第1章-激光原理與技術(shù)-2

1、1上一節(jié)課：上一節(jié)課：課程內(nèi)容簡介課程內(nèi)容簡介 v輻射理論概要：輻射理論概要：光量子學(xué)說及光的波粒二象性；原子能級、簡并光量子學(xué)說及光的波粒二象性；原子能級、簡并度及波爾茲曼分布；光和物質(zhì)的相互作用。度及波爾茲曼分布；光和物質(zhì)的相互作用。v激光產(chǎn)生的原理及條件：激光產(chǎn)生的原理及條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過程；光的受激粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布及泵浦過程；光的受激放大；諧振腔的共振作用與激光的形成；激光形成的基本條件及閾放大；諧振腔的共振作用與激光的形成；激光形成的基本條件及閾值條件；激光器的結(jié)構(gòu)形式；激光器的分類及特點(diǎn)。值條件；激光器的結(jié)構(gòu)形式；激光器的分類及特點(diǎn)。v激光激光基本基本物理性質(zhì)：物理性質(zhì)：激

2、光的方向性、高亮度、單色性、時間相激光的方向性、高亮度、單色性、時間相干性和空間相干性、激光的縱模與橫模。干性和空間相干性、激光的縱模與橫模。今天主講內(nèi)容：今天主講內(nèi)容：高斯光束、穩(wěn)頻技術(shù)、激光調(diào)制技術(shù)、半導(dǎo)體激光器高斯光束、穩(wěn)頻技術(shù)、激光調(diào)制技術(shù)、半導(dǎo)體激光器回顧回顧2高斯光束高斯光束高斯光束的表達(dá)式高斯光束的表達(dá)式由凹面鏡構(gòu)成的穩(wěn)定諧振腔產(chǎn)生的激光束既不是均勻平面光波，由凹面鏡構(gòu)成的穩(wěn)定諧振腔產(chǎn)生的激光束既不是均勻平面光波，也不是均勻球面光波，而是一種結(jié)構(gòu)比較特殊的高斯光束，如也不是均勻球面光波，而是一種結(jié)構(gòu)比較特殊的高斯光束，如下圖。下圖。3高斯光束高斯光束高斯光束的表達(dá)式高斯光束的表達(dá)

3、式v 沿Z軸方向傳播的高斯光束的電矢量方程表達(dá)式為(x,y,z)點(diǎn)的電矢量z軸上(x=y=0)各點(diǎn)電矢量振幅z點(diǎn)的光斑尺寸z=0處(z)的值,z=0光斑尺寸它是高斯光束的一個特征參量，稱為光束的“束腰”z處波陣面的曲率半徑與z有關(guān)的位相因子4高斯光束高斯光束高斯光束的特性高斯光束的特性（1 1）z=0z=0的情況的情況v Z=0代入前面高斯光束表達(dá)式得出z=0處的電矢量表達(dá)式為a) 與x,y有關(guān)的位相部分消失，即z=0的平面是等相面，它與平面波的波陣面一樣；b) 振幅部分是一個指數(shù)表達(dá)式，這種指數(shù)函數(shù)叫高斯函數(shù)，通常稱這種振幅的分布為高斯分布。從上式可以看出：5高斯光束高斯光束高斯光束的特性高

4、斯光束的特性（1 1）z=0z=0的情況的情況v 下圖所示即為電矢量E分布曲線，=0（光斑中心）處振幅最大，為A(0,0,0)=A0/0 , ;在= 0 處有A(,0)=A0/e0 =A(0,0,0)/e。v 可見光斑中心最亮，向外逐漸減弱，但無清晰的輪廓。v 所以通常以電矢量振幅下降到中心值1/e（光強(qiáng)為中心值1/e2）處的光斑半徑0作為光斑大小的量度束腰。6高斯光束高斯光束高斯光束的特性高斯光束的特性（1 1）z=0z=0的情況的情況從以上分析看到，高斯光束在z=0處的波陣面是一平面，這一點(diǎn)與平面波相同，但其光強(qiáng)分布式一種特殊的高斯分布，這一點(diǎn)不同于平面波；也正是由于這一差別，決定了它沿z

