激光光谱-05-激光光源01

几种常见的开放谐振腔
Confocal :
稳定腔的判据
1 1 1 R1 R2 , g1 g 2 2 2 4 2 Concentric L L R1 R2 , g1 g 2 1
• 稳定腔：
• 非稳腔： • 届稳腔 (metastable resonator)：

c
2L



0 near - planar g1 , g 2 1 1 near - confocal g1 , g 2 0 2 1 near - concentric g , g 1 1 2
Siegman, Lasers, University Science Books, 1986.
1 x2 y2 2 R r , z 1 m n arctan 1 2 R 1 4 1 2 2z R x 2 y 2 2 Equal phase plane : z const. 2 2R 1
无源腔模式频率分布
球面腔横模结构，高斯光束
非稳腔：球面波的传播
两种共焦非稳腔
正支Hale Waihona Puke Baidu负支
环形腔
受抑全反射: 隐失波(倏逝波)耦合
单向环形腔的特点：行波模，无空间烧孔，充分利用增益介质。
环形腔的单向运行
• 光学二极管的基本原理：
– 线性双折射晶体或电光 晶体，产生线偏振的相 移(o光，e光)，偏振面旋 转角度仅与晶体有关， 与光束传播方向无关； – 圆双折射溶液或磁光晶 体，产生圆偏振的相 移，左旋、右旋的定义 与光传播方向有关，偏 振面旋转与光的传播方 向有关。
第5讲 光谱技术中的激光光源 I
1. 2. Laser Spectroscopy, 4th Edition, Ch.5 激光光谱技术原理与应用，第3章 zuoduluo@mail.hust.edu.cn
概要
1. 激光原理简单回顾 2. 单模激光的实验实现 3. 单模激光的调谐/单模激光的线宽
1. 激光原理简单回顾
Lyot Filter
光强稳定
• 激光光谱的信号强弱直接与光强相关，稳定的光强 对简化数据分析过程有极大帮助。 • 稳定措施举例：反馈调节电源；输出光调节。
低速，某些激光器稳定度达0.5%
高速，但功率损耗达20 – 50%
波长稳定
• 共振方程： • 腔长或折射率变化将引起波长/频率变化：
• 腔长、折射率漂移的原因：温度，气压波动。 • 解决方案：提高温度、气压稳定性；反馈调 节。
ABCD Law
02 q z jz0 z j
Aq1 B q2 Cq1 D Compared with that in ray optics : r2 A B r1 C D 1 2
单纵模的选择
• 腔外选择：高选择性的滤波 手段，功率损失。 • 腔内单纵模选择的基本点： 纵模间距大于阈值上增益线 宽。
– 与增益曲线中心不重合： c 2d m – 重合：2 c 2d c d m
• 单纵模运行的实现方法：
– Etalon或者FP干涉仪； – Machelson干涉仪； – 宽增益介质：激光线选择与 单纵模选择相结合。
Etalon选择单纵模
• Etalon的透射峰：
mm 2nt cos
• Etalon的自由光谱范围： m m1 m 1 m • Etalon的角度：
2nt cos 2d m q m d cos q nt
增益线宽
m
m: Etalon干涉级次； q: 谐振腔纵模级次
高斯光束 – 波动方程的近似解
2 2 2u k 2u 0 2 ik 0 2 2 z y x u x, y, z exp jkz k 2 exp j P 2q r where
球面镜腔的ABCD矩阵计算例
0 1 L 1 0 1 1 ABCD 1 1 1 0 1 R1 R2 L L 1 R1 N. Hodgson, H. Weber, Laser 1 L L 1 resonators and beam propagation, R R 1 R 1 R 1 2 1 2 Springer, 2005. L g1 g1 g 2 1 g2 L
增益线宽
0 a c a Dispersion relation : n a 1 m 2 a Threshold condition : a 2d , r c 4d

谐振腔共振线宽
r r 0 m a r 1 m r r 0 r m
Amn
对称共焦腔的光场表达式 (笛卡尔Cartesian坐标) r x, y, z CH x H y exp w exp i z , r , R
2 * * m n

