一步將線寬壓窄到10MHz；從外加參考腔所得到的誤差信號一部分輸?shù)焦潭ㄧR片的壓電陶瓷來控制腔長的快變，另一部分輸?shù)讲剪斔固夭ㄆ瑏砜刂魄婚L慢變，最后將激光線寬穩(wěn)定在500KHz。 3，通過掃描布魯斯特波片的角度，可以在30GHz內(nèi)掃描激光的頻率，并且保持功率的穩(wěn)定和光束位置不變。,532nm,鈦寶石激光器（環(huán)形腔激光器）,680nm1.1um,1W,680nm1.1um,駐

10、波條件：腔長d = 半波長的整數(shù)倍 相鄰基軸模的間隔（縱模間隔，F(xiàn)SR）為,被動腔的頻譜 （本征頻譜）,共焦腔：,非共焦腔：,解簡并,共焦腔,非共焦腔,平面腔,第5.3節(jié) 激光的光譜特性,增益介質(zhì)在決定激光光譜特性中的作用： 1、介質(zhì)的折射率（影響光程）改變被動腔的本征頻率（模牽引效應(yīng)） 2、由于增益飽和，不同激光模出現(xiàn)模式競爭，從而影響激光輸出的頻率和振幅。,主動腔： 包含增益介質(zhì)的諧振腔。等效腔長為 其中L為增益介質(zhì)長度。頻譜將下式中的d換成d*即得：,一、主動諧振腔與其頻譜,整體增益,吸收,整體增益,損失,被動腔（無增益介質(zhì)的空腔）的線寬一般遠(yuǎn)小于主動腔中激光躍遷的線寬（一般由Doppl

11、er寬度決定）。而增益介質(zhì)補(bǔ)償了被動腔中共振線的損耗，從而極大增加品質(zhì)因子Q，使得振蕩激光模的線寬遠(yuǎn)小于被動腔共振線的線寬。 主動腔的線寬a與FSR（）的關(guān)系： 其中單程增益為 當(dāng) G()=1 （閾值條件），激光放大器轉(zhuǎn)變成激光振蕩器。此時的激光線寬為,二、增益飽和當(dāng)泵浦光增強(qiáng)時，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)N增大。當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到閾值Nth 時，產(chǎn)生激光。在激光建立過程中，增益大于損失，受激輻射也增強(qiáng)。但是同時受激輻射不斷消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)（激發(fā)原子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)，減少粒子數(shù)反轉(zhuǎn)），使N減少。當(dāng)再一次出現(xiàn)N Nth時，增益出現(xiàn)飽和。,光泵引起的粒子數(shù)差增大誘導(dǎo)輻射引起的粒子數(shù)差減少,均勻增益介質(zhì)（增益介質(zhì)所有

12、模式都出現(xiàn)增益飽和）,非均勻增益介質(zhì)（只有腔共振模式出現(xiàn)增益飽和）,在激光頻率附近，取均勻線寬范圍,均勻,非均勻,空間燒孔模間隔： ( p = 2,3,) 可見a越小或d越大，燒孔模間隔越遠(yuǎn)。多模越不容易出現(xiàn)。,三、空間燒孔 駐波腔中，由于I(z,)的空間分布使得波腹增益飽和而波節(jié)處粒子數(shù)沒有消耗，出現(xiàn)空間不均勻現(xiàn)象（燒孔）。導(dǎo)致多個激光波長可同時振蕩（多模激光）（不同波成，其波腹和波節(jié)點(diǎn)不一樣）。,增益介質(zhì),四、多模激光中的模式競爭 均勻加寬增益介質(zhì)中，不同激光模之間會消耗共同的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)（在線型內(nèi)），從而出現(xiàn)增益的競爭，本應(yīng)該導(dǎo)致一個模式增強(qiáng)，其他模式壓制，但是像空間燒孔、激光調(diào)模和時間依

13、賴的波動使模式隨機(jī)分布。非均勻加寬介質(zhì)中，可以有多模振蕩，但各模不公用反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，因而不存在模式競爭。一般不加特別措施時的激光都是多模的。,群“?！眮y舞！,穩(wěn)定的多模輸出,不同時間，模式隨機(jī),五、模牽引 存在增益介質(zhì)時，被動腔的頻率發(fā)生移動的現(xiàn)象。 物理本質(zhì)：折射率n()（色散線性） 其中 m是增益介質(zhì)中被放大的躍遷的譜線線寬。 r腔線寬， r腔共振頻率， 0增益介質(zhì)吸收中心頻率,可見，頻率變化正比與頻差（拖曳，牽引）。,均勻加寬譜線激光頻率為,第5.4節(jié) 單模激光器,原子分子增益介質(zhì)，分立譜線：Ar+、CO2、He-Ne 用波長選擇元件選擇單條譜線： 棱鏡、光柵、Lyot濾光片,一、選擇譜線

