(精选)第二章 激光谐振腔技术选模及稳频技术
激光稳频(讲稿)
1）、激光位相调制光谱
激光位相调制过程如图：
RF
Ein
EOM
Eout
it
入射光波场为： E in E0 e 出射光场为：
c .c .
c .c.
外加调制电场为： Emod Em sin m t
Eout E0e
i [t ]
根据电光效应理论，用折射率椭球 方程计算位相延迟，将Eout记为E：
J 1 A1e
]
探测器上边带与载波外差拍频得到 频率为m的光电流信号为：
i 2kE J 0 J 1 A0 {[ A1 cos( 0 1 )
2 0
A1 cos( 1 0 )] cos m t [ A1 sin( 0 1 ) A1 sin( 1 0 )] sin m t }
●装置
PZT
激光器 振荡器
反馈控制
光电接收
选频放大 相敏检波
2、塞曼效应（吸收）稳频法 ●原理 I
左旋光 右旋光
纵向塞曼效应
0
吸收
左旋光
右旋光
0
吸收线的塞曼分裂
●装置
PZT
激光器
电光晶体
矩形波发生器
吸收
光电接收
调谐放大器
直流放大器
相敏检波器
3、无源腔稳频法 ●原理：以外界无源腔谐振频率作为参考
一个通道输入探测到的透射信号可得调制光谱线另一通道输入探测到的反射信号取不同的相移可分别得到色散型谱线或吸收型仔细调节光路和相移得到稳定对称线型完好的色散型谱线然后以伺服系统取代扫描电源调节伺服系统输出直流电平当调到色散谱线中心零点即获得共振透射时闭上环路
激光稳频技术
第二章 光学谐振腔
Pm
1 V
dN 模
d
8
c3
2
（7）同样在V=1cm3的闭合谐振腔中,其所包含的可 能振荡的模数目是差异很悬殊的：
微波区
光频区，
λ=3cm
| λ=5000埃
υ=c/λ=1010Hz | υ=c/λ=6*1014Hz
带宽Δυ=1010Hz | Δυ=1010Hz
N总
PmV
8
c3
2
2、其他方向开放导致损耗，限制了模数
（包括扩散、衍射、镜面非完全反射、工 作物质吸收等）
纵模：只有沿轴方向传播的模才能维持
振荡， 满足
q l.............(折射率 1, m, n 0)
2
波矢k k0,0,q ,............v vq
He-Ne：λ=6328埃， q 2l 2 100 3106
f=1-R
tc
l (1 R)c
例如： l=100cm,
R 0.98....... tc 100 0.02 31010 1.7 10 7
R 1....... tc
R
0.......t.c
l c
100 31010
3.3109 s
(2)纵模间距 • 暂不考虑横模，即m=n=0。
（5）振荡模总数
km, kn, kq 0
N模
2
1（球体积） k空间的模密度 8
因子2：每一个模有两个相互垂直偏振方向
N模
2 1 [ 4（2
83 c
)3]
8V
(2 )3
N模
激光谐振腔技术选模及稳频技术
为自现模或横模。 对于两个镜面完全相同的对称腔来说，这种稳定场分布经单程传播后即可实 现自再现。 综上所述，激光的横模，实际上就是谐振腔所允许的(也就是在腔内往返传播, 能保持相对稳定不变的)光场的各种横向稳定分布。
L ' vq
nL q c L
2nL
q
q
2
由于光频谐振腔的腔长远大于光波波长，整数q通常具有104 -106 数量级。
腔的两个相邻纵模频率之差Δνq称为纵模的频率间隔，简称纵模间隔，
vq
vq1
vq
c 2nL
c 2L '
腔长L越小，纵模间隔越大。
第二十页
激光腔模式及选模技术
激光腔模式
（2）横模 这种稳态场经一次往返后，唯一可能的变化仅是，镜面上各点场的振幅按同样 的比例衰减，各点的相位发生同样大小的滞后。
在t-t+dt时间内减少的光子数目为
dN
N0
t
e R dt
R
这（-dN）个光子的寿命为t，若在经过dt时间后，将不在腔内。N0个光子的平均寿命为：
_
t
1
N0
(dN )t 1 N0
t( N0
0 R
t
)e R
dt
R
腔内光子的平均寿命τR与腔的损耗有关， 损耗越小， τR越大，腔内的光子的平均说明越长
且有较大的功率输出；
（2）要求高阶横模的衍射损耗足够大，易于鉴别基模和高阶横模；
横模的选择方法大体上可分为两种：
（1）改变谐振腔的结构和参数，使高阶横模获得更大的衍射损耗，提高谐 振腔的选模性能；
第二章第三节激光器的稳频
激光器频率的不稳定因素
环境温度的起伏、激光管的发热及机械振动都会引起谐振 腔几何长度的改变。温度的变化、介质中反转集居数的起
伏以及大气的气压、湿度变化都会影响激光工作物质及谐 振腔裸露于大气部分的折射率。以上因素使腔长L及折射率 市都在一定范围ΔL，Δη内变化，因此频率νq也在Δν范围内 漂移。Δν可表示为：
唐山师范学院物理系
这时工作频率为f的选 频放大器输出为零,没 有附加的电压输送到 压电陶瓷上,因而激光 器继续工作于νo.如果 激光频率ν大于ν。,则 激光输出功率的调制 频率为f,相位与调制电 压相同。于是光电接 收器输出一频率为f的 信号,经选频放大器放 大后送入相敏检波器 。相敏检波器输出一 个负的直流电压。
