第七章激光器特性的控制与改善教学文案

选纵模方法
短腔法－缩短腔长，增大纵模间隔
q
c 2L
osc
适用于荧光线宽窄的激光器
g0
osc
l
例：He-Ne D1.5GHz
F
L0.1 m q1.5 G H z 单模
YAG： F 21011
L0.5mm
腔内插入 F-P标准具
激光工作物质
L
d
自由光谱区
j
c
2d cos
g0
插入FP后 透射宽度 c 1r
• 选择标准参考频率
• 获取误差信号
• 驱动电子伺服系统自动调节腔长
三、稳频方法 *兰姆凹陷 *饱和吸收 塞曼吸收 F-P标准具
<0 反相
>0 同相
0 =0
同相 2f
<0 反相
稳频系统
光电 接收
频率稳定性：10-9
压电陶瓷：改变腔长 直流:
调节激光器输出频率
交流信号:
搜索信号， 判断 +,-
一、外界因素对频率稳定性的影响
纵模频率：
q
qc 2 L
频率稳定性：
谐振腔几何长度变化：温度、振动 10-3/oC
折射率变化：温度，起伏（放电电流、驱动电
流等），气压、湿度
单模氦氖激光器频率稳定性：10-4-10-5 =1010Hz 采取恒温、防震、隔声、稳压、稳流措施：10-7
二、稳频基本原理：－稳定谐振腔光学长度
0.8
1
1.2
1.4
1 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
行波环形腔
激光工作物质
隔离器
抑制空间烧孔效应
组合腔
分布反馈(DFB)半导体激光器
（Distributed Feedback）
p-TYPE n-TYPE
GRATING
m 2
0
分布布喇格反射(DBR)
DBR
P-TYPE n-TYPE DBR
外腔半导体激光器
LD
§7.2 稳频激光器
T2,R2
I o u t I T T 2 I T 1 R 2 I 0 I inT1 I in 1 R 1
R1 1 2 , R2 2 2
Ε TE01Γ1Γ2ejΔΓ1Γ2ejΔ2Γ1Γ2ejΔ3
E01Γ1Γ 12ejΔ
I T I 0
1
2
1 R1R 2 4 R1R 2 sin 2 2
聚焦光阑选模
基本思路： 减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗 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
• 非稳腔选横模 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
双凸
平凹
平凸
单程放大率 m 1 a 1 a 1 m 2 a 2 a 2本征函数 ux xn
正向电压 外，内 反向电压 外，内
0 0 0
同相 反相
2f
反向 正向 0 电压
压电陶瓷 腔长q 拉回0
压电陶瓷 腔长q 拉回0
压电陶瓷不变
0
•频率复现性差 10-7 • 要求兰姆凹陷对称, 窄且深
R0.99
T2q12.53105
透过率T
1
R=0.7
0.9
R=0.8
0.8
R=0.9
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 -0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
q
2
2 k L ' 2 2 L ' 2 c 2 v L ' 2 L c 2 L c
纵坐标可由或表示
定义品质因数Q，表示腔的锐度，或者频率敏感程度
Q 1 2 20 L 1 R 1 R R 1 2 R 2 1 4 1 2 L Q 0 Q R Q
自由光谱区宽度
定义：精细度(Finesse) F= 半高全宽度
1 2
F-P腔内平面 波传输时
F
12
c212L1R R11R R221142
RF
结论：精细度与腔长、 波长无 1
u0 1
往返一周放大率 Mm1m2 双凸腔 m1l1l1L m2l2l2L
本征值 n
1
n 1
M2
u1 x u2 x2
• 高损耗腔，相邻横模间衍射损耗差异大，模体积大
• 微调谐振腔
2. 纵模选择－提高时间相干性
－在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法
纵模选择原则
扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差
Q 0 0 0
12 12 12
QT
1
R1R212R4 11 R1RR 2s2in22
sin
2 ,
1 R1R2 1 2 R1R2 1
2 4
2 ,
1 R1R2 1 2 R1R2 1
2 4
q
sin2,2,q
2kLq2 2cL22q cL , q0L2
122cL22cL22cL 1R R 11R R 221142
R=0.7
0.9
R=0.8
关，由F-P腔端面反射率决定
0.8 0.7
R=0.9
例：L=1m， 0=632.8nm R1=R2=0.99, =c/0=4.74×1014 Hz,
1/2=480 kHz; Q=9.88×108, F=313
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
• 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 Tds 1s 2i
横模选择方法 • 谐振腔设计 • 小孔光阑 • 非稳腔 • 微调谐振腔 合理选择腔型及腔结构参 数，使 TEM00和 TEM10模 之间有足够的差异
圆形平面镜腔 圆形镜共焦腔
• 小孔光阑选横模
小孔
小孔
小孔光阑选模
Iout IT 1 R 2
I in 1
1 R1 1 R 2
2
R1R2 4
R1R 2 sin 2 2
F-P 腔透过率曲线 (R1 R2 R)
T
I out I in
1
R
2
1 R 2 4 R sin 2
2
2q 2q
T2q11R R221
T2q111R R22R 1 0
2d r
l
F-P标准具的设计考虑
T
j
j osc
q
c 2L
1、谐振腔的锐度：品质因数Q和精细度F F-P腔中的平面波为例，两反射镜反射率分别为R1R2
Iin
I0 E0
E1
E2 E3
T1,R1
ET E0 E1 E2 E3 E4
E0-
Es112Esej
Iout I E E * 2 ' ' / 1 2 波阻抗
第七章激光器特性的控制与改善
7.1 模式选择
选模意义：
基横模（TEM00）～发散角小～空间相干性 单纵模 ～单色性好～时间相干性
1. 横模选择
横模选择的物理基础： 不同横模有不同的衍射损耗
横模选择原则
exp g000l r1r2 1001 exp g100l r1r2 1101
• 尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗比 10 00