頻率選擇技術(shù)課件

1、1激光器輸出頻率選擇激光器輸出頻率選擇2015-04-13一、激光器輸出頻率選擇一、激光器輸出頻率選擇 激光的優(yōu)點：具有良好的激光的優(yōu)點：具有良好的單色性、方向性和相干性單色性、方向性和相干性； 一般激光輸出是多模的，有些情況需要單模輸出；一般激光輸出是多模的，有些情況需要單模輸出； 含有高階橫模的激光束含有高階橫模的激光束光強(qiáng)分布不均勻，發(fā)散角大光強(qiáng)分布不均勻，發(fā)散角大； 含有多縱模及多橫模的含有多縱模及多橫模的激光器單色性和相干性差激光器單色性和相干性差； 在激光準(zhǔn)直、激光加工、非線性光學(xué)激光遠(yuǎn)程測距等在激光準(zhǔn)直、激光加工、非線性光學(xué)激光遠(yuǎn)程測距等應(yīng)用中需要應(yīng)用中需要基橫模激光束基橫模激光

2、束； 在精密干涉測量、光通訊以及大面積全息照相等應(yīng)用在精密干涉測量、光通訊以及大面積全息照相等應(yīng)用中需要中需要單橫模和單縱模激光束單橫模和單縱模激光束。2 激光器輸出的選模技術(shù)：激光器選頻技術(shù)激光器輸出的選模技術(shù)：激光器選頻技術(shù) 目的：獲得單模、單頻的激光輸出目的：獲得單模、單頻的激光輸出 選模技術(shù)：選模技術(shù)： 激光縱模的選取：激光縱模的選?。禾岣呦喔尚蕴岣呦喔尚?激光橫模的選?。杭す鈾M模的選?。狠敵龉鈴?qiáng)均勻性輸出光強(qiáng)均勻性34 非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個縱模。非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個縱模。 單縱模的選取單縱模的選取(1) 短腔法：短腔法： 兩相鄰縱模間的頻率差兩相鄰縱模

3、間的頻率差 ，要想得到單，要想得到單一縱模的輸出，只要縮短腔長，使一縱模的輸出，只要縮短腔長，使 的寬度大的寬度大于增益曲線閾值以上所對應(yīng)的寬度于增益曲線閾值以上所對應(yīng)的寬度 缺點：缺點：腔長受到限制，從而限制輸出功率；當(dāng)譜腔長受到限制，從而限制輸出功率；當(dāng)譜線熒光寬度很寬時，勢必使腔長縮到很短。線熒光寬度很寬時，勢必使腔長縮到很短。)2(Lcqq5（2）用法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具選縱模）用法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具選縱模在激光器的諧振腔內(nèi)幾乎垂直于腔軸地插入一個在激光器的諧振腔內(nèi)幾乎垂直于腔軸地插入一個法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具，可以進(jìn)行縱模的選取。法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具，可以進(jìn)行縱模的選取。圖(4-2) 法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具

4、法示意圖6 法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具用透射率很高地材料制成，法布里波羅標(biāo)準(zhǔn)具用透射率很高地材料制成，兩個端面平行且鍍有高反射率地反射膜。由于多兩個端面平行且鍍有高反射率地反射膜。由于多光束干涉的結(jié)果，只允許若干個很窄的頻率帶寬光束干涉的結(jié)果，只允許若干個很窄的頻率帶寬的光通過，其透過光的頻率函數(shù)為的光通過，其透過光的頻率函數(shù)為 獲得最大透射率的兩相鄰頻率間隔獲得最大透射率的兩相鄰頻率間隔 適當(dāng)?shù)恼{(diào)整適當(dāng)?shù)恼{(diào)整 角，就可以達(dá)到選頻的目的角，就可以達(dá)到選頻的目的222( )(1)4 sin (/ 2)TRR（1-R）22cosmccdd7（3）三反射鏡法選縱模）三反射鏡法選縱模 激光器一端的反射鏡被三塊反

5、射鏡的組合所代替，激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組合所代替，其中其中M3和和M4為全反射鏡，為全反射鏡，M2是具有適當(dāng)透射率是具有適當(dāng)透射率的部分透射部分反射鏡的部分透射部分反射鏡圖4-3 三反射鏡法8 這相當(dāng)于兩個諧振腔的耦合，一個是由這相當(dāng)于兩個諧振腔的耦合，一個是由M1、M3組組成，其腔長為成，其腔長為L1+L2；另一個由；另一個由M3、M4組成，其組成，其腔長為腔長為L2+L3。 兩個諧振腔的縱模頻率間隔分別為：兩個諧振腔的縱模頻率間隔分別為： c/2 (L1+L2)和和c/2 (L2+L3) 只有同時滿足兩個諧振條件的光才能形成振蕩，只有同時滿足兩個諧振條件的光才能形成振蕩，故只要