唐山师范学院物理系
左图给出充普通氛气与 单一同位素Ne20的氦氖 激光器的输出功率曲线, 普通氖气包含Ne20及 Ne22两种同位素,二者谱 线中心频率之差为：
图8.2.3输出功率曲线圃 (a)单一同位素Ne20 (b)普通氖气。
22 20 890 MHz
因此,充普通氖气的氦氖激光器兰姆凹陷曲线不对称且 不够尖锐,制作单频稳频激光器时应充以单一同位素 Ne20或Ne22。兰姆凹陷法稳频可获得优于10-9的频率稳 定性。由于谱线中心频率ν。随激光器放电条件而改变, 频率复现性仅达10-7~10-8。此外,这种激光器的输出激 光的光强和频率均有微小的音频调制。
大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信、激光
陀螺及精密光谱研究等应朗领域中，需要频率稳定的激光 。
当谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的纵模频
率νq为：
q
q
c
2L
可见，实际激光器谐振腔的腔长L及腔内介质的折射率可
5.6稳频技术.
5.6稳频技术5.6.1概述5.6.1.1稳频概述激光器通过选模获得单频振荡后，由于内部和外界条件的变化，谐振频率仍然会在整个线型宽度内移动。
这种现象叫做“频率的漂移”。
由于漂移的存在就出现了激光器频率稳定性的问题。
稳频的任务就是设法控制那些可以控制的因素使其对振荡频率的干扰减至最小限度，从而提高激光频率的稳定性，减小频率的漂移。
频率的稳定性包括两个方面：一是频率稳定度；二是频率再现度。
前者指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移ν∆与振荡频率ν之比，频率稳定度定义为νν∆=S （5-44）S 值越小，表示频率稳定度越高。
频率稳定度又分为观测取样时间小于1秒的短期稳定度和大于1秒（通常达到数分钟乃至几小时）的长期稳定度。
频率再现度是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量，通常将频率再现度定义为νδν=R （5-45）式中的频率偏差δν可以是同一台激光器产生的，也可以是相同设计生产的不同激光器之间的，甚至是用相同能级跃迁、不同设计所制成的激光器在不同条件下输出光频率之间的偏差。
频率再现度的提高对于长度计量的基准的统一和精度的提高有极重要的意义。
根据实际的需要和现实的技术水平，一般希望稳定度和再现度都能在10－8以上。
目前稳定度一般是在l0－9左右，较高的可达10－11～10－13；再现度不易达到稳定度那样高，一般是在l0－7左右，高的可达10－10～l0－12。
5.6.1.2影响频率稳定的因素由激光的相关原理可知，激光器的工作频率为L cq μν2=（5-46）式中c 是真空中的光速，q 是选频的纵模序数，它们都是不变的；而腔长L 和气体介质的平均折射率μ可以因工作条件的变化而改变，进而引起频率的不稳定。
当L 的变化为L ∆，μ的变化为μ∆时，引起的频率相对变化为：L L νμνμ⎛⎫∆∆∆=-+ ⎪⎝⎭（5-47）式中“负号”表示ν的变化趋势和L 、μ的变化趋势正相反。
（5-47）式说明，频率的相对变化来自腔长L 和平均折射率μ受外界条件的扰动发生的变化。
第二章 光学谐振腔理论 激光物理(研究生)分析
稳定腔
1 1 A D1
2
(2.2.5)
非稳定腔 临界腔
1 A D 1或 1 A D 1
2
2
1 A D 1或 1 A D 1
2
2
为了得到稳定性条件 的更为简明的形式， 引入谐振腔的下述几 何参数
g1 g2
1 1
L
R1 L
R2
凹面R取正， 凸面R取负
(2.2.8)
共轴球面谐振腔的稳定性条件可叙述如下，当
去掉式中光场分布函数的下标j，用u(x,y)表示稳态场 分布函数，则自再现模积分方程为
u(x, y) ik
u ( x,
y)
e ik
(1
2
cos
)ds
4
L
令1/γ=σ，对于一般的激光谐振腔来说
L, R a
(3-6)
• 便可得到自再现模所满足的积分方程为：
u ml ml x, y Km x, y,x, yuml x, y rds
• 一些典型腔
2.2.3光学谐振腔的损耗
• 平均单程功率损耗δ,光子寿命τR, 品质因数Q 1.平均单程损耗指数因子δ
光从谐振腔一端传输到另一端的平均单程损耗指数 因子δ 定义为：
I0
i
r
d
t
1 ln 2
I0 I1
(2.2.10)
I1 吸收和散射 反射 衍射 透射的单程损耗
I1 I0e2
(2.2.11)
u
j 1 ( x,
y)
ik
4
u
j
(
x,
y)
e
ik
(1
cos )ds
(2.3.1)
• 为使问题简化，我们将只考虑对称开腔的情况。
稳频技术PPT教学课件