14、（波長粗選擇）,不同的波長在prism中折射角度不一樣，只有垂直到達(dá)反射鏡M2的光才能原路返回，在腔中形成震蕩。利用Brewster角是為了減少損失，提高分辨率（入射和反射到Brewster prism上都是Brewster角）。Littrow prism是反射鏡和Brewter prism的組合。,用Littrow grating代替Brewster prism放置在腔外，對波成進(jìn)行選擇（只有一定波長的一級光能原路返回，在腔中共振）。,二、橫模抑制,大部分激光器要求工作在單橫模 抑制高階模：選定某鏡面大小a，鏡面距離L，使衰減00較小，10較大；或者增加空間濾波（光闌、光纖） N：Fresn

15、el（菲涅爾）參數(shù),共焦腔,平面腔,在r=0處，TEM00TEM10,基模增益飽和,高階模增益抑止,三、縱模選擇,縱模間隔 (腔FSR) 非均勻加寬增益： 一般多縱模 標(biāo)準(zhǔn)具： 透過曲線進(jìn)一步選單模 連續(xù)掃描且保持單模： 棱鏡/光柵：角度 標(biāo)準(zhǔn)具：角度、間距 諧振腔：腔長補(bǔ)償,Cavity mode (M1,M2),標(biāo)準(zhǔn)具,Cavity mode (M1, M2, M3),Gainprismetalon1etalon2cavity mode suppress,(P1, P2),四、強(qiáng)度穩(wěn)定（穩(wěn)幅）,電源起伏； 氣體放電不穩(wěn)； 灰塵光散射； 腔鏡振動； 多模激光的模式競爭； CW染料激光的染料密

16、度變化和氣泡,激光輸出光強(qiáng)起伏的原因：,穩(wěn)幅方法： 強(qiáng)度反饋控制,通過功率反饋，調(diào)制激光器的控制電壓,通過功率反饋，通過調(diào)節(jié)Pockel cell的電壓，從而控制輸出光的偏振來控制功率,Dye laser強(qiáng)度穩(wěn)定控制示意圖和效果,激光輸出波長起伏的原因： （d、n起伏） 長期漂移：溫度、氣壓 短期起伏：腔鏡機(jī)械振動（最主要）、折射率聲波起伏、放電起伏、染料射流起伏等,五、單頻激光的頻率（波長）穩(wěn)定（穩(wěn)頻）,1，熱張系數(shù)小材料 2，導(dǎo)熱系數(shù)大的基地材料 3，冷吹風(fēng)減少空氣波動和塵埃的影響 4，放置在真空室中，減少空氣波動影響,被動穩(wěn)頻（沒有反饋，只是讓腔絕對參數(shù)穩(wěn)定）：,主動穩(wěn)頻（有反饋，更加誤

17、差信號來調(diào)節(jié)腔參數(shù)）：,穩(wěn)頻方法： 溫控、電流和PZT補(bǔ)償反饋控制 鎖在峰頂：調(diào)制 LIR（Lock-in Regulator）/PDH （Pound-Prever-Hall Detector） 鎖在邊坡：直流漂移 PID,一些材料的線性熱膨脹系數(shù),ULE (Ultra-low Expansion),一種玻璃,溫控 FPI 原子譜線 激光器,PZT/T/I,穩(wěn)頻部件：,1，參考標(biāo)準(zhǔn) 2，誤差信號 3，反饋電流 4，可調(diào)參數(shù) (電流，溫度，腔長PZT),V0，擴(kuò)張 V0，縮小,利用PZT控制腔長,長期飄逸：原子吸收線（受外界干擾?。?短期波動：參考腔（受外界干擾大，但是調(diào)制快）,鎖峰頂：FPI

18、1監(jiān)視波長， FPI 2參考腔,鎖邊帶 優(yōu)點(diǎn)：不需要調(diào)制，不需要鎖相（Lock-in）。 缺點(diǎn)：D1和D2強(qiáng)度的變化改變鎖頻零點(diǎn),TOPTICA 半導(dǎo)體激光器穩(wěn)頻模塊,Fast Analog Linewidth Control,激光頻率漂移,不同方法激光頻率,Without stabilization,Short-term stabilization,Long and short-term stabilization,穩(wěn)頻效果,六、單模激光器的線寬,即使單縱模激光器，任何振幅、位相、頻率的起伏都導(dǎo)致有限的線寬。 3個基本的噪聲源（不能通過穩(wěn)頻系統(tǒng)消除）： 1、激發(fā)態(tài)線寬（可忽略）；,2、模中光

19、子數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布引起的振幅的起伏(Poisson分布)；,Schawlow-Townes relation（Nth1, Nsp =1）:,如果 L=780nm, PL=1mW, 則 PL/hL=3.921015 s-1，R1=R2=0.95, L = 100um, 則 c=12GHz, L = 115 KHz；如果 PL=100 mW, L = 1 cm, 則 PL/hL=3.921017 s-1，c=120 MHz, L =0.115 Hz,3、相位起伏（主要貢獻(xiàn)）：不同時刻放大的自發(fā)輻射,Nsp photon number of spontaneous emission; Nth photo