2

where 2x x w
*
2y y w
*
2 2 z d 2z 2 2 w z 1 w0 1 z 2 d 0
连续调谐技术
• 激光线调节：光栅/棱镜调节； • 单纵模调节：
– 旋转Etalon调整透过峰位置，或者伸缩(棱镜)FPI – 压电陶瓷，或者旋转Brewster平板调整腔长
棱镜FPI 参考腔
Brewster平板
单模激光波长的标定
• 两台FPI产生频 率标志； • 只要将两台FPI 的同时透过峰 对准1条已知谱 线，则所有同 时透过峰的位 置均可准确获 得； • 由此标尺，可 获得所有未知 谱线的波长。
均匀加宽有源腔： 模式频率向增益曲线中心频率移动
2. 单模激光的实验实现
• 跃迁线(支线)选择； • 基横模运行； • 单纵模运行； • 连续调谐。
Ar+激光的激光线选择
Brewster棱镜：p偏振无反射透过。 支线选择的另一案例：选支 Littrow棱镜：反射镜与棱镜的组合。 调谐CO2激光
CO2激光器的支线选择
• g参数； • 谐振腔； • 横模结构； • 纵模结构。
g参数
• g参数的定义：
• TEM00在球面镜上的光斑大小：
有些文献中，腔长用L表示。
ABCD矩阵及g参数计算
单程ABCD矩阵
* g1 L* * * ABCD g1 g 2 1 * g 2 * L
2x 2 y H n exp Hm w w z m, n; z m n 1 arctan 2 0
模式频率
arccos g1 g 2 mnq q m n 1 where for g1 0 and g 2 0 arccos g1 g 2
谱线标志: …, P(18), P(20), …, …, R(18), R(20), …
光束扩束准直有利于提高分辨率
He-Ne激光器的激光线选择
• 公共上能级或下能级： 抑制一支，加强另一支。
– CH4吸收池：抑制3.39 m； – 棱镜。
• 级联跃迁(cascade transitions，2.39 m)：
02 q q0 z j z
1 1 j 2 q R
j j P 2 ln 1 jP z 0 2 q z j 0 z




2
2 j arctan z 0


thus 0 jk 2 1 2 u r , z exp j kz r 2 where arctanz 0 2 R
Michelson干涉选择单纵模
M2, M3: Fox-Smith Cavity
A: 吸收率
多线增益介质：同时选线与选单纵模 I
考虑反射的相移，相消干涉条件：
同时选线与选单纵模 II
棱镜选线； 双标准具选单纵模
同时选线与选单纵模 III
双折射干涉滤光片
CW dye laser
Pulsed dye laser
– 上一级的激光辐射促成下 一级激光辐射的粒子数反 转； – 腔外棱镜或光栅选线。
横模的抑制
g参数
• 横模抑制的根本措施：选择合 适的谐振腔光阑大小，a 3w/2，基模衍射损耗小于1%。 纹波小于1%， a 5w/2。 • 由于横模的模式竞争，光阑大 小的要求，可以有所放松: 基 模振荡使高阶模的增益降低。
H Kogelnik, and T Li, “Laser beams and resonators,” Proc IEEE, 54 pp.1312-29 (1966).
高阶模（迪卡尔坐标）
x y g h exp w k 2 j P r 2q k 2 j P r 2q
无源腔的模式频率
对称共焦腔，注意与对称共焦F-P干涉仪的比较。
即使纵模阶次相同，不同横模阶次， 仍有不同的模式频率。 在某些条件下，如果横模没有受到抑 制，可能出现模式频率的简并。
有源腔的模式频率 – 模式牵引
Passive cavity : 2 r 2d c 2m Active cavity : 2 a n a 2d c 2m
腔镜机械振动的隔离
腔长的主动控制：压电陶瓷反馈调节
0附近，PH D2主要探测到2f频 率；远离0，f频率，信号强度正比 于波长偏差。
压电陶瓷反馈调节 II
波长稳定在FPI透过率的斜边。 不需要对FPI的透过率进行调制，省略了锁相放大。
3. 单模激光器的可控波长调谐
• 连续调谐技术； • 单模激光波长的标定。
单模激光的线宽
• 线宽的技术因素：nd的涨 落 • 激光器的共振线宽(c)， 对激光线宽起限制作用。 • 线宽的本质因素：
– 自发辐射； – 光子的统计分布； – 相位涨落：自发辐射受激放 大产生的相位涨落，线宽的 主要决定因素。Lorentzian线 型。 1. 理论线宽可达到10-4 Hz量级， 但实际线宽受限于nd的涨落； 2. 适当措施，单纵模激光的线宽 在10 kHz – 1 MHz ； 3. 最复杂的措施，1 Hz量级。
N th 1, N sp 1
Schwalow-Townes关系：
6. 小结
• 激光光谱中的激光器，有其特殊的要求：
– 窄线宽； – 可调谐； – 高稳定性：频率稳定，功率稳定。。