对于外腔式激光器，设谐振腔长为L，放电管长度为L0，则暴露在大气中部分 的相对长度为(L- L0)/L，大气的温度、气压、湿度的变化都会引起大气折射率的 变化，从而导致激光振荡频率的变动。
2020/10/16
4
设环境温度T=200C，气压p=1.013×105Pa，湿度H=1.133kPa,则 大气对633nm波长光的折射率变化系数分别为
综上所述，环境温度的变化、机械振动等外界干扰对激光频 率稳定性影响很大，因而自然联想到，最直接的稳频办法就是恒 温、防震、密封隔声、稳定电源等。
2020/10/16
8
图所示的是一台CO2激光器的防震、恒温装置。它采用了恒温措施， 温度可恒定在35±0.030C。为了防震，在所有部件之间都置有海绵垫，
2020/10/16
10
7.2.3 稳频方法概述
稳频的实质：保持n、L不变。
一. 被动式稳频
利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值 的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合
二.主动式稳频
稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术。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标准频率时，鉴频器给出误差 讯号,通过负反馈电路去控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。
③电路系统。将误差讯号转成一直流电压
加到压电陶瓷上，以改变腔长。
图7-20 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构
当压电陶瓷外表面加正电压、内表面加负电压时压电陶瓷伸长,反之则缩
2短02,0因/10而/16可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。
2020/10/16
11
7.2.4 兰姆凹陷法稳频
——利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频
光电子各章复习要点
各章复习要点第1章 激光原理概论1.光的波粒二相性，光子学说光是由一群以光速 c 运动的光量子（简称光子）所组成 2三种跃迁过程（自发辐射、受激辐射 和受激吸收）• 3.自发辐射和受激辐射的本质区别？• 4.在热平衡状态下，物质的粒子数密度按能级分布规律（正常分布）• 5.激光产生的必要条件:实现粒子数反转分布 • 6.激光产生的阈值条件：增益大于等于损耗 •7.激光的特点？•(1)极好的方向性（θ≈10-3rad)•(2)优越的单色性(Δν=3.8*108Hz,是单色 性最好的普通光源的线宽的105倍.•(3)极好的相干性(频率相同,传播方向同,相位差恒定)•(4)极高的亮度•光亮度:单位面积的光源,在其法向单位立体角内传送的光功率.•8激光器构成及每部分的功能νh E =λνc h c h c E m ///22===1激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因2.）泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因3.）光学谐振腔①提供光学正反馈作用②控制腔内振荡光束的特性•9激光产生的基本原理(以红宝石激光器为例)•⑴Cr3+的受激吸收过程．•⑵无辐射跃迁•⑶粒子数反转状态的形成•⑷个别的自发辐射 •⑸受激发射 •⑹激光的形成 •10.模式的概念及分类11.纵模的谐振条件的推导及纵模间隔的计算。
第2章 激光谐振腔技术、选模及稳频技术 • 1.掌握三个评价谐振腔的重要指标•最简单的光学谐振腔是在激活介质两端适当的位置放置两个具有高反射率的反射镜来构成的，与微波相比，采用开腔。
1）平均单程功率损耗率πλπφ222⋅=⋅=∆q nL qnL q 2=λnLcqv q 2=反射损耗：衍射损耗：（圆形平行平面腔）2）谐振腔寿命3）谐振腔Q 值• 2.了解横模选择的两种方法(1)只改变谐振腔的结构和参数,使高阶模具有大的衍射损耗(2)腔内插入附加的选模器件 3两种常用的抑制高阶横模的方法 1.调节反射镜 ✓ 优点:方法简单易行 ✓ 缺点:输出功率显著降低 2.腔内加光阑高阶横模的光束截面比基横模大，减小增益介质的有效孔径，可大大增加高阶横模的衍射损耗• 4.理解三种单纵模输出的方法 •1）短腔法10ln21I I =δ4.12)(207.0aLd λδ=)1(R c Lt c -=dr L L R c L cQ δδλπλδπλπ+==-=1.22)1(.221210010ln 21ln 21ln21r r r r I I I I -===δ•2）法布里-珀罗标准距法•3）复合腔选纵模第5章 光电子显示技术• 1.黑白CRT 的构成及每部分的功能？ • 电子枪、偏转系统和荧光屏三部分构成• 2.黑白CRT 的基本工作原理？ndc m 2=∆ν•电子枪发射出电子束，电子枪受阴极或栅极所加的视频信号电压的调制，电子束经过加束极的加速，聚焦极的聚焦，偏转磁场的偏转扫描到屏幕前面的荧光涂层上，产生复合发光，最终形成满足人眼视觉特性要求的光学图像。
