激光特性的控制与改善

激光原理与技术
LASER Principles and Technology
赵风周
物理学院 2014年7月
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第五章 激光特性的控制与改善
模式选择技术（横模和纵模） 稳频技术 Q调制技术 锁模技术
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从一台简单激光器出射的激光束，其性能往往不能满足
应用的需要，因此不断地发展了旨在控制与改善激光器
输出特件的各种单元技术。
q右
c 2L 右 ( q右 )
1
q q0
q左 q右 2
ln 2 c
D
I ( 0左 0右 ) ( q左 q右 ) Is


由于 q左 q右 0左 0 右，所以上式可简化成
2
ln 2 c
性越好。
习惯上，有时把S()的倒数作为稳定度的量度，即
1 | | S ( )
平常说的稳定度为10-8，10-9等，就是这个意思。
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2、频率复现性

对作为频率或波长基准的激光器，不仅要求稳定度高，
而且要求频率重复性的精度也高。

频率复现性：不同地点、时间、环境下稳定频率的偏差 量与它们的平均频率(标准频率)的比值，指的是标准频率 自身的变化
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1.1 横模选择


物理基础：谐振腔中不同横模具有不同的损耗
在稳定腔中，基模的衍射损耗最低，横模阶次增高，衍射
损耗迅速增加。
单模运转的充分条件
①பைடு நூலகம்
TEM00模的单程增益至少能补偿其在腔内的单程损耗
0 r1r2 (1 00 ) exp( g00 l) 1
②
相邻横模应满足
0 r1r2 (1 10 ) exp( g10 l) 1
压、湿度
频率漂移
L L q L L
q
q
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1、频率稳定度
S ( ) ：某一测量时间间隔 内，频率平均值 与频率漂移量 | |
| | 之比
显然，变化量()越小，则S()越大，表示频率的稳定
谐振腔 理 论
高斯光束
输出频率
频率变换 技术
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第一节 模式选择
理想激光器的输出光束应只具有一个模式，但不采取选 模措施时，多数激光器的工作状态是多模的。
选模的意义：
① 基横模(TEM00)——发散角小，空间相干性好
② 单纵模 ——单色性好，时间相干性好
激光准直、激光加工、非线性光学研究、激光中远程测 距等应用均需基横模激光束。而在精密干涉计量、光通 信及大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的， 同时要求光束仅含有一个纵模。
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二、塞曼稳频
1. 基本原理
利用塞曼效应稳频包括纵向塞曼稳频、横向塞曼稳频、塞 曼吸收稳频三类 塞曼效应：原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象 (1)正常塞曼效应
不加外磁场时，原子在两个能级E1和E2(E1<E2)之间跃迁的 能量差为：E=E2-E1=h 原子核的磁矩比电子磁矩小大约三个数量级，如果只考虑电
双频激光器塞曼稳频方法
(1) 监测两圆偏振光输出功率的差值，作为鉴频的误差信 号，通过伺服控制系统调节激光器的腔长 (2) 利用拍频方法测出左、右圆偏振光的频差，作为鉴频 的误差信号，然后通过伺服控制系统调节激光器的腔长
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双频稳频激光器的频率稳定度可达10-10~10-11，频率复
现性为10-7~10-8
应的电信号。
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2. 稳频过程

压电陶瓷上加一直流电压和一频率为f 的音频调制电压
① 激光频率=0，调制电压使其在0附近变化，输出功率P以2f
做周期性变化——选频放大器输出为0，压电陶瓷上没有电压， 激光器工作于0频率
② 若>0，激光输出功率调制
频率为f，与调制电压同相位； 光电接收器输出频率为f的信 号，送入相敏检波器, 使其输 出一负直流电压, 使压电陶瓷 缩短, 腔长增加，激光频率被
osc
g th

l
F

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2、行波腔法—抑制烧孔效应

均匀加宽物质存在增益饱和，有助于形成单纵模振荡 驻波腔存在空间烧孔效应，激励足够强时，仍然会出现
多纵模振荡

采用环形腔，且在腔内插入一个只允许光单向通过的隔 离器，可形成行波场，实现单纵模振荡
激光工作物质
隔离器
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3、选择性损耗法
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横模选择的原则