5、軸傳播時不再保持平面波的特性，而是以高斯球面波的特殊形式傳播。7高斯光束高斯光束高斯光束的特性高斯光束的特性（2 2）z=zz=z0 00 0的情況的情況相位部分相位部分表示高斯光束在z=z00處的波陣面是一球面，其曲率半徑為R(z0)。表達(dá)式為：即波陣面的曲率半徑R(z0)大于z0，且R隨z而異，即作為波陣面的球面的曲率半徑中心不在原點(diǎn)，而且不斷變化。如下頁圖所示。振幅部分振幅部分與z=0處相仿，仍是中心最強(qiáng)，按高斯指數(shù)向外逐漸減弱。但此時的光斑尺寸為：8高斯光束高斯光束高斯光束的特性高斯光束的特性（2 2）z=zz=z0 00 0的情況的情況9高斯光束高斯光束高斯光束的特性高斯光束的特性（

6、2 2）z=zz=z0 00 0的情況的情況c) 光束的發(fā)散角當(dāng)z=0處2=0；z (遠(yuǎn)場)時，2=2/0隨z增大，到z= 02/時，才達(dá)到遠(yuǎn)場發(fā)散角的通常稱z=0到z=02/的范圍為準(zhǔn)直距離，在此區(qū)間發(fā)散角最小。從上式光斑尺寸公式可以看出，在z=0處的光斑尺寸最小，該點(diǎn)的光斑尺寸0為束腰，而(z)隨z增大，表示光束逐漸發(fā)散。通常以2來描述光束的發(fā)散角，表達(dá)式為：10高斯光束高斯光束高斯光束的特性高斯光束的特性（3 3）z=-zz=-z0 0的情況的情況v 與z=z0相似，它的振幅分布與z=z0處完全一樣，兩者曲率半徑的絕對值相等。v 在-z0處，是向z方向傳播的匯聚球面波，到達(dá)z=0處，變成

7、一個平面波，當(dāng)繼續(xù)傳播時又變成一個發(fā)散的球面波。光束各處上的光強(qiáng)均為高斯分布。11高斯光束高斯光束高斯光束的變換高斯光束的變換（1 1）高斯光束的復(fù)曲率半徑高斯光束的復(fù)曲率半徑改寫為引入一個新的參數(shù)q(z)，其定義為：參數(shù)q(z)將高斯光束的兩個基本特征參數(shù)(z)和R(z)統(tǒng)一在一個表達(dá)式，它是表征高斯光束的又一個重要參數(shù)，稱為高斯光束的復(fù)曲率半徑。一旦確定光束在某位置處的q(z)的值，便可求出該處的(z)和R(z)。q(z)在自由空間(各向同性介質(zhì))傳輸規(guī)律將高斯光束電矢量方程表達(dá)式12高斯光束高斯光束高斯光束的變換高斯光束的變換（2 2）高斯光束通過薄透鏡的變換高斯光束通過薄透鏡的變換v

8、圖中M表示高斯光束入射到透鏡表面上的波面，對應(yīng)的曲率半徑R ,M表示經(jīng)過透凈轉(zhuǎn)換后的波面；對應(yīng)的曲率半徑R,則v 對比可知，高斯光束的復(fù)曲率半徑q(z)與普通球面波的曲率半徑R有一樣的作用；v 根據(jù)薄透鏡成像規(guī)律有：如圖，設(shè)束腰為0的高斯光束投影在焦距為f的薄透鏡上。高斯光束的傳輸軸線與透鏡的軸線一致。13高斯光束高斯光束高斯光束的變換高斯光束的變換（3 3）高斯光束通過復(fù)雜透鏡的變換高斯光束通過復(fù)雜透鏡的變換v 高斯光束通過復(fù)雜透鏡系統(tǒng)的變換關(guān)系，一般可以表示為：M為簡化光學(xué)元件的光線變換矩陣。q1,q2分別表示高斯光束輸入和輸出光學(xué)系統(tǒng)處的復(fù)曲率半徑v 部分基本光學(xué)元件的光線變換矩陣如下表