稳频技术激光器稳频.pptx
图4-8 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构
当压电陶瓷外表面加正电压、内表面加负电压时压电陶瓷伸长,反之则缩 短,因而可利用压电陶瓷的伸缩来控制腔长。
第11页/共21页
二.腔长自动补偿系统的方框图
前
选频放大器只是对某一特定频率信号进行有选择性的放大与输出。相敏检 波器的作用是将选频放大后的信号电压与参考信号电压进行相位比较。当选 频放大信号为零时，相敏输出为零；当选频放大信号和参考信号同相位时， 相敏输出的直流电压为负，反之则为正。振荡器除供给相敏检波器以参考信 号电压外，还给出一个频率为 f [(约为lkHz)、幅度很小(只有零点几伏)的交 流讯号，称为“搜索讯号”]的正弦调制信号加到压电陶瓷环上对腔长进行调 制。
第12页/共21页
三. 稳频原理示意图。
➢假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩短， 引起激光频率由 偏至ν0 ， 与νB 的P位相正ν 好 相同 ,于是光电接收器输出一个频率为f 的信 号,经前置放大,选频放大后送入相敏整流器, 相敏整流器输出一个负的直流电压,经放大后 加在压电陶瓷的外表面,它使压电陶瓷缩短, 腔长伸长,于是频率vB 被拉回到v0
谢谢您的观看！
第21页/共21页
——利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳
频 ❖ 稳频原理：
1.兰姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激 光器输出的功率在中心频率处最小。
2.结构和原理：
①单纵模激光器。其中一块反射镜固定在 压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调 整腔长L。
②光探测器。利用光电转换装置，将光信 号转变为电信号——作为电路的信号。
( ) T
T
dT dt
9.3109
新激光ppt课件第二章 光学谐振腔理论02-精选文档32页
图3-1 惠更斯-菲涅耳原理
式中 源点
为源点 P'与观察点
P'处的波面法线 n与
P之间的距离； 为
P'P 的夹角；k2/
为光波矢的大小，为光波长； ds'为源点 P'
处的面元。
二、衍射积分公式在谐振腔中的应用
(3)等相位面的分布 共焦腔行波场相位分布决定于
m(x n ,y,z)k[fz2 z((x f2 2 y z2 2))](m n 1 ) 4 (arz fc)tg
与腔的轴线相交于z0点的等相位面的方程为
φ (x,y,z)= φ (0,0,z)
zz0
x2 y2 2R(z0)
迭代法
所谓迭代法,就是利用迭代公式
uj1(x,y) Kju(x',y')d's
M'
直接进行数值计算。 首先,假设在某一镜面上存在一个初始场分布u1,将它代 人上式,计算在腔内经第一次渡越而在第二个镜面上生成 的场u2,然后再用所得到的场代入，计算在腔内经第二次 渡越而在第一镜上生成的场u3。如此反复运算，在对称 开腔的情况下,当j足够大时,数值计算得出的uj uj+1uj+2满 足
m nar1 m g n k L (m n 1 ) 2
为单程附加相移Δ φ mn
谐振频率： νmnq2cL[q1 2(mn1)]
讨论 共焦腔模在频率上是高度简并的
频率间隔
同横邻纵
qm(n q1)mnq2cL
同纵邻横
m(m1)nqm
uj1(x,y)iL uj(x',y')eikd's M'
新激光ppt课件第二章 光学谐振腔理论01
将光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称 为腔的模式。从光子的观点来看，激光模式也就是 腔内可能区分的光子的状态。
2.腔与模的一般联系
腔内电磁场的本征态应由麦克斯韦方程组及腔的边界 条件决定。不同谐振腔的模式各不相同。对闭腔一般可
以通过直接求解麦克斯韦方程组来决定其模 式，而寻求开腔模式的问题通常归结为求解 一定类型的积分方程。
2.要制作一个腔长L=60cm的对称稳定腔，反射镜的曲 率半径取值范围如何？设稳定腔的一块反射镜的曲 率半径R1=4L，求另一面镜的曲率半径取值范围。
波的波节数由q决定.
➢ 腔的纵模:
由整数q所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模。
q为纵模序数.
