最新激光原理及应用4课件PPT.ppt

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1、激光原理及应用4激光的基本技术直接对激光谐振腔的输出特性产生作用如：选模技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；独立应用于谐振腔外如光束变换技术、调制技术和偏转技术等4.1激光器输出的选模激光的优点在于它具有良好的单色性、方向性和相干性。理想的激光器输出光束应该只有一个模式，但是对于实际的激光器，如果不采取模式选择，它们的工作状态往往是多模的。含有高阶模式横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角大。含有多纵模及多横模的激光器单色性及相干性差。在激光准直、激光加工、非线性光学、激光远程测距等领域都需要基横模激

2、光束。在精密干涉测量，光通讯及大面积全息照相等应用中更要求激光是单横模和单纵模光束。因此，设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是一个重要课题。通常是利用腔镜反射膜的光谱特性(只对某个波段反射率大)或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间分离，然后设法，仅使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡。(注:n0=1)(5.3-1)’图5.3-1所示的是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。谐振腔所能选择振荡的最小波长范围由棱镜的角色散和腔内振荡光束的发散角决定。AccTBCDO图5.3-1

3、棱镜色散粗选装置法线法线α1=α2=αφ因2c+T=1800,又β+T=1800所以c=β/2由四边形ABCD知T+2α+(180-Φ)=360由四边形ABCO知β+T=1800上两式联立得:α=(Φ+β)/2,所以(由折射定律，见上面公式）(5.3-1)设光线进入棱镜的入射角α1与光线离开棱镜的出射角α2相等，即α1=α2=α。根据物理光学折射定理，有(设折射角为c):(注:n0=1)式中,α为入射角,n为析射率；β为棱镜的顶角；Φ为偏向角。定义棱镜的角色散率为，即波长每变化0.1nm时偏向角的变化量

4、。将(5.3-1)式求导后代入，得(5.3-3)式中，dn/dλ表示不同材料的析射率对波长变化的导数。设腔内之光束所允许的发散角为θ，则由于色散棱镜的分光作用，腔内激光波长所能允许的最小波长分离范围为(5.3-2)色散率的倒数为单位偏向角波长的变化量例如：用玻璃材料制成的棱镜和可见光波段来说，在θ≈1mrad时，能达到的Δλ≈1nm。这种棱镜色散法对一些激光器进行选择振荡是十分有效的。如氩离子激光器两条强工作谱线488nm和514.5nm就可采用此种色散进行选择。另一种色散腔是用一个反射光栅代替谐振腔的

5、一个反射镜，如图5.3-2所示。式中，m＝1,2……为衍射级次。设d为光栅栅距(光栅常数)，α1为光线在光栅上的入射角，α2为光线在光栅上的反射角，则形成光栅衍射主极大值的条件是(5.3-4)(5.3-6)由(5.3-4)式可见，当入射角相同时，不同波长的的0级谱线(m=0)相互重合而没有色散分光作用。对其他各级谱线而言，光栅的角色散率可由(5.3-4)式确定，即在入射角一定的前提下，单位波长的反射角的变化。通常光栅工作在自准直状态下，即α1=α2=α(α为光栅的闪耀角，即光栅平面的法线Ｎ0与每条缝的平

6、面的法线N2之间的夹角，对小斜面而言是正入射），则光栅的角色散率为式求出：(5.3-5)设腔内允许的光束发散角为θ，则因光栅色散所能允许的最小分离波长范围为（仿5.3-5式）对可见光谱区来说，设α0=300,θ=1mrad,则Δλ不到1nm量级。由此可见，其色散选择能力比棱镜更高。由于光栅法不存在光束的透过损耗，因此可适用于较宽广的光谱区域的激光器。色散腔法虽然能从较宽范围的谱线中选出较窄的振荡谱线，实现了单条荧光谱线的振荡；但这还只是较粗略的选择，在该条谱线的荧光线宽范围内，还存在着频率间隔为　　的一

7、系列分立的振荡频率，即多个纵模，如何进一步从单条谱线中选出单一的纵模，就要采取如下的一些方法。(5.3-7)２.短腔法激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽Δν0和谐振腔的纵模间隔Δνq决定。而纵模间隔　　　与腔长成反比，因此选择单纵模的方法之一是缩短谐振腔的长度Ｌ,以增大Δνq，使得在Δν0范围内只存在一个纵模，而其余的纵模都位于Δν0之外，如图5.3-3所示,此即所谓短腔法选纵模。图5.3.3短腔法选模原理短腔法缺点：短腔法只适用于增益线宽较窄的激光器。由于腔长缩短，激光输出功率必然受到限制。

8、因此在大功率单纵模输出的场合，此法不适用。如He-Ne激光器，当L=1m时，其纵模间隔=150MHz(设n=1)。因若要求Δν0=1500MHz,单纵模振荡就要求L=0.1m以下。3.法布里-珀罗标准具法：如图4-2所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里－珀罗标准具由于多光束干涉的结果，对于满足下列条件的光具有极高的透射率获得最大透射率的两相邻频率间隔图(4-2)法布里-珀罗标准具法示意图适当的调整角，就可以达到选