在各个横模的增益大体相向的条件下，不同横模间衍射损 耗的差别就是进行横模选择的根据。

原则
① 尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比，损耗比越大，则
横模鉴别力越高
② 尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗，加大衍射损耗在总
损耗中的比例
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1、小孔光阑选模
小孔
小孔
基本思路：

减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗

加磁场后，光谱线发生塞满分裂，沿磁场方向观察，谱线
分裂为中心频率为0右的右旋偏振光和0左的左旋偏振光
0 0左 - 0右 2gJ

BH
h
随着光谱线的分裂，增益曲
线和色散曲线也发生分裂
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q纵模由于频率牵引，导致左旋和右旋偏振光的频率为 c q左 q q0 2L 左 ( q左 )
拉回0
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为了改善频率稳定性, 希望微弱的频率漂移就能产生足以
将频率拉回0的误差信号，这就要求兰姆凹陷窄而深，即
兰姆凹陷中心两侧的斜率尽可能大
兰姆凹陷稳频的实质

经谱线的中心频率0作为参考标准，当激光振荡频率偏离
0时，即输出一误差信息

通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一直流
电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长
解决途径：饱和吸收稳频
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吸收管内充气压:
1~10 Pa 多普勒加宽 为主 低压气体吸收峰频率 稳定性好
吸收饱和现象：吸收管内物质吸收系数为b()，当入射光足 够强时，由于下能级粒子数减少，上能级粒子数增加，b() 将随光强而逐渐减小 吸收饱和与增益饱和完全类似，把吸收看成负增益，则关于
4、微调谐振腔

平面腔：腔镜倾斜可抑制基模，实现高阶模振荡

稳定腔：倾斜腔镜基模受影响小，高阶模损耗明显增大
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1.2 纵模选择
激光工作物质中往往存在多对激光振荡能级，可以利用窄
带介质膜反射镜、光栅、棱镜等构成色散腔获得特定波长 的跃迁振荡 纵模选择：在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法 一般谐振腔不同纵模损耗相同，但是小信号增益各异 ——扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差
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1、短腔法

缩短腔长，增大相邻纵模间隔——小信号增益曲线上满 足阈值条件的有效宽度内只存在一个纵模
q
c osc 2L
g 0

适用于荧光线宽窄的激光器
例：He - Ne激光器， D 1.5GHz L 0.1m q 1.5GHz 单模 Nd：YAG， F 2 1011 Hz L 0.5mm
D
1
I 0 Is
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若无源腔的频率q0=0，塞曼分裂后的有源腔频率对称的分
布于0的两侧，左旋光和右旋光具有相同的小信号增益系数
，并具有相等的输出光强

若q0<0，则g左0(q左)<g右0(q右)，左旋光强小于右旋光强 若q0>0，则g左0(q左)>g右0(q右)，左旋光强大于右旋光强

在腔内插入标准具或构成组合腔，由于多光束干涉效应， 谐振腔具有与频率相关的选择性损耗
激光工作物质

L
d
c j j 2d cos
c j 2d cos
1 r 2d r c
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透射谱宽度
调整角，使j = q，且有
c j osc， q 2L