➢ 纵模间隔:
腔的相邻两个纵模的频率之差Δvq称为纵模间隔。
q
q1q
C 2L
Δvq与q无关，对一定的光腔为一常数，因而腔的纵
模在频率尺度上是等距离排列的，
频率梳
例:对L＝10cm的气体激光器(设η=1)， Δvq＝1.5×109Hz
TEMmnq 三个独立的模序数，mn横模序数；q纵模序数
方形镜 m：水平轴光场节线数；n：垂直轴光场节线数
圆形镜 m：角向光场节线数；n：径向光场节线园数
➢ 基模与高阶模: m=0，n=0的横模为基模；其他横模为高阶模。
不同的纵模从频率的差异来区分，光场分布的差异极小； 不同的横模从强度花样来区分，但频率的差异也是存在的
A C
B D
就为光学系统的光线变换矩阵
自由空间的光线变换矩阵：
r2
r1 L1 2 1
TL 12
z
L
球面反射镜的光线变换矩阵：
2
r2 r1
激光原理 第二章光学谐振腔理论
光学谐振腔一方面具有光学正反馈作用,另一方面 也存在各种损耗。损耗的大小是评价谐振腔质量 的一个重要指标,决定了激光振荡的阈值和激光的 输出能量。本节将分析无源开腔的损耗,并讨论表 征无源腔质量的品质因数Q值及线宽。
一、损耗及其描述 (1)几何偏折损耗: 光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面 偏折出去，我们称这种损耗为几何偏折损 耗。其大小首先取决于腔的类型和几何尺 寸。
概述
3.波动光学分析方法 从波动光学的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论出发,可以建立 一个描述光学谐振腔模式特性的本征积分方程。 利用该方程原则上可以求得任意光腔的模式,从而得到场的 振幅、相位分布,谐振频率以及衍射损耗等腔模特性。 虽然数学上已严格证明了本征积分方程解的存在性,但只有在 腔镜几何尺寸趋于无穷大的情况下,该积分方程的解析求解 才是可能的。 对于腔镜几何尺寸有限的情况,迄今只对对称共焦腔求出了 解析解。 多数情况下,需要使用近似方法求数值解。虽然衍射积分方 程理论使用了标量场近似,也不涉及电磁波的偏振特性,但与 其他理论相比,仍可认为是一种比较普遍和严格的理论。
第一节 光学谐振腔的基本知识
本节主要讨论光学谐振腔的构成、分类、作用,以及 腔模的概念
光学谐振腔的构成和分类
根据结构、性能和机理等方面的不同,谐振腔有不同 的分类方式。
按能否忽略侧面边界,可将其分为
开腔、 闭腔 气体波导腔
第一节 光学谐振腔的基本知识
开腔而言： 1. 根据腔内傍轴光线几何逸出损耗的高低,又可分为 稳定腔、非稳腔及临界腔; 2. 按照腔镜的形状和结构,可分为球面腔和非球面腔; 3. 就腔内是否插入透镜之类的光学元件,或者是否考 虑腔镜以外的反射表面,可分为简单腔和复合腔; 4. 根据腔中辐射场的特点,可分为驻波腔和行波腔; 5. 从反馈机理的不同,可分为端面反馈腔和分布反馈 腔; 6. 根据构成谐振腔反射镜的个数,可分为两镜腔和多 镜腔等。
第二章 光学谐振腔理论
2.2 开放光学球面谐振腔的稳定性
用一个二阶方阵描述入射光线和出射光线的坐标变换。该 矩阵称为光学系统对光线的变换矩阵T。
r2 A B r1 r1 T 2 C D 1 1 A B 变换矩阵T C D
1）光波模式
光学谐振腔内可能存在的电磁波的本征态称为腔的模式 腔的模式也就是腔内可区分的光子的状态。同一模式内 的光子，具有完全相同的状态（如频率、偏振等）。 腔内电磁场的本征态（模式）由麦克斯韦方程组及腔的 边界条件决定。一旦给定了腔的具体结构，则其中振荡 模的特征也就随之确定下来——腔与模的一般联系。
3
z方向开放两维矩形谐振腔
n 4 / c2
y方向或x方向限制去掉，一维谐振 腔，F-P结构，模式密度将变为一个 常数——光学谐振腔
2.1 光学谐振腔概论
开腔中的振荡模式以TEMmnq表征。TEM表示纵向电场为 零的横电磁波，m、n、q为正整数，其中q为纵模指数， m、 n为横模指数。模的纵向电磁场分布由纵模指数表征，横向 电磁场分布与横模指数有关。 m与n为零的模称作基模，m>=1或n>=1的模称作高阶模。
第二章 光学谐振腔理论
本章大纲
§2.1 激光振荡条件 了解光波模式的基本概念，掌握激光振荡的增益条件和光学正反馈条件。 §2.2 开放光学球面谐振腔的稳定性 掌握稳定性判别原理和方法。 §2.3 光学谐振腔的损耗 掌握光学谐振腔几种损耗术语与概念。 §2.4 开放谐振腔模式衍射理论 了解衍射积分理论，掌握基模参数的计算公式，熟悉高阶模的特点。 §2.5 一般球面稳定腔模式