6、故只要L2+L3足夠小就可以獲得單縱模輸出。足夠小就可以獲得單縱模輸出。9u單橫模的選取單橫模的選取u 所謂橫模的選擇，就是從諧振腔可能產(chǎn)生的許多所謂橫模的選擇，就是從諧振腔可能產(chǎn)生的許多模式中，模式中，選出基模選出基模，而其他的模式被抑制，不能而其他的模式被抑制，不能產(chǎn)生震蕩；產(chǎn)生震蕩；u 在穩(wěn)定腔中，在穩(wěn)定腔中，基模衍射損耗基模衍射損耗小小，隨著橫模階次的，隨著橫模階次的增高，衍射損耗迅速增加，增高，衍射損耗迅速增加，諧振腔中不同的橫模諧振腔中不同的橫模具有不同的損耗具有不同的損耗是橫模選擇的物理基礎(chǔ)；是橫模選擇的物理基礎(chǔ)；u 為了提高模式的鑒別能力，應(yīng)該盡量為了提高模式的鑒別能力，應(yīng)該盡

7、量增大高階模增大高階模式和基模的衍射損耗比。式和基模的衍射損耗比。10圖4-4 腔的衍射損耗1、衍射損耗和菲涅耳數(shù)、衍射損耗和菲涅耳數(shù)(1) 由于衍射效應(yīng)形成的光能量損失稱為衍射損耗。由于衍射效應(yīng)形成的光能量損失稱為衍射損耗。 (2) 如如圖圖4-4所示的球面共焦腔，鏡面上的所示的球面共焦腔，鏡面上的基基橫模高斯光束橫模高斯光束光強(qiáng)分布可以表示為光強(qiáng)分布可以表示為)2exp()(2120 II11圖4-4 腔的衍射損耗(3) 單程衍射損耗為射到鏡面外而損耗掉的光功率單程衍射損耗為射到鏡面外而損耗掉的光功率 與射向鏡面的總光功率與射向鏡面的總光功率 之比之比(4) 分析衍射損耗時為了方便，經(jīng)常引

8、入一個所謂分析衍射損耗時為了方便，經(jīng)常引入一個所謂“菲涅爾數(shù)菲涅爾數(shù)”的參量，它定義為的參量，它定義為2122expaD21020212002)2exp(2)(IdIdI)2exp(22)(212210aIdIaNLLaND2exp12122、衍射損耗曲線、衍射損耗曲線 高階模衍射損耗與菲涅耳數(shù)高階模衍射損耗與菲涅耳數(shù)N的關(guān)系一般是比較的關(guān)系一般是比較復(fù)雜的，往往寫不出解析的表達(dá)式而需要用計算復(fù)雜的，往往寫不出解析的表達(dá)式而需要用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字計算。因此，通常都是將計數(shù)結(jié)果畫機(jī)進(jìn)行數(shù)字計算。因此，通常都是將計數(shù)結(jié)果畫成曲線，這就是所謂的衍射損耗曲線成曲線，這就是所謂的衍射損耗曲線 圖示為圓截面

9、共焦腔圖示為圓截面共焦腔 和圓截面平行平面腔和圓截面平行平面腔 的的 曲線曲線ND圖4-5 不同腔的衍射損耗曲線133、高階橫模的抑制、高階橫模的抑制抑制高階橫模需要兩方面的條件：抑制高階橫模需要兩方面的條件：一方面是要求一方面是要求基橫模光束的衍射損耗小，使得基橫模不僅滿足基橫模光束的衍射損耗小，使得基橫模不僅滿足振蕩的閾值條件，而且有較大的功率輸出；另一振蕩的閾值條件，而且有較大的功率輸出；另一方面是要求高階橫模的衍射損耗足夠大。下面介方面是要求高階橫模的衍射損耗足夠大。下面介紹兩種常用的抑制高階橫模的方法。紹兩種常用的抑制高階橫模的方法。14（1）光闌法選取單橫模：）光闌法選取單橫模：高

10、階橫模的光束截面比高階橫模的光束截面比基橫模大，故減小增益介質(zhì)的有效孔徑基橫模大，故減小增益介質(zhì)的有效孔徑a，從而，從而減小菲涅耳數(shù)減小菲涅耳數(shù)N，就可以大大增加高階橫模的，就可以大大增加高階橫模的衍射損耗，以致將它們完全抑制掉。最簡單的衍射損耗，以致將它們完全抑制掉。最簡單的辦法就是在腔內(nèi)靠近反射鏡的地方放置一個光辦法就是在腔內(nèi)靠近反射鏡的地方放置一個光闌（用于增益較低的氣體激光器）。闌（用于增益較低的氣體激光器）。15（2）聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模）聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模 聚焦光闌法聚焦光闌法：如：如 圖圖4-6所示，在腔內(nèi)插入一組透鏡所示，在腔內(nèi)插入一組透鏡組，使光束在腔內(nèi)傳播時盡量經(jīng)歷較大的空間，組，使光束在腔內(nèi)傳播時盡量經(jīng)歷較大的空間，以提高輸出功率以提高輸出功率。圖4-6 聚焦光闌法16 腔內(nèi)加望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的選橫模方法腔內(nèi)加望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的選橫模方法，其結(jié)構(gòu)如，其結(jié)構(gòu)如圖圖4-7所示。所示。優(yōu)點優(yōu)點：一是能充分利用激光工作物質(zhì)，獲：一是能充分利用激光工作物質(zhì)，獲得較大功率的基模輸出；二是可通過調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡得較大功率的基模輸出；二是可通過調(diào)節(jié)望