激光原理第四章学习教案.pptx
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1、会计学1激光激光(jgung)原理第四章原理第四章第一页,共50页。4.1 激光器输出(shch)的选模4.2 激光器的稳频4.3 激光束的变换(binhun)4.4 激光调制(tiozh)技术4.5 激光偏转技术4.6 激光调Q技术第四章 激光的基本技术4.7 激光锁模技术第1页/共50页第二页,共50页。本章目标:掌握激光实用的几种基本技术:选模技术(单纵模本章目标:掌握激光实用的几种基本技术:选模技术(单纵模与单横模的选取),稳频技术(兰姆凹陷稳频和饱和吸收稳频与单横模的选取),稳频技术(兰姆凹陷稳频和饱和吸收稳频),激光光束变换),激光光束变换(binhun)(binhun)技术,调制
2、、偏转、调技术,调制、偏转、调QQ和锁和锁模技术。模技术。 本章任务:掌握激光实用的几种基本技术原理,会根据实际本章任务:掌握激光实用的几种基本技术原理,会根据实际需要,选取合适激光技术实现项目(任务)要求需要,选取合适激光技术实现项目(任务)要求(yoqi)(yoqi),会利用选模、光束变换等公式进行相应计算。会利用选模、光束变换等公式进行相应计算。第四章 激光的基本(jbn)技术第2页/共50页第三页,共50页。 4.1 激光器输出(shch)的选模4.1.2 激光(jgung)单横模的选取4.1.1 激光(jgung)单纵模的选取第3页/共50页第四页,共50页。 本节目标:掌握激光选模
3、技术本节目标:掌握激光选模技术(jsh)(jsh):单纵模与单横模的典:单纵模与单横模的典型选取方法。型选取方法。 本节任务:会解释均匀加宽型介质谱线的纵模竞争本节任务:会解释均匀加宽型介质谱线的纵模竞争(jngzhng)(jngzhng),会解释均匀加宽型介质谱线的实际情形;,会解释均匀加宽型介质谱线的实际情形;非均匀加宽型介质输出模式特点;会根据实际需要选取单非均匀加宽型介质输出模式特点;会根据实际需要选取单纵模与单横模的选取方法。纵模与单横模的选取方法。 4.1 激光器输出(shch)的选模第4页/共50页第五页,共50页。4.1.1 4.1.1 激光激光(jgung)(jgung)单纵
4、模的选单纵模的选取取 1. 1. 均匀均匀(jnyn)(jnyn)增宽型谱线的纵增宽型谱线的纵模竞争模竞争(1) 当强度很大的光通过均匀增宽型介质时粒子数反转分布值下降,增益系数相应(xingyng)下降,但光谱的线型并不改变。阈GIGqq),(2) 多纵模的情况下,如图4-1所示,设有q-1,q,q+1三个纵模满足振荡条件。随着腔内光强逐步增强,q-1和q+1模都被抑制掉,只有q模的光强继续增长,最后变为曲线3的情形。图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争 4.1 激光器输出的选模第5页/共50页第六页,共50页。4.1.1 4.1.1 激光激光(jgung)(jgung)单纵模单纵模的选取的选取
5、 1. 1. 均匀均匀(jnyn)(jnyn)增宽型谱线的纵模增宽型谱线的纵模竞争竞争阈GIGqq),(图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争(3)若此时的光强为Iq,则有 ,于是振荡达到稳定,使激光器的内部只剩下q纵模的振荡。这种现象叫做“纵模的竞争”,竞争的结果总是(zn sh)最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来。(4)在均匀增宽的稳定态激光器中,当激发比较强时,也可能有比较弱的其他纵模?4.1 激光器输出的选模第6页/共50页第七页,共50页。4.1.1 4.1.1 激光激光(jgung)(jgung)单纵单纵模的选取模的选取 2. 2. 非均匀非均匀(jnyn)(jnyn)增宽型谱线的多
6、纵模振荡增宽型谱线的多纵模振荡 非均匀(jnyn)增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 4.1 激光器输出的选模 非均匀增宽激光器 的“烧孔效应”第7页/共50页第八页,共50页。q 0 激光(jgung)振荡的纵模数因此,利用不同纵模之间的增益(zngy)差异,在腔内引入一定的选择性损耗,使欲选的中心频率处纵模损耗最小,而其余纵模的附加损耗较大,只有中心频率附近的少数增益(zngy)大的纵模建立起振荡。最终形成并得到放大的是增益(zngy)最大的中心频率附近所对应的单纵模。激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡主要取决于这一个纵模的增益与损耗(snho)值的相对大小。对于同一个横模的不同纵模而
7、言,其损耗是相同的,但是不同纵模间却存在着增益差异基本思想:4.1 激光器输出的选模4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 3. 3. 单纵模的选取单纵模的选取第8页/共50页第九页,共50页。如果激光工作物质具有发射多条不同波长的激光谱线,那么,在纵模选择之前,必须将频率进行(jnxng)粗选, 将不需要的谱线抑制掉。1)、色散(ssn)腔粗选频率He-Ne laser: 632.8nm, 1.15 , 3.39 He-Ne激光器所能产生的激光谱线例如(lr), He-Ne激光器,可发射 623.8 nm,1150 nm,3390 nm三条谱线:4.1 激光器输出的选模4.
8、1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 3. 3. 单纵模的选取单纵模的选取第9页/共50页第十页,共50页。1)、色散(ssn)腔粗选频率 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(gungsh)在空间分离,然后设法仅使较窄波长区域内的光束(gungsh)在腔内形成振荡。色散棱镜(lngjng)的粗选装置图右图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。4.1 激光器输出的选模4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 3.