光学谐振腔的结构：
在增益介质的两端各加 一块反射镜M1、M2。 其中一块为全反射镜；另 一块为部分反射镜（反射 率接近于1）。
《激光稳频技术》课件
contents
目录
• 引言 • 激光稳频技术的基本原理 • 激光稳频技术的主要方法 • 激光稳频技术的实验装置与操作流程 • 激光稳频技术的应用实例 • 激光稳频技术的未来定义
激光稳频技术是一种利用各种物理效 应和光学技术，对激光频率进行稳定 和控制的科学技术。
原子干涉法
总结词
利用原子相干性，通过干涉现象对激光频率进行稳定的方法 。
详细描述
原子干涉法利用了原子相干性的特点。通过将原子制备成特 定的量子态，可以产生干涉现象。通过监测干涉现象的变化 ，可以调整激光的频率，使其稳定在一个特定的值上。这种 方法具有较高的稳定性和精度。
原子锁定法
总结词
利用原子能级结构，通过控制激光频率 与原子能级跃迁频率一致，实现激光频 率稳定的方法。
03 激光稳频技术的主要方法
饱和吸收法
总结词
通过利用饱和吸收现象，对激光频率进行稳定的方法。
详细描述
饱和吸收法利用了物质对激光的吸收特性。当激光的功率增加到一定程度时，物质的吸收系数会因为饱和效应而 减小，从而导致透射光的频率移动。通过监测透射光的频率变化，可以调整激光的频率，使其稳定在一个特定的 值上。
在光学频率梳中的应用
光学频率梳是一种能够产生一系列稳 定、等间距的梳状光谱的装置，广泛 应用于光谱分析、频率计量等领域。 激光稳频技术的应用，可以提高光学 频率梳产生的光谱的稳定性，减小频 率漂移，从而提高光谱分辨率和测量 精度。
VS
具体而言，通过采用激光稳频技术， 可以稳定光学频率梳中激光器的频率 ，使其与参考频率保持高度一致。这 样，产生的光谱梳状结构就会更加稳 定，光谱线宽更窄，能够更好地满足 高精度光谱分析和测量的需求。
激光谐振腔设计-lesson2
激光谐振腔设计－lesson2高明伟北京理工大学光电学院提纲•激光器设计中的若干问题：–谐振腔稳定性问题–热问题–激光晶体的选择与泵浦源的选择–模式匹配激光器设计中的若干问题•各个问题之间关联:•热问题是影响谐振腔稳定性的重要因素•热问题会影响到泵浦模式与振荡模式的模式匹配－激光增益饱和现象•不同激光晶体由于本身的材料特性和光学特性不同引起的热问题大小程度不同•可以看出热问题是激光设计中核心问题之一stable unstable 0-1-2-1-2谐振腔的稳定性及腔内光束参数¾束腰位置的高斯平面波衍射成为和它形式完全一样的光束－行波场¾由于波前为平面，所以衍射孔径为无穷大¾高斯光束边缘影响很小，当光束自在现模为高斯光束后，由于腔镜衍射引起的损耗很小，所以出射的光场分布，同自由空间平面高斯光束衍射光束场分布一致¾远场发散角只受高斯光束限制，无孔径限制，因此远场发散角小于小孔衍射角谐振腔的稳定性及腔内光束参数•利用q参数公式同样可以计算谐振腔内任意位置的光束参数。
•具体计算过程如下：1、利用激光光束束腰位置波前曲面半径未无穷大的条件，计算束腰的位置和基模高斯光束束腰宽度；2、利用q参数自由空间传输公式计算谐振腔中任意位置的光束宽度以及波前曲面半径；3、计算远场发散角等其它参数谐振腔的稳定性及腔内光束参数1、利用激光光束束腰位置波前曲面半径未无穷大的条件，计算束腰的位置和基模高斯光束束腰宽度；——首先估计束腰的位置，如果不能估计位置，通过计算也可以发现某个区间是否存在束腰谐振腔的稳定性及腔内光束参数2/利用q参数自由空间传输公式计算谐振腔中任意位置的光束宽度以及波前曲面半径；()z=q+qz激光器中的热问题•热产生的原因：–激光跃迁的荧光过程的量子效率小于1，除了产生激光能量外，其余的能量由于荧光猝灭产生热。
