激光原理第六章

激光原理与技术
图5. 2.7 饱和吸收稳频示意图
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当入射光足够强时，由于下能级粒子数的减少 和上能级粒子数的增加，吸收管内物质的吸收系 数将随入射光强之增加而减小，这就是吸收饱和 现象。吸收饱和现象和前面讨论的增益饱和现象 是完全类似的．若把吸收看成负增益，则关于增 益饱和的全部理论均可用于吸收饱和。由于吸收 管内气压很低，吸收谱线主要是多普勒加宽．如 有一频率为1，光强为I1的强光入射，则吸收曲 线出现烧孔，烧孔的宽度为
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vq vq L c vq q , v L vq 2 L L L
v / v
频率稳定性
为了改善频率稳定性通常采用电子伺服控制稳频技术， 当激光频率偏离标准频率时鉴频器给出误差信号控制腔 长，使激光频率自动回到标准频率上。将介绍兰姆凹陷 稳频、塞曼稳频、饱和吸收稳频及无源腔稳频等四种稳 颇方法的原理。
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图6.2.9 反兰姆凹陷的形成 (a)光强一定时物质对振荡模的吸收系 数和振荡模频率的关系曲线(b)激光器 输出功率曲线。
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通常利用分子的基态与振转能级间的饱和吸收进 行稳频。由于其吸收较强，所以可在低气压下工作， 碰撞线宽较小。并且由于分子的振转跃迁寿命长， 自然线宽也小。因此可得到尖锐的反兰姆凹陷。同 时，因为利用自基态的吸收跃迁，无须放电激励， 所以频率复现性好。
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5.2 频率稳定
激光的特点之一是单色性好，即其线宽与频率 的比值很小。自发辐射噪声引起的激光线宽极限 确实很小，但由于各种不稳定因素的影响，实际 激光频率的漂移远远大于线宽极限。在精密干涉 测量、光频标、光通信、激光陀螺及精密光谱研 究等应用领域中，需要频率稳定的激光。
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。
r1r2 (1 10 ) 1
在各个横模的增益大体相同的条件下，衍射损耗的 差别是进行横模选择的根据。必须尽量增大高阶横模 与基模的衍射损耗比。同时还应使衍射损耗在总损耗 中占有足够的比例。
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衍射损耗的大小及模鉴别力的高低与谐振腔的腔 型和菲涅耳数有关。衍射损耗随菲涅耳数的增大而 减小，模鉴别力却随之提高。当N不太小时共焦腔和 半共焦腔的衍射损耗很低，与其他损耗相比，往往 可以忽略，因而无法利用它的模鉴别力高的优点实 现选模。此外，共焦腔及半共焦腔基模体积甚小， 因而其单模振荡功率也低。平面腔与共心腔虽然模 式鉴别力低。但由于衍射损耗的绝对值较大，反而 容易利用模式间的损耗差实现横模选择。而且它们 的模体积较大，可获得高功串单模振荡。
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图5.1.5环形行波腔激光器
图5.1.6腔内插入法珀标准具
3．选择性损耗法
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若在腔内插入标准具或构成组合腔．则由于 多光束干涉效应，谐振腔具有与频率有关的选 择性损耗，损耗小的纵模形成振荡，损耗大的 纵模则被抑制。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，因 而具有较小的损耗。其他频率的光因不能透过 标准具而具有很大的损耗。由物理光学可知， 标准具透射率峰对应的频率为
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三、饱和吸收稳频
上述两种稳频方法都是以增益曲线中心频率v0作 为参考标准频率，但v0易受放电条件的影响而发生 变化，因此频率复现性差。为了提高稳频精度，希 望降低气压以提高兰姆下陷的锐度，但激光管不能 在过低的气压下工作，因此频率稳定性的进一步减 少也受到限制。为了提高频率复现性及稳频精度， 可采用饱和吸收稳频法。 吸收管内的气体在激光振荡频率处有强吸收峰，吸 收管内气压很低，通常只有1—10Pa低压气体吸收峰 的频率很稳定，因此频率复现性好。
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图5.1.1对称稳定腔的两个低次模的单程损耗比
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图5.1.2平凹稳定腔的两个低次模的单程损耗比