TEM00模和其它高阶模有不同的光斑尺寸
特点：


方法简单
不易获得大功率输出
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2、谐振腔参数g、N选模

适当选择谐振腔的类型和腔参数g、N，满足谐振腔单模
运转充分条件，实现基横模输出
3、非稳腔选模

非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗有很大差异


适用于高增益激光器选横模
非稳腔的输出光束为球面波或平面波
由双频稳频激光器构成的干涉仪具有较强的抗干扰能力
，可用于工业中的精密计量
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三、饱和吸收稳频(反兰姆凹陷稳频)
兰姆凹陷稳频和塞曼稳频都是以增益曲线中心频率0作为
参考标准频率，0易受放电条件的影响而变化，频率复现 性差 提高稳频精度提高兰姆凹陷锐度，但是激光管不能在过 低的气压下工作，频率稳定性的进一步改善受到限制
① 利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频，如兰姆凹
陷稳频法
② 利用外界参考频率作为鉴别器标准进行稳频，如饱和吸
收稳频法
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一、兰姆凹陷稳频
1. 基本原理
兰姆凹陷稳频法是以增益曲线中心频率0作为参考标准频率 ，通过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控制激光器腔长的， 它可使频率稳定于0处，其稳频装如图
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激光管采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐振腔
的两个反射镜安臵在殷钢架上，其中一个贴在压电陶瓷环上
陶瓷环的长度约为几厘米，环的内外表面接有两个电极，加 有频率为f 的调制电压，当外表面为正电压, 内表面为负电压 时陶瓷环伸长, 反之则缩短。 改变陶瓷环上的电压即可调整谐振腔的长度，以补偿外界因 素所造成的腔长变化。 光电接收器一般采用硅光电三极管，它能将光信号转变成相

把激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处
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3. 应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题
稳频激光器不仅要求是单横模，而且还要求必须是单纵模 频率稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率有关，斜率越大， 误差信号就越大，因而灵敏度高，稳定性就越好 兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性 兰姆凹陷稳频以原子跃迁谱线中心频率0作为参考标准
2. He-Ne激光器塞曼稳频
双频稳频He-Ne激光器的放电区加上0.03T左右的纵向磁场 ，利用压电陶瓷控制腔长
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(1) 未加磁场时
工作物质增益曲线和色散曲线如图
腔长足够短时，只有q的纵 模振荡，若q=0，则没有频
率牵引，(0)=0=1
c q q 2L
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(2) 加磁场时
mJ=0,±1，频率只有三个数值
BB ： 偏振，左旋偏振光 h ' h 0 ： 偏振，只有在垂直于磁 场方向才能观察到 B ： 偏振，右旋偏振光 B
一条频率为 的谱线在外磁场中分裂成三条谱线，相互之间 频率间隔相等=BB/h
洛伦兹单位：BB/(hc)
可获得单纵模输出 复合腔
福克斯-史密斯型复合腔
外腔半导体激光器选模装臵
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第二节 频率稳定
2.1外界因素对频率稳定性的影响
谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的频率为
q q
c 2L
谐振腔几何长度变化：温度、振动，L~10-3/oC 折射率变化：温度，n起伏(放电电流、驱动电流等)，气
为了改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性，发
展了模式选择、稳频及注入锁定技术。为了获得窄脉冲
高峰值功率的激光束，发展了Q调制、锁模、增益开关
及腔倒空技术。
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振荡阈值 振荡模式
选 模
调Q/锁模 /放大
速率方程
激光器 工作特性 增益饱和 输出线宽 弛豫振荡 输出功率
稳 频
LD直接调制/ 增益开关DFB
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I
原谱线
右旋光
左旋光
0

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(2)反常塞曼效应

只有总自旋为0的谱线才表现出正常塞曼效应。非单态的谱
线在磁场中表现出反常塞曼效应，谱线分裂条数不一定是3
条，间隔也不一定是一个洛伦兹单位
钠D线在磁场中的反常塞曼效应。其中589.0nm 的谱线分裂成4条，589.6nm的谱线分裂成6条。
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子的磁矩对原子总磁矩的贡献，那么磁场引起的附加能量为
U=-· B=-z· B=mJgJBB
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原子的每一个能级分裂成若干分立的能级，两个能级之间跃
迁的能量差为：
E =h=E2-E1=E2-E1+(m2Jg2J-m1Jg1J)BB
对于自旋为零的体系有g1J = g2J = 1。由于跃迁的选择定则
R
s' s s
评价一台稳频激光器，不仅要看其频率稳定度，而且还要 看它的频率复现性。
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2.2 激光器主动稳频技术
稳频技术的实质就是保持谐振腔光程长度的稳定性。 主动稳频技术就是选取一个稳定的参考标准频率，当外 界影响使激光频率偏离此特定的标准频率时，能设法鉴 别出来，再人为地通过控制系统自动调节腔长，将激光 频率回复到特定的标准频率上，最后达到稳频的目的 主动稳频的方法大致可以分为两类