最新激光原理及應(yīng)用4課件PPT.ppt

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1、激光原理及應(yīng)用4激光的基本技術(shù)直接對(duì)激光諧振腔的輸出特性產(chǎn)生作用如：選模技術(shù)、穩(wěn)頻技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)等；獨(dú)立應(yīng)用于諧振腔外如光束變換技術(shù)、調(diào)制技術(shù)和偏轉(zhuǎn)技術(shù)等4.1激光器輸出的選模激光的優(yōu)點(diǎn)在于它具有良好的單色性、方向性和相干性。理想的激光器輸出光束應(yīng)該只有一個(gè)模式，但是對(duì)于實(shí)際的激光器，如果不采取模式選擇，它們的工作狀態(tài)往往是多模的。含有高階模式橫模的激光束光強(qiáng)分布不均勻，光束發(fā)散角大。含有多縱模及多橫模的激光器單色性及相干性差。在激光準(zhǔn)直、激光加工、非線性光學(xué)、激光遠(yuǎn)程測(cè)距等領(lǐng)域都需要基橫模激

2、光束。在精密干涉測(cè)量，光通訊及大面積全息照相等應(yīng)用中更要求激光是單橫模和單縱模光束。因此，設(shè)計(jì)和改進(jìn)激光器的諧振腔以獲得單模輸出是一個(gè)重要課題。通常是利用腔鏡反射膜的光譜特性(只對(duì)某個(gè)波段反射率大)或在腔內(nèi)插入棱鏡或光柵等色散元件，將工作物質(zhì)發(fā)出的不同波長(zhǎng)的光束在空間分離，然后設(shè)法，僅使較窄波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的光束在腔內(nèi)形成振蕩。(注:n0=1)(5.3-1)’圖5.3-1所示的是腔內(nèi)插入色散棱鏡的粗選裝置圖。諧振腔所能選擇振蕩的最小波長(zhǎng)范圍由棱鏡的角色散和腔內(nèi)振蕩光束的發(fā)散角決定。AccTBCDO圖5.3-1

3、棱鏡色散粗選裝置法線法線α1=α2=αφ因2c+T=1800,又β+T=1800所以c=β/2由四邊形ABCD知T+2α+(180-Φ)=360由四邊形ABCO知β+T=1800上兩式聯(lián)立得:α=(Φ+β)/2,所以(由折射定律，見(jiàn)上面公式）(5.3-1)設(shè)光線進(jìn)入棱鏡的入射角α1與光線離開(kāi)棱鏡的出射角α2相等，即α1=α2=α。根據(jù)物理光學(xué)折射定理，有(設(shè)折射角為c):(注:n0=1)式中,α為入射角,n為析射率；β為棱鏡的頂角；Φ為偏向角。定義棱鏡的角色散率為，即波長(zhǎng)每變化0.1nm時(shí)偏向角的變化量

4、。將(5.3-1)式求導(dǎo)后代入，得(5.3-3)式中，dn/dλ表示不同材料的析射率對(duì)波長(zhǎng)變化的導(dǎo)數(shù)。設(shè)腔內(nèi)之光束所允許的發(fā)散角為θ，則由于色散棱鏡的分光作用，腔內(nèi)激光波長(zhǎng)所能允許的最小波長(zhǎng)分離范圍為(5.3-2)色散率的倒數(shù)為單位偏向角波長(zhǎng)的變化量例如：用玻璃材料制成的棱鏡和可見(jiàn)光波段來(lái)說(shuō)，在θ≈1mrad時(shí)，能達(dá)到的Δλ≈1nm。這種棱鏡色散法對(duì)一些激光器進(jìn)行選擇振蕩是十分有效的。如氬離子激光器兩條強(qiáng)工作譜線488nm和514.5nm就可采用此種色散進(jìn)行選擇。另一種色散腔是用一個(gè)反射光柵代替諧振腔的

5、一個(gè)反射鏡，如圖5.3-2所示。式中，m＝1,2……為衍射級(jí)次。設(shè)d為光柵柵距(光柵常數(shù))，α1為光線在光柵上的入射角，α2為光線在光柵上的反射角，則形成光柵衍射主極大值的條件是(5.3-4)(5.3-6)由(5.3-4)式可見(jiàn)，當(dāng)入射角相同時(shí)，不同波長(zhǎng)的的0級(jí)譜線(m=0)相互重合而沒(méi)有色散分光作用。對(duì)其他各級(jí)譜線而言，光柵的角色散率可由(5.3-4)式確定，即在入射角一定的前提下，單位波長(zhǎng)的反射角的變化。通常光柵工作在自準(zhǔn)直狀態(tài)下，即α1=α2=α(α為光柵的閃耀角，即光柵平面的法線Ｎ0與每條縫的平

6、面的法線N2之間的夾角，對(duì)小斜面而言是正入射），則光柵的角色散率為式求出：(5.3-5)設(shè)腔內(nèi)允許的光束發(fā)散角為θ，則因光柵色散所能允許的最小分離波長(zhǎng)范圍為（仿5.3-5式）對(duì)可見(jiàn)光譜區(qū)來(lái)說(shuō)，設(shè)α0=300,θ=1mrad,則Δλ不到1nm量級(jí)。由此可見(jiàn)，其色散選擇能力比棱鏡更高。由于光柵法不存在光束的透過(guò)損耗，因此可適用于較寬廣的光譜區(qū)域的激光器。色散腔法雖然能從較寬范圍的譜線中選出較窄的振蕩譜線，實(shí)現(xiàn)了單條熒光譜線的振蕩；但這還只是較粗略的選擇，在該條譜線的熒光線寬范圍內(nèi)，還存在著頻率間隔為　　的一

7、系列分立的振蕩頻率，即多個(gè)縱模，如何進(jìn)一步從單條譜線中選出單一的縱模，就要采取如下的一些方法。(5.3-7)２.短腔法激光振蕩的可能縱模數(shù)主要由工作物質(zhì)的增益線寬Δν0和諧振腔的縱模間隔Δνq決定。而縱模間隔　　　與腔長(zhǎng)成反比，因此選擇單縱模的方法之一是縮短諧振腔的長(zhǎng)度Ｌ,以增大Δνq，使得在Δν0范圍內(nèi)只存在一個(gè)縱模，而其余的縱模都位于Δν0之外，如圖5.3-3所示,此即所謂短腔法選縱模。圖5.3.3短腔法選模原理短腔法缺點(diǎn)：短腔法只適用于增益線寬較窄的激光器。由于腔長(zhǎng)縮短，激光輸出功率必然受到限制。

8、因此在大功率單縱模輸出的場(chǎng)合，此法不適用。如He-Ne激光器，當(dāng)L=1m時(shí)，其縱模間隔=150MHz(設(shè)n=1)。因若要求Δν0=1500MHz,單縱模振蕩就要求L=0.1m以下。3.法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法：如圖4-2所示，在外腔激光器的諧振腔內(nèi)，沿幾乎垂直于腔軸方向插入一個(gè)法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具由于多光束干涉的結(jié)果，對(duì)于滿足下列條件的光具有極高的透射率獲得最大透射率的兩相鄰頻率間隔圖(4-2)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法示意圖適當(dāng)?shù)恼{(diào)整角，就可以達(dá)到選