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1．小孔光阑选模
在谐振腔内设置小孔光阑或限制工作物质横截 面积可降低谐振腔的费涅耳数，增加衍射损耗， 从而使激光器实现基横模运行。这一方法的实质 是使光斑尺寸较小的基棋无阻挡地通过小孔光阑， 而光斑尺寸较大的高阶横模却受到阻拦而遭受较 大的损耗。由于在谐振腔的不同位置，光斑尺寸 不同，所以小孔光阑的大小因其位置而异，为了 扩大基横模体积充分利用激光工作物质，常采用 聚焦光光阑法选模。
对于平面腔，当腔镜倾斜时基模损耗增加最显 著，腔的偏调有利于高阶模的优先振荡。对于稳 定腔，由于基模体积最小而高阶模的体积较大， 当腔镜发生倾斜时，高阶横模损耗显著增大，基 模受到的影响较小，因而仍可继续维持振荡。这 样，适当将腔镜倾斜就可以抑制高阶横模。
二、纵模选择
在激光工作物质中，往往存在多对激光振荡 能级，可以利用窄带介质膜反射镜、光栅或棱 镜等组成色散腔获得特定波长跃迁的振荡。
加上纵向磁场时，激光器产生左旋圆偏振及右旋圆 偏振的双频激光，频差v约为塞曼分裂值v0 千分之 几。 v的值和谐振腔的损耗及腔内光强有关，当损耗 及放电条件变化时， v也随之改变。 双频激光器稳频方法之一：测出二圆偏振光输出功 率之差值，以此作为鉴额的误差信号，再通过伺服 控制系统控制激光器腔长。之二： 左、右旋圆偏振 光的频率差与振荡模无源腔频率有关。利用拍频方 法测出左、右旋圆偏振光的频差也可以提供鉴频的 误差信号。
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一、横模选择
谐振腔中不同横模具有不同的损耗是横模选择的 物理基础。在稳定腔中，基模的衍射损耗最低，随 着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。 激光器以TEM00模单模运转的充分条件是： TEM00模的单程增益至少应能补偿它在腔内的单程 0 0 损耗，即 g00l g10l
e
r1r2 (1 00 ) 1, e
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5.l 模式选择
理想激光器的输出光束应只具有一个模式。 然而若不采取选模措施，多数激光器的工作状态 往往是多模的。含有高阶横模的激光束光强分布 不均匀，光束发散角较大。含有多纵模及多横模 的激光束单色性及相干性差。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。因此，如 何设计与改进激光器的谐振腔以获得单模输出是 一个重要课题。
图7.1.9 外胶半导 体激光器选模装置
福克斯—史密斯型复合腔中，由分束镜M和全反 射镜射M2和M3组成的福克斯—史密斯干涉仪取代 谐振腔的一个反射镜，从而形成选择性反射。频率 等于干涉仪反射峰频率的模式因具有最小损耗而起 振，其他模式则被抑制。
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外腔半导体激光器中，激光二极管(LD)的两个解 理面M1、M2和外反射镜M3组成复合腔，适当选择 反射率并调节M3的位置可选出单长腔模。
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图5.2.6 双频激光管的增益、色散曲线及振荡模谱(加纵向磁场)
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在未加磁场时，腔长足够短时只有频率为vq的纵模振 荡。如果vq=v0，则频率牵引为零。此时折射率（0） ＝0＝1 加磁场后，光谱线发生塞曼分裂，沿着磁场方向观 察时，谱线分裂右旋和左旋圆偏振光 。
0 H v0左 v0右 v0 2b h
则可获得单纵模输出。可求出所需标准具长度 d及镜面反射率r,若调整角，使vj对准靠近增益 曲线中心频率的纵模频率，条件尚可放宽
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图5.1.7 含法—珀标准具腔选模原理图
(a)小信号增益曲线，(b)纵模谱(c)法珀具透射率曲 线．
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图7.1.8福克斯· 史密 斯干涉仪选模装置
图5.2.3输出 功率曲线
(a)单一同 位素Ne20； （b)普通氖 气
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二.塞曼稳频
用塞曼效应稳频的方法可分为纵向塞曼稳频(外磁 场方向与激光管轴线平行)、横向塞曼稳频及塞曼吸 收稳频(利用腔内吸收介质的塞曼效应稳频)等三种。
图5.2.4 双频激光器稳频示意图
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图5.2.5 双频激光管的增益、色散曲线及振荡模谱(末加磁场时)