9、3. 单纵模的选取单纵模的选取第10页/共50页第十一页,共50页。1)、色散(ssn)腔粗选频率光栅(gungshn)色散腔粗选装置图设d为光栅(gungshn)栅距(光栅(gungshn)常数),1为光线在光栅(gungshn)上的入射角,2为光线在光栅(gungshn)上的反射角,则形成光栅(gungshn)衍射主极大值的条件是:式中,m1,2为衍射级次。maad)sin(sin21另一种色散腔是用一个反射光栅代替谐振腔的一个反射镜4.1 激光器输出的选模4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 3. 3. 单纵模的选取单纵模的选取第11页/共50页第十二页,共50页。
10、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。 nLc2He-Ne laser: 632.8nm, 1.15 , 3.391)、色散(ssn)腔粗选频率4.1 激光器输出(shch)的选模4.1.1 4.1.1 激光激光(jgung)(jgung)单纵模单纵模的选取的选取 3. 3. 单纵模的选取单纵模的选取第12页/共50页第十三页,共50页。4.1.1 4.1.1 激光激光(jgung)(
11、jgung)单纵模单纵模的选取的选取 3. 3. 单纵模的选取单纵模的选取(xunq)(xunq)2) 短腔法: 两相邻纵模间的频率差 ,要想得到单一纵模的输出,只要缩短腔长,使 的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度)2(Lcqq缺点 :激励介质(jizh)长度受限,输出功率甚至输出激光受限。4.1 激光器输出的选模 腔中允许的纵模数腔中允许的纵模数第13页/共50页第十四页,共50页。如He-Ne激光器,当L=1m时,其纵模间隔=150MHz (设n=1)。因0 = 1500 MHz,若要求(yoqi)单纵模振荡就要求(yoqi)L=0.1m以下。故短腔法只适用于增益线宽较窄的激光器。由于
12、腔长缩短,激光输出功率必然受到限制。因此在大功率单纵模输出(shch)的场合,此法不适用。4.1.1 4.1.1 激光激光(jgung)(jgung)单纵模单纵模的选取的选取 3. 3. 单纵模的选取单纵模的选取2) 短腔法: 4.1 激光器输出的选模第14页/共50页第十五页,共50页。3) 法布里-珀罗标准(biozhn)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(y )法布里珀罗标准具 法布里-珀罗标准具法示意图由于多光束干涉的结果,对于满足下列条件(tiojin)的光具有极高的透射率222sin2dmcm能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为 222s
13、in2dcm3. 3. 单纵模的选取单纵模的选取4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 4.1 激光器输出的选模)2(Lcq第15页/共50页第十六页,共50页。 F-P标准具选纵模的优点(yudin)在于标准具平行平面板间的厚度可以做得很薄,由于腔长没有缩短,输出功率仍可很大。3) 法布里-珀罗标准(biozhn)具法: 3. 3. 单纵模的选取单纵模的选取(xunq)(xunq)4.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 4.1 激光器输出的选模第16页/共50页第十七页,共50页。4) 三反射镜法: 激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替,其中M3和M
14、4为全反射镜,M2是具有(jyu)适当透射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合,如图4-3所示图4-3 三反射镜法两个(lin )谐振腔的纵模频率间隔分别为:c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)4.1.1 4.1.1 激光激光(jgung)(jgung)单纵模单纵模的选取的选取 4.1 激光器输出的选模第17页/共50页第十八页,共50页。=c/2(l1+l2)适当选择l2及l3,可以使复合腔的频率间隔足够大,即两相邻纵模间隔足够大,与增益线宽相比拟(bn)时,即可实现单纵模运转。 4) 三反射镜法: 4.1.1 4.1.1 激光激光(jgung)(jgung)单纵模单
15、纵模的选取的选取 4.1 激光器输出(shch)的选模三反射镜法i 1j2=c/2(l2+l3)第18页/共50页第十九页,共50页。横模选择(xunz)原理一类是改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别,提高(t go)谐振腔的选模性能另一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元件来提高(t go)选模性能谐振腔参数g、N选择法非稳腔选模微调谐振腔第一类小孔光阑选模法、望远系统选模法第二类4.1.2 激光单横模的选取 4.1 激光器输出的选模第19页/共50页第二十页,共50页。4.1.2 激光(jgung)单横模的选取 1. 衍射(ynsh)损耗和菲涅耳数(1) 由于衍射(ynsh)
16、效应形成的光能量损失称为衍射(ynsh)损耗。 (2)如图4-4所示的球面共焦腔,镜面上的基横模高斯光束光强分布可以表示为 )2exp()(2120 II(3)单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率 与射向镜面的总光功率 之比21020212002)2exp(2)(IdIdI图4-4 腔的衍射损耗4.1 激光器输出的选模第20页/共50页第二十一页,共50页。2122expaD(4)分析衍射损耗时为了方便,经常(jngchng)引入一个所谓“菲涅尔数”的参量,它定义为 )2exp(22)(212210aIdIaNLLaND2exp124.1.2 激光(jgung)单横模的选取 1. 衍射(y
17、nsh)损耗和菲涅耳数4.1 激光器输出的选模腔的衍射损耗21020212002)2exp(2)(IdIdI(3)单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率 与射向镜面的总光功率 之比第21页/共50页第二十二页,共50页。2. 衍射(ynsh)损耗曲线 图4-5给出了圆截面(jimin)共焦腔和圆截面(jimin)平行平面腔的衍射损耗菲涅尔数曲线。 不同腔的衍射损耗曲线3.光阑法选取(xunq)单横模 基本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑。 4.1.2 激光单横模的选取 4.1 激光器输出的选模第22页/共50页第二十三页,共50页。4.聚焦(jjio)光阑法和腔内望远镜法选横模 (
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