第七章 激光器特性的控制与改善1

影响频率稳定的因素
c q q q 2L 2 L
腔长 折射率
c
L

： 环境温度起伏，激光管发热，机械振动 ： 环境温度变化，大气气压、湿度变化
频率漂移量：
L q ( ) L

激光频率的稳定问题，归结为保持腔长和折射率稳定的问题。
激光器稳频方法
主动稳频技术：选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使 激光频率偏离此特定的标准频率时，鉴别器产 生一个正比于偏离量的误差信号，此误差信号 经放大后又通过反馈系统回来调节腔长，使激 光频率回到标准的参考频率上，实现稳频。 把原子谱线的中心频率作为标准频率：兰姆凹陷法、塞曼效应法 利用外界参考频率作为标准频率：饱和吸收稳频法
（1）法布里—珀罗标准具法： 由于多光束干涉，只有某些 特定频率的光能透过标准具 在腔内往返传播，其他频率 的光不能透过标准具。
纵模选择
（二）纵模选择方法
3、选择性损耗法：
（1）法布里—珀罗标准具法：
标准具透射峰对应的频率：
c j j 2 d cos
单纵模输出
j q j osc
率将有1×10-8的变化。因此，要克服机械振动的影响，稳频激光
器必须采取良好的防震措施。
4.磁场的影响
为了减小温度影响，激光谐振腔间隔器多采用殷钢材料制成， 但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，如1.15μm波长的 He-Ne激光器，仅由于地磁场效应可以产生140kHz的频移。因而 地磁场效应和周围电子仪器的散磁场对于高稳定激光器影响必须 加以考虑。
（1）改变谐振腔的结构和参数
（2）在一定谐振腔内插入附加选模元件
1、谐振腔参数
g、N
选择法：
适当选择谐振腔的类型以及腔参数 g、N 值，使谐振腔的衍 射损耗满足选模条件，从而使激光器输出基横模激光束。
横模选择
（二）横模选择的方法
2、小孔光阑法： （1）使光斑尺寸较小的基 模无阻挡地通过小孔光阑， 光斑尺寸较大的高阶模受到 阻拦而遭受较大的损耗。
激光器稳频方法
被动稳频技术： 利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器或 将热膨胀系数为负值的材料与热膨胀系数为正值 的材料按照一定的长度配合，以使热膨胀相互抵 消，实现稳频。
（一）兰姆凹陷稳频
0 附近频率的微小变化会引起输出功率显著变化
压电陶瓷可根据加在其上 的电压作线性伸缩，即通 过加在陶瓷上的电压来控 制腔长。
纵模选择
（二）纵模选择方法
3、选择性损耗法： （2）复合腔选纵模： 用一个反射干涉系统代替腔的一个端面反射镜， 则其组合反射率是频率的函数。 Fox—Smith 型复合腔
纵模选择
（二）纵模选择方法
3、选择性损耗法：
（2）复合腔选纵模：
M1 M 2 :
两个谐振腔
1q
c q 2 ( L l2 )
1 d T ( dT ) 9.3 107 / 0 C
p ( ) 5 105 / Pa
1
d dp
H ( ) 8 10 / Pa
1 6
d dH
又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为
dT dt dp dt dH dt
0.01 C / min,
主要内容
1、模式选择 2、频率稳定
介绍
激光技术：改善和提高激光输出性能的各种技术
1、改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性：
模式选择、稳频、注入锁定技术
2、获得窄脉冲高峰值功率的激光束： Q调制、锁模技术、增益开关及腔倒空技术
第七章 激光器特性的控制与改善
§7.1 模式选择
回顾
横模：在谐振腔的横截面内激光光场的分布。
dH dt
式中，τ为测量时间，对示波器τ=3~5s，对XY记录τ≤1min。
3.机械振动的影响 机械振动也是导致光腔谐振频率变化的重要因素。如建筑物 的振动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支架振动, 使腔的光 学长度改变, 导致振荡频率的漂移；
对于L=100cm的光腔，当机械振动引起10-6cm的腔长改变时，频
z 12 r0 ( z ) 0 [1 ] 2 0
横模选择
（二）横模选择的方法
2、小孔光阑法： （2）腔内插入透镜，光阑放在透镜焦点上。——聚焦光阑法
沿轴向的平行光束， 聚焦后可通过小孔往 返振荡； 其他方向光束，聚焦 后被小孔阻截。
横模选择
（二）横模选择的方法
3、微调谐振腔（倾斜腔镜法） 方法：调整谐振腔的一块反射镜使其与轴线偏离。 原理：各种模式的衍射损耗都相应增加，高阶模损耗增加 更大，以致不能产生激光振荡；基模损耗较小，仍 可产生激光振荡。 4、非稳腔选模 原理：由于非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗有很大差 异。
稳压稳流电源。
图 单频CO2激光器防震、恒温装置 1.激光器 2.减震器 3.石英玻璃管 4.铅筒(外绕加热丝)
实验证明，采用恒温度、防震装置后, CO2激光器的长期频 率稳定度可达到10-7量级。但要提高到量级10-8以上，单靠这种被
动式稳频方法就很难达到了，必须采用电子伺服 控制系统对激光
器进行自动控制稳频，即主动稳频的方法。
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。
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，并将整个装置放在坚固稳定的防震台上；还采用了
ν ( L