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第五章 激光器特性的控制与改善
简单激光器发射的激光束，性能往往不能满足 应用的需要，因此不断地发展控制与改善激光器 输出特性的各种单元技术。模式选择、稳频注入 锁定技术改善激光器输出光的时间相干性或空间 相干性．调制、锁模、增益开关及腔倒空等技术 可获得窄脉冲高峰值功率的激光束。激光放大提 高激光束的功率与能量。本章介绍以上控制与改 善激光器特性的各种技术的原理及其理论。
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一般谐振腔中不同纵模有相同的损耗．但由于频 率的差异而具有不同的小信号增益系数。因此扩大 和充分利用相邻纵横间的增益差，成人为引入损耗 差是进行纵模选择的有效途径。
1．短腔法
c 0 vq vosc , vosc为由g (v) 决定得振荡带宽。 2L ' l
缩短谐振腔长度，可增大相邻纵横间隔，以致 在荧光谱线有效宽度内，只存在一个纵模，从而 实现单纵模振荡。适用于荧光谱线较窄的激光器
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2．行波腔法
在均匀加宽工作物质组成的激光器中，虽然增益 饱和过程中的模竞争效应有助于形成单纵模振荡，但 由于驻波腔中空间烧孔的存在．当激励足够强时，激 光器仍然出现多纵模振荡。若采用环行腔，并在腔内 插入一个只允许光单向通过的隔离器，则可形成无空 间烧孔的行波腔，从而实现单纵模振荡。
c c vj j , v j 2 d cos 2 d cos
j为正整数小，为标准具二镜间介质的折射率， d为标准具长度，为标准具内光线与法线的夹角。
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透射谱线宽度
1 r v 2 d r c
c 调整 使v j＝vq，且有v j vosc， v vq 2L '
激来自百度文库原理与技术
图5.2.2说明兰姆下陷稳频原理示意图
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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的信号，要求兰姆凹 陷窄而深。使激光器工作于最佳电流并降低损 耗可以增加凹陷深度。凹陷宽度则正比于 L，因而正比于气压，故降低气压可使凹陷 变窄，但气压过低会使激光器功率降低甚至使 激光不能产生。
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图5.1.3 小孔光阑选模
图5.1.4聚焦光阑选模
2．谐振腔参数g、N选择法
适当选择谐振腔的类型和腔参数g,N值，使谐振腔的 衍射损耗满足激光器单基横模输出。 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。利 用非稳腔可在高增益激光器中选择横模。
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4．微调谐振腔
频率稳定特性包含着频率稳定性及频率复现性两个问 题。频率稳定性描述激光领率在参考标准频率、附近的 漂移，而频率复现性则是指参考标准频率本身的变化。
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一、兰姆凹陷稳频
兰姆凹陷法以增益曲线中心频率v0为参考标准频率， 电子伺服系统通过压电陶瓷控制激光器的腔长，使频 率稳定于v0 。
图 5.2 .1 兰 姆 下 陷 稳 频 系 统
I v1 v ' 1 vH ' Is
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图6.2.8 吸收曲线
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如果把吸收管放在谐振腔内，并且腔内有一频 率为1的模式振荡，若1 0，购正向传播的行 波及反向传播的行坡分别在吸收曲线的形成两个 烧孔。若1 ＝0 ，刚正反向传播的行波共同在 吸收曲线的中心频率处烧一个孔。 若作出光强一定时吸收系数和振荡频率的关系 曲线，则曲线出现凹陷，激光器输出功率出现一 个尖锐的尖峰，称为反兰姆凹陷。利用反兰姆凹 陷，可使激光器的频率稳定在0其稳频系统与兰 姆凹陷法类似。
磁场强度H＝0．03T， 则v0 ＝1100MHz。
随着光谱线的分裂，增益曲线和色散曲线也发生 分裂，考虑频率牵引
vq左
c 2 L左vq左
q v ，vq右
0 q
c 2 L右vq右
qv
0 q
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v＝vq左 vq右
ln 2 vc I 2 1 v0 vD Is