9、14高斯光束高斯光束高斯光束的變換高斯光束的變換（3 3）高斯光束通過復(fù)雜透鏡的變換高斯光束通過復(fù)雜透鏡的變換15高斯光束高斯光束高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦為使高斯光束獲得良好的聚焦，通常采用短焦距透鏡，或?yàn)槭垢咚构馐@得良好的聚焦，通常采用短焦距透鏡，或者使高斯光束束腰離透鏡很遠(yuǎn)。者使高斯光束束腰離透鏡很遠(yuǎn)。(1)(1)聚焦點(diǎn)位置聚焦點(diǎn)位置如圖，一高斯光束入射短焦距透鏡L，R、R分別是入射出射光波波陣面曲率半徑，透鏡焦距為f。Rf，則有：再根據(jù)光斑尺寸和曲率半徑公式，得出射光波束腰與透鏡距離：16高斯光束高斯光束高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦為使高斯光束獲得良好的聚焦，通常采用短焦距透鏡，或

10、為使高斯光束獲得良好的聚焦，通常采用短焦距透鏡，或者使高斯光束束腰離透鏡很遠(yuǎn)。者使高斯光束束腰離透鏡很遠(yuǎn)。(1)(1)聚焦點(diǎn)位置與聚焦點(diǎn)尺寸聚焦點(diǎn)位置與聚焦點(diǎn)尺寸取=1mm,f=20mm,=632.8nm,則0.0041即高斯光束經(jīng)短焦距透鏡匯聚后，束腰的位置在透鏡前焦點(diǎn)附近。從透鏡出射的高斯光束尺寸：17高斯光束高斯光束高斯光束的準(zhǔn)直高斯光束的準(zhǔn)直在實(shí)際應(yīng)用中往往需要改善激光束的方向性，即要壓縮光束的發(fā)散角，一般使用倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。D=f1+f2;如有一高斯光束從左方入射系統(tǒng)，那么，當(dāng)L1為短焦距的薄透鏡時，有：平面波出射光的束腰尺寸18第第1章章 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)輻射理論概要輻

11、射理論概要激光產(chǎn)生的原理及條件激光產(chǎn)生的原理及條件穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)激光的基本物理性質(zhì)激光的基本物理性質(zhì)高斯光束高斯光束激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制技術(shù)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器19穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻的原因穩(wěn)頻的原因v在精密測量中，如干涉測位移，L=n/2，實(shí)際是把激光的波長作為一種標(biāo)準(zhǔn)值，測量的精度很大程度上取決于波長的精確程度，要求激光頻率變動盡量小，保持不變不可能的，但可以采取一定措施，是輸出頻率穩(wěn)定在一定程度。分析頻率變化的原因分析頻率變化的原因v激光的頻率為 ，如果腔長l或介質(zhì)折射率n發(fā)生變化，就會引起變化，造成腔長和介質(zhì)折射率變化的主要原因有以下三點(diǎn)：(1)溫度。任何材料物體的線性尺寸都隨溫

12、度而變化， 折射率變(2)振動。會引起反射鏡位置變化、激光管變形，使腔長發(fā)生變化 。(3)大氣的影響。外腔式激光管的諧振腔暴露于大氣之中，大氣的氣壓和溫度的改變影響折射率。 20穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)激光器的穩(wěn)頻方法激光器的穩(wěn)頻方法v一般氦氖激光器可能達(dá)到的頻率穩(wěn)定度極限為Sv=5 x 10-17,這是在只考慮原子自發(fā)發(fā)射所造成的無規(guī)則噪聲時的頻率穩(wěn)定度理論極限值。不加任何穩(wěn)頻措施的頻率穩(wěn)定度為Sv=10-6。v穩(wěn)頻方法分為主動穩(wěn)頻和被動穩(wěn)頻兩種。(一)被動穩(wěn)頻v在激光器工作時間內(nèi)，設(shè)法使其腔長保持不變，一般采?。?1)控制溫度。如T=0.01 ,一般Sv10-8。(2)腔體材料互補(bǔ)。采用正、負(fù)線膨