–晶体本身未泵浦吸收带的存在，当泵浦光光谱较宽时，晶体吸收发热，这种热效应主要存在于灯泵浦激光器中激光器中的热问题•激光器的热带来的问题：•晶体吸收泵浦光发热，晶体表面需要冷却，两者作用导致晶体内温度分布和应力不均匀——折射率分布的不均匀•激光材料中的热效应主要包括：–热透镜效应–热致双折射效应–端面热畸变效应激光器中的热问题•激光材料中的热效应引起的后果•应力裂缝－当温度梯度大于晶体的抗张强度•热致荧光猝灭•晶体端面热畸变－输出激光横模光束质量变差•增益饱和效应－热透镜引起的模式匹配变差输出功率变低激光器中的热问题•晶体中热效应的计算－有限元分析的方法[]),,()()(z y x Q T T div =∇−κκ 热传导系数T 开氏温度Q 热负载分布激光器中的热问题•如何通过有限元计算晶体中的热分布和应力分布？激光器中的热问题•需要用户定义的参数–热源和冷却模型－初始边界条件确定–Mesh 或Grid 网格大小－影响计算速度–收敛阈值条件－计算速度–叠代次数－计算速度有限元分析过去需要自己编程计算，现在有了许多工具软件可以提供辅助：LS-DYNA,ABAQUS,ANASYS, COSMOS,激光器中的热问题•有限元分析是一个复杂的数学问题，涉及诸多数学理论，而我们激光器中所应用的仅是热学这种简单的模型，如果大家感兴趣可以进一步深入研究•我们利用有限元分析计算的目的是获得不同泵浦条件下的热透镜的大小以及热应力的大小•如果不考虑泵浦条件或者根据以往的设计经验我们可以直接利用薄透镜替代热透镜插入腔内通过连续改变薄透镜的焦距来计算稳定性和腔内模式。
激光原理与激光技术第二章
在进入严格的模式理论之前，本节利用均匀平面波模型讨论开腔中傍 轴传播模式的谐振条件及纵模频率间隔的普遍表达式。
考虑均匀平面波在F—P腔中沿轴线方向往返传播的情形。当波在腔镜 上反射时，如射波与反射波将会发生干涉，多次往返反射就会发生多光束
干涉。为了能在腔内形成稳定振荡，要求波能因干涉而得到加强。 表示
3、谐振腔的Q值
谐振腔的Q值，沿用LC振荡回路的品质因数Q值来表征，其定义为：
Q=2 腔内存储的总能量
（2.1.11）
单位时间损耗的能量
Q=2p
2
nL
c
（2.1.12）
由上式看出，腔长越长，损耗越小，谐振腔的Q值越高，则激光 越容易起振。
4、无源腔的本征振荡线宽
在上面的讨论中已知，由于强损耗的存在，腔内光强是按指数规律
在 xa,ya的区域内，即在共焦反射镜面中心附近，角向长椭球
函数可以表示为厄米多项式和高斯分布函数的乘积。
FmXSom
c,X
c
X2
cmHm X e 2
Y2
Gn Y Son c,Y c =cnHn Y e 2
式中c m 、c n 为常系数；H m 为m阶厄米多项式。
（2.4.14）
A
D
1
非稳腔
1 2
A
D
1
临界腔
Homework ：试写出下图示腔的传播矩阵及稳定性条件
R
L
R
L
L
§2.3开腔模式的衍射理论分析方法
一、开腔模的一般物理概念 二、开腔模的衍射理论分析方法
一、开腔模的一般物理概念
为了简化分析，在这里我们提出一个理想的开腔模型：两块反射镜片 （平面的或曲面的）沉浸在均匀、无限的、各向同性的介质中。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2L
a
2L
0.61
a2
1.22
a2
1
a2
L
L
描述由衍射所引起的单程能量相对损耗百分数δd′, 当衍射损耗不太大时，应与 平均单程指数损耗因子δd，相等
d'来自d1a2
1 N N
a2
L
11
L
激光谐振腔设计基础
光学谐振腔的损耗
➢N称为腔的菲涅耳数，即从一个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲 涅耳半周期带的数目(对平面波阵面面言)。N是衍射现象中的一个特征参 数，表征着衍射损耗的大小；
4
激光谐振腔设计基础
光学谐振腔的作用
光学谐振腔的作用主要有两方面:
（1）提供轴向光波模的光学正反馈； 通过谐振腔镜面的反射，轴向光波模可在腔内往返传播，多次通过激活介质 而得到受激辐射放大，从而在腔内建立和维持稳定的自激振荡。光腔的这种 光学反馈作用主要取决于腔镜的反射率、几何形状以及之间的组合方式。这 些因素的改变将引起光学反馈作用的变化，即引起腔内光波模损耗的变化。
i
显然，当损耗很小时，这样定义的单程损耗因子δ′与前面定义的指数损耗因子δ
是一致的
8
2 ' I0 I1 I0 I0e2 1 (1 2 ) 2
I0
I0
激光谐振腔设计基础
光学谐振腔的损耗
常见损耗举例:
（1）由镜反射不完全所引起的损耗
以r1和r2分别表示腔的两个镜面的反射率(即功率反射系数)，则初始强度为I0 的光，在腔内经两个镜面反射往返一周后，其强度I1应为
上述（1）、（2）两种损耗又常称为选择损耗，不同模式的几何损耗与衍射损 耗各不相同。（3）、（4）两种损耗称为非选择损耗，通常情况下它们对各个 模式大体一样。
7
