光栅在半导体激光器中的作用

一定，a b 减少，k1 k 增大．
表示：入射光波长一定，光栅常数越小，明纹 间相隔越远。
a b 一定， 增大，k1 k 增大．
表示：光栅常数一定，入射光波长越大，明纹间相隔越远。
4、单色平行光斜入射情况
和在光栅法线同侧 时，相邻两缝的光程差
(a b)(sin sin)
+ b，是光栅的
重要参数。
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer
（夫琅禾费）衍射
（1）光栅的结构
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer （夫琅禾费）衍射
L
P
衍射角
Q
o
f
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝（夫琅禾费）衍射
光栅衍射明条纹的必要条件
1、考虑多光束干涉 每条缝作为一个集体提供一光 线进行多光束干涉
四、缺级
当满足 (a b)sin时同时k满足单缝衍射极小
条件：
asin 2k' k' 1,2.....
2
光栅衍射的第k级主明纹与单缝衍射k´级暗纹重
合，k级主明纹不会出现，称为缺级现象。
k和k´的关系为：
即：
两整数之比时，缺级
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝夫琅禾费衍射
2、主明纹在屏幕上的位置
第k级明纹到中央明纹中心的距离 x f tan
(a b)sin k sin 1 k
ab
P

x
o
f
3、明纹间相距和光栅常数、入射波长的关系
由光栅方程可得第k级主明纹与第k＋1级主明纹 之间的角距离
sin k1
sin k


ab
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衍射角为时，相邻两缝间的光程差： 衍射角
(a b)sin

由振动叠加规律知，当满足 a b
(a b)sin k

k 0,1,2,

干涉相长，在方向形成明条纹。
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer （夫琅禾费）衍射
(a b)sin k (k 0,1,2.....)
主极大位置
sin = 0， (/d)， 2(/d)， … 和缝数无关
亮度：单缝衍射和多缝干涉的总效果。
2、极小 可以证明：在两个相邻主极大之间有N-1个暗 纹。 3、次极大
相邻两极小之间有一个次极大，相邻两主极大 间有N - 2个次极大；因亮度很小，一般可不计。
在N很大时，光栅衍射的暗纹和次极大联成一 片，几乎无法分辨，形成一个暗区，把主极大 衬托的既细又明亮。
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝Fraunhofer
（夫琅禾费）衍射
（1）光栅的结构
具有周期性的空间结构或光学性能的衍射屏，统称光栅。
大量相同的狭缝等间隔平行地排列就构成一个光栅。
种类
光
透射光栅 ，
栅 的
反射光栅。
构
造
b: 缝宽； d: 光栅的周期
光栅主要作用：分析光谱
a是透光部分的 宽度，b是不透 光部分的宽度， 光栅常量d = a
和在光栅法线异侧 时，相邻两缝的光程差


CA D
1
(a b)(sin sin)
B
2
P
光栅公式：
(a b)(sin sin) k
k 0,1,2.......
5、白光入射
(a b)sin k (k 0,1,2.....)
入射光为白光时，不同，不k 同，按波长分开形成光
I
ab 3 a1
2 a
a
ab
O
ab

a
2 sin
a
765432 101 23456 7
缺
缺
缺
缺
五、条纹特点
1、主极大 ——光栅方程
(a b)sin k (k 0,1,2.....)
k=0称为中央明纹 满足光栅方程出现的明纹称为主极大，光栅方 程是主极大的必要条件，但不是充分条件（存在 缺级）。
怎么办？？？ 发展了多种基于外部光学反馈的技术手段，来解决上述问题。
外部光反馈：在半导体激光器之外附加了外反馈元件后，将加大各个模式
之间的损耗差别，外反馈仅允许一个较窄波长范围内的光能返回到激光二极 管的发光区，相当于在反馈范围内的模式的损耗曲线急剧下降。其增益损耗 差比中心处的大很多，因此，通过增益饱和模式竞争,将只允许反馈范围内的 模式存在，而其他波长处的模式被抑制。
激光器的设计与制作
-----半导体激光技术
问题：
首先，尽管激光二极管输出的每个单模的线宽较窄，但输出光束是多 纵模的，其单色性由激活介质的辐射线宽所决定。激光的单色性好表现 在其单模上，因此要使激光真正表现出很高的单色性来，在技术上还需 解决一个问题，就是从多模中提取单模。
其次，基于光与原子相互作用需要用激光来和原子的超精细能级相作用, 对激光的线宽要求很窄，87Rb的超精细能级的自然线宽约6MHz，因此 要想激光的线宽低于MHz量级，需要对其线宽进行压窄。
外腔半导体激光器：是在半导体激光器(激光二极管)的外部引入外反馈元件
构成的。激光二极管(LD)的自然解理面构成外腔半导体激光器的内腔，内腔还 可以称为本征腔；外反馈元件与芯片端面构成的谐振腔为外腔，平面反射镜， 光栅，F一P标准具以及这些元件的组合都可以作为外腔半导体激光器的外反馈 元件。在各种外反馈元件中，光栅是目前应用最为普遍的外反馈元件。
3、综合考虑多缝干涉和单缝衍射 条纹位置不变,由多缝干涉决定，但强度受到单
缝衍射的调制。
I
I 单缝衍射 轮廓线
光栅中狭缝条数越多，明纹越亮. 1条缝
5条缝
2条缝
6条缝
3条缝
20条缝
亮纹的光强 I N 2I（0 N：狭缝数， I 0 ：单缝光强）
光栅的基本原理---光栅的结构及多缝夫琅禾费衍射
谱.
I
sin
0 一级光谱
三级光谱
二级光谱
光栅单色器的工作原理
单缝
输出平行光
0级光无色散，探测不同波长的强度，主要利用一级光
6 条纹的重叠
在衍射光谱中，级数较高的谱线会发生重叠。
满足上面条件时出现干涉明纹 此时并未没考虑单缝的衍射影响，得到的
明纹强度都相等。
I
2
0 2
sin
d
d
dd
2.单缝衍射对光栅多光束干涉结果的修正 考虑单缝衍射影响后，必须对各级明纹的强度
做出修正。


1
2
f
每条单缝都发生衍射，所以各缝的光强是单 缝衍射后的光强。需要注意：两缝衍射强度分布 是重合的！