13、脹系數(shù)的材料組合，達(dá)到腔長穩(wěn)定的效果，一般Sv10-8。(3)防震、密封。由于條件、環(huán)境及相關(guān)技術(shù)限制，被動穩(wěn)頻效果有限，還需進(jìn)一步措施 21穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)主動穩(wěn)頻主動穩(wěn)頻(1)(1)蘭姆蘭姆(Lamb)(Lamb)凹陷法凹陷法He-Ne 632.8 頻率穩(wěn)定度10-910-1022穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)主動穩(wěn)頻主動穩(wěn)頻(1)(1)蘭姆蘭姆(Lamb)(Lamb)凹陷法凹陷法He-Ne 632.8 頻率穩(wěn)定度10-910-1023穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)主動穩(wěn)頻主動穩(wěn)頻(2)(2)飽和吸收法飽和吸收法反蘭姆凹陷穩(wěn)頻反蘭姆凹陷穩(wěn)頻在一外管內(nèi)放入激光管的同時再裝一吸收管。吸收介質(zhì)對不同頻率的光吸收是非線性的，

14、對于吸收曲線中心頻率的光，吸收易飽和，而對于吸收曲線非中心頻率的光，吸收不飽和對于吸收介質(zhì)吸收曲線的中心頻率，腔的損耗最小，輸出功率最高。24穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)主動穩(wěn)頻主動穩(wěn)頻(2)(2)飽和吸收法飽和吸收法反蘭姆凹陷穩(wěn)頻反蘭姆凹陷穩(wěn)頻造成在激光的輸出功率P和頻率之間出現(xiàn)反拉姆凹陷。它的寬度更窄，峰的位置更穩(wěn)定，穩(wěn)頻效果更好。25穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)主動穩(wěn)頻主動穩(wěn)頻(3)(3)塞曼塞曼(Zeeman)(Zeeman)效應(yīng)法效應(yīng)法頻率高-左旋圓偏振光；頻率低-右旋圓偏振光；虛線-未加磁場的增益曲線；實(shí)線-加磁場后的兩條譜線的增益曲線26第第1章章 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)輻射理論概要輻射理論概要激

15、光產(chǎn)生的原理及條件激光產(chǎn)生的原理及條件穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)激光的基本物理性質(zhì)激光的基本物理性質(zhì)高斯光束高斯光束激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制技術(shù)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器27激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制技術(shù)光調(diào)制的基本概念光調(diào)制的基本概念將信號加載到激光輻射上，使激光作為傳遞信息的工具。把欲傳將信號加載到激光輻射上，使激光作為傳遞信息的工具。把欲傳輸?shù)男畔⒓虞d到激光輻射的過程稱為激光調(diào)制。輸?shù)男畔⒓虞d到激光輻射的過程稱為激光調(diào)制。v 內(nèi)調(diào)制：在激光振蕩過程中加載調(diào)制信號，如半導(dǎo)體激光器一般是注入電流的方式來實(shí)現(xiàn)內(nèi)調(diào)制。v 外調(diào)制：在激光形成之后，再用調(diào)制信號對激光進(jìn)行調(diào)制，它不改變激光器的參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光參數(shù)(如強(qiáng)度、頻率、位相等)。28激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制技術(shù)光調(diào)制的基本概念光調(diào)制的基本概念v 激光瞬時電場可以表示為：v 則瞬時光強(qiáng)可以表示為：v 若調(diào)制信號a(t)是余弦信號：v 則振幅調(diào)制表達(dá)式為：v 則強(qiáng)度調(diào)制表達(dá)式為：v 則頻率調(diào)制表達(dá)式為：v 則相位調(diào)制表達(dá)式為：29激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制技術(shù)電光調(diào)制電光調(diào)制30激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制技術(shù)聲光調(diào)制聲光調(diào)制31激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制技術(shù)磁光調(diào)制磁光調(diào)制32激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制技術(shù)電源調(diào)制電源調(diào)制33激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制技術(shù)干涉調(diào)制干涉調(diào)制34第第1章