20、n number of thermal radiation,腔線寬,第5.5節(jié) 可調(diào)諧激光器,一、基本概念： 頻率連續(xù)變化 (掃描/調(diào)諧) 保持單頻 (CW、單縱模),調(diào)諧方法： 1、在寬的增益覆蓋波長范圍內(nèi)頻率選擇 2、外場使增益介質(zhì)能級移動 3、非線性光學(xué)混頻,不同激光器的波長范圍,二、半導(dǎo)體二極管激光器,FSR：,在外加電壓下，電子空穴在p-n區(qū)復(fù)合，輻射能量,不同材料的半導(dǎo)體波長,半導(dǎo)體激光器的溫度、電流調(diào)諧,跳模原因：腔長不能跟隨增益同步變化，縱模是分立的、固定頻率的。 調(diào)諧機(jī)理：溫度使L、n變化；電流使增益變化,外腔半導(dǎo)體激光器調(diào)諧 （見“半導(dǎo)體激光器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”）,腔模,腔線寬,波

21、長,三、可調(diào)諧固體激光器,調(diào)諧機(jī)理： 選擇不同的參雜離子或者不同的基地材料，波長不同,Coherent 899/MBR110,Ti:Al2O3,翠玉激光器(Alexandrite),調(diào)協(xié)范圍：650nm-1000nm 用半導(dǎo)體激光代替Ar+泵浦： 1，單縱模 2，Verdi10功率可達(dá)10W,四、色心激光器,色心：囚禁在空穴中的一個電子 （準(zhǔn)原子） 調(diào)諧機(jī)理：（vibronic振動能級間躍遷),一個不同離子,兩個不同離子,兩個電子,相對d,少一個電子,色心激光器結(jié)構(gòu),不同類型和材料，不同波長增益,K, i粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激光,FA(11)型色心激光器工作原理,一些固態(tài)激光器的調(diào)諧范圍,半導(dǎo)體激

22、光器：單縱模（10W），裝置簡單,五、染料激光器,染料：大分子（豐富的振動能級）調(diào)諧機(jī)理：振動能級間躍遷,激發(fā)：光吸收，經(jīng)過快速碰撞，馳豫到激發(fā)態(tài)的最低能態(tài)V0。泵浦光波長短于激光波長,優(yōu)點(diǎn)：波長范圍大300nm-1.2um，利用倍頻技術(shù)，100nm-4um,不同的激光染料，其增益波長不同,SP 380 vs Coherent 699/899,和Ti:Sappire激光器結(jié)構(gòu)一樣，可以通用，只是更換不同的增益介質(zhì)（ Ti:Sappire 或者燃料）和不同的鏡片,振動鏡片：條件鏡片傾角，條件有效腔長，于增益介質(zhì)同步單模連續(xù)輸出,其輸出波長不僅取決于燃料本身，也取決于泵浦光,六、準(zhǔn)分子激光器,準(zhǔn)分

23、子：激發(fā)態(tài)雙聚物（電子激發(fā)態(tài)為束縛態(tài)、基態(tài)為排斥態(tài)）：激發(fā)態(tài)原子經(jīng)過碰撞進(jìn)入束縛態(tài)，基態(tài)束縛能小而使其壽命短，粒狀數(shù)反轉(zhuǎn)容易實(shí)現(xiàn)。其波長可調(diào)范圍由R1和R2決定。,放電產(chǎn)生準(zhǔn)分子的機(jī)理：*為激發(fā)態(tài),不同準(zhǔn)分子物質(zhì)的激光參數(shù),七、自由電子激光器,激光產(chǎn)生的機(jī)理：相對論速度的電子在周期磁場中震蕩產(chǎn)生相干輻射（受激Compton散射）,韌致輻射（又稱剎車輻射，Bremsstrahlung）：原指高速運(yùn)動的電子驟然減速時發(fā)出的輻射。據(jù)電動力學(xué)，作加速或減速運(yùn)動的帶電粒子必然伴隨電磁輻射。,同步輻射：同步輻射是帶電粒子的運(yùn)動速度接近光速（vc）在電磁場中偏轉(zhuǎn)時，由于相對論效應(yīng)，沿運(yùn)動的切線方向發(fā)出的一種

24、電磁輻射，最先在電子同步加速器上發(fā)現(xiàn)，故得此名。,切倫科夫(Cherenkov)輻射: 介質(zhì)中運(yùn)動的物體速度超過該介質(zhì)中光速時發(fā)出的一種以短波長為主的電磁輻射，其特征是藍(lán)色輝光。,電子在周期磁場中震蕩，類似與振子，不同振子間輻射能量,第5.6節(jié) 非線性光學(xué)混頻技術(shù),一、物理背景,例如：,則：,產(chǎn)生 倍頻(21、 22)、和頻(1+2) 、差頻(1-2),介質(zhì)在外加電場中產(chǎn)生宏觀極化率,k階極化系數(shù)和k+1階張力,KDP晶體： 非零分量為 xijk的計(jì)算（原子物理、固體）： （參見 非線性光學(xué)）,是3階張量,相位匹配：介質(zhì)內(nèi)空間任何一點(diǎn)產(chǎn)生的光場的相位與泵浦光的相位相同。 相位匹配條件（光子動量守恒條件）：,二、相位匹配,用雙折射晶體實(shí)現(xiàn)相位匹配,n0,ne 與k垂直，n0不變，但是