激光谐振腔设计基础
光学谐振腔的损耗
一、平均单程功率损耗率
不论损耗的起源如何，均可用“平均单程功率损耗率”又称称单程损耗因子)δ
来定量描述。该因子的定义为：如果初始光强为I0，在无源腔内往返一次后，
因此，将其称为开放式光学谐振腔。
3
图2-1 开放式光学谐振腔结构
激光谐振腔技术、选模及稳频技术
激光谐振腔设计基础
无源谐振腔
指虽有激光工作物质，但未被激发，从而无放大作用的激光器谐振腔。
有源谐振腔
经过激发有放大作用的激光器谐振腔。
虽然处于运转状态的激光器的谐振腔都是存在增益介质的有源腔(又称激 活腔或主动腔)，但理论和实践表明，对于中、低增益的激光器，无源腔 的模式理论可以作为有源腔模式的良好近似。对于高增益激光器，适当 加以修正也是适用的。 本章中只研究无源谐振腔，即无激活介质存在的腔。
➢在描述光学谐振腔的工作特性时，经常用到菲涅耳数这个概念。它是从一 个镜面中心看到另一个镜面上可以划分的菲涅耳半波带数，也是衍射光在 腔内的最大往返次数；
6
激光谐振腔设计基础
光学谐振腔的损耗
（3）腔镜反射不完全引起的损耗 这部分损耗包括镜中的吸收、散射及镜的透射损耗。通常光腔至少有一个反 射镜是部分透射的，有时透射率可能很高（如某些固体激光器的输出镜透射 率可以＞50％），另一个反射镜即通常所称的“全反射”镜，其反射率也不 可能做到100％。
（4）材料中的非激活吸收、散射，腔内插入物（如布儒斯特镜，调Q元件、调 制器等)所引起的损耗等。
光强衰减为I1则：
I1
I0e2
1 ln 2
I0 I1
如果损耗是由多种因素引起的，每一种原因引起的损耗以相应的损耗因子δi描述， 则有：
I1 I0e21 e22 e2 3 I0e2 i 1 2 3 ...
I1 I0r1r2
按δ的定义，对由镜面反射不完全所引入的损耗因子δ1，应有
I1 I0r1r2 I0e2r
因此：
r
1 2
ln r1r2
当r1≈r2 ≈1时
9
r
1 2
[(1
r1)
(1
r2 )]
激光谐振腔设计基础
光学谐振腔的损耗
（2）衍射损耗 由衍射引起的损耗随腔的类型、具体几何尺寸及振荡模式而不同，是一个很复 杂的问题。这里只就均匀平面波在平面孔径上的Fraunhofer衍射对腔的损耗作 一粗略的估计。
图2-2 Fraunhofer衍射示意图
10
激光谐振腔设计基础
光学谐振腔的损耗
如果忽略掉第一暗环以外的光，并假设在中央亮斑内光强均匀分布，则射到第
二个孔径以外的光能与总光能之比应等于该孔阑被中央亮斑所照亮的孔外面积
与总面积之比，即：
w1 w1 w0
s1 s1 s0
(a L )2 a2 (a L )2
《光电子技术基础》 第二章 激光谐振腔技术、选模及稳频技术
任课教师：左青卉
1
激光谐振腔技术、选模及稳频技术
本章内容提要
➢ 激光谐振腔设计基础 ➢ 激光模式及选模技术 ➢ 激光纵模及选频、稳频技术
2
激光谐振腔技术、选模及稳频技术
激光谐振腔设计基础
光学谐振腔是常用激光器的三个主要组成部分之一
与微波腔相比，光频腔的主要特点是： ➢侧面敞开以抑制振荡模式，轴向尺寸远大于光波长和腔的横向尺寸。 ➢从理论上分析时，通常认为其侧面没有边界，
5
激光谐振腔设计基础
光学谐振腔的损耗
光学谐振腔一方面具有光学正反馈作用，另一方面也存在各种损耗。损耗的大小 是评价谐振腔质量的一个重要指标，决定了激光振荡的阈值和激光的输出能量。 一、损耗及其描述 （1）几何偏折损耗
光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面偏折出去，我们称这种损耗为几 何偏折损耗。其大小首先取决于腔的类型和几何尺寸。 （2）衍射损耗 从波动光学观点来看，由于腔反射镜面几何尺寸是有限的，光波在腔内往 返传播时必然因腔镜边缘的衍射效应而产生损耗。如果在腔内插入其他光 学元件，还应当考虑其边缘或孔径的衍射引起的损耗。通常将这类损耗称 为衍射损耗，其大小与腔的菲涅耳数、腔的几何参数以及横模阶数等有关。
（2）产生对振荡光束的控制作用 由于激光模式的特性由光腔结构决定，因此，可通过改变腔参数实现对光波 模特性的控制。通过对腔的适当设计以及采取特殊的选模措施，可有效控制 腔内实际振荡的模式数目，使大量光子集中在少数几个状态中，从而提高光 子简并度，获得单色性和方向性好的相干光。通过调节腔的几何参数可直接 控制激光模的横向分布特性、光斑半径、谐振频率以及远场发散角等。