)
一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氦氖激光器,当温度漂移 ±1℃时,由于腔长变化引起的频率漂移已超出增益曲线范围。 腔长变化、折射率变化都是影响频率稳定的因素
1.温度变化的影响 环境温度的起伏或者是激光管工作时发热，都会使腔材料随 着温度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即
T
（二）塞曼稳频 塞曼效应： 一个发光的原子系统置于磁场中时，其原子 谱线在磁场作用下会发生分裂。
左旋圆偏振光：
0 0
右旋圆偏振光：
采用纵向磁场，利用压电陶瓷控制腔长
q 0 :
左旋光光强 ＝ 右旋光光强
q 0 :
左旋光光强 < 右旋光光强
q 0 :
左旋光光强 > 右旋光光强
测出二圆偏振光输出功率的差值，作为鉴频的误差信号，再通过 伺服控制系统控制激光器腔长。
（三）饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频）
在谐振腔内放入一个充有低气压气体的吸收管，吸收管 内气体在激光振荡频率处有强吸收峰（吸收线）。
低压气体吸收峰的频率很稳定，故频率复现性好。
吸收饱和现象：吸收系数

将多个激光器稳定于不同级次的透过频率 上，可得到频率间隔固定的多路激光，用 于频分复用光通信的发射光源。
纵模选择
（二）纵模选择方法
2、行波腔法： 采用环形腔，腔内插入一个只允 许光单向通过的隔离器，形成无 空间烧孔的行波腔。随着自选模 过程，最终只有靠近中心频率的 一个纵模形成稳定振荡。
纵模选择
（二）纵模选择方法
3、选择性损耗法： 腔内插入标准具或构成组合腔，由于多光束干涉效应， 谐振腔具有与频率有关的选择性损耗。
L L


式中，△T为温度的变化量；α为谐振腔间隔材料的线膨胀系数， 硬质玻璃α=10-5/0C，石英玻璃α=6×10-7/0C，殷钢α=9×10-7/0C。
一般难以获得优于10-8的频率稳定度。
2.大气变化的影响 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。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
基模（ TEM 00 ）光强分布图案呈圆形，分布范围小，
光束发散角最小，功率密度最大，亮度最高。
纵模：沿谐振腔轴线方向的激光光场分布。
单频激光单色性、相干性最好。
横模选择
（一）横模选择原理
横模选择的物理基础：谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗。 初始光强为 光强变为：
I 0 的某个横模的光在谐振腔内往返一周，其平均单程
纵模选择
（一）纵模选择原理
不同纵模具有相同损耗，但因频率差异而具有不同的小 信号增益系数。 利用不同纵模间的增益差异，在腔内引入一定选择性损耗。
纵模选择
（二）纵模选择方法
1、短腔法（缩短腔的长度）：
相邻纵模间频率差：
c q q q 1 2L
减小
L
q
增大
荧光谱线振荡宽度内只有一个 纵模，从而实现单纵模振荡。
( ) 随入射光强的增加而减小。
（四）无源腔稳频


用外界无源腔的特征频率作为稳频的参考频率。 如利用F-P干涉仪稳定半导体激光器频率。 F-P干涉仪的透过率随光频发生变化。利用与兰姆 凹陷稳频类似的鉴频方法得到的误差信号控制激 光二极管的激励电流或外腔激光器的腔长，可使 激光频率稳定在F-P干涉仪的最佳透过频率。
0
133.3Pa / h, 656.6 Pa / h
则引起激光波长的变动分别为
( )

T p
T p H
dT dt dp dt
9.3 10
9
( ) ( ) H
6 109 4.8 109

在振荡频率 中所占比例：

影响频率稳定的因素
对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为：
ν q
c 2L
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 范围内变化,当L的变化为L， 的变化为 时，引起的频率 相对变化为： ν L
横模选择
（一）横模选择原理
与横模阶数无关的损耗：（非选择损耗）
腔镜透射率，腔内元件吸收、散射损耗等 与横模阶数相关的损耗：（选择损耗） 衍射损耗
决定横模鉴别能力的因素：
10 00 、 d
10 00
随 N 增加而 变大；
d
随 N 增加而 减小。
横模选择
（二）横模选择的方法
I I 0e
阈值条件：
g ol
r1r2 (1 )
g ol
I I 0 即：e
r1r2 (1 ) 1
横模选择
（一）横模选择原理
TEM 00 模： e
g00o l
0 g1 0l
r1r2 (1 00 ) 1
激光器以 TEM 00 模单模运转
TEM10 模： e
r1r2 (1 10 ) 1
M3 M M 2 : 2q
谐振条wk.baidu.com：
1q 2 q
c q 2 (l1 l2 )
第七章 激光器特性的控制与改善
§7.2 频率稳定
稳定性：激光器连续工作期间其频率改变量 在振荡频率 中所占比例：


同样设计，同样方法制成的激光器在同样条件下使用时， 复现性： 相互之间的频率偏差