激光原理與技術(shù)：第21講 極限線寬、選模、穩(wěn)頻技術(shù)

激光原理與技術(shù)·原理部分第21講極限線寬、選模、穩(wěn)頻技術(shù)21.1連續(xù)激光器極限線寬第三章曾經(jīng)得到無源腔內(nèi)的光強(qiáng)為：則光場振幅為：故光場為：上式表示的衰減振動(dòng)將具有有限的譜線寬度：τR為腔內(nèi)光子壽命，δ為無源腔單程損耗，L’為腔光學(xué)長度，Δνc為無源腔中本征模式的譜線寬度。21.1連續(xù)激光器極限線寬對有源腔，其單程凈損耗為：則線寬為：穩(wěn)態(tài)工作時(shí)有，則理論上由于存在自發(fā)輻射，ΔνS不可能為0，由四能級(jí)系統(tǒng)速率方程有：al為分配到該模式上的自發(fā)輻射幾率：21.1連續(xù)激光器極限線寬穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)：則：由于有自發(fā)輻射，單程損耗略大于單程增益，δS不為零。21.1連續(xù)激光器極限線寬輸出功率P0=Pst+Psp，Pst為受激輻射，Psp為分配到該模式的自發(fā)輻射功率，Psp<<Pst，如果除了輸出鏡的透過率外，其他損耗不計(jì)，則穩(wěn)定工作時(shí)：21.1連續(xù)激光器極限線寬將以上得到的式子帶入到Δνs的表達(dá)式中可以求出：例：對于長度30cm，T=0.02，P0=1mW的He-Ne激光器，可以求出：這種線寬是由于自發(fā)輻射而產(chǎn)生的，無法排除，成為線寬極限，實(shí)際激光器中由于各種不穩(wěn)定因素，縱模頻率漂移遠(yuǎn)大于極限線寬；P0越大，極限線寬越窄，因?yàn)殡S著P0增大，同一個(gè)模式內(nèi)的相干光子數(shù)增加，受激輻射功率與自發(fā)輻射功率比之增大，因此線寬變窄；單程損耗δ下降或者諧振腔長度增加也會(huì)引起線寬下降；21.2模式選擇技術(shù)1、模式選擇的意義激光區(qū)別于普通光的特點(diǎn)在于功率高、單色性好、方向性好和相干性好，理想的激光輸出應(yīng)為單橫模、單縱模輸出；實(shí)際的激光器總是工作再多橫模和多縱模狀態(tài)；橫模選擇及其意義模式階數(shù)越高，光強(qiáng)分布圖案越復(fù)雜，分布范圍越大，發(fā)散角越大；橫模階數(shù)越低，越有利于加工等有關(guān)應(yīng)用；要選出單縱模，必須先選出單橫模；21.2模式選擇技術(shù)縱模選擇及其意義有一些應(yīng)用，例如外差探測、全息照相技術(shù)、精密計(jì)量技術(shù)等對激光的頻率寬度有嚴(yán)格的要求，因此需要選出單縱模。2、橫模選擇技術(shù)橫模選擇的原則：必須盡量增大高階橫模與基模的衍射損耗比；必須盡量減少其它損耗，相對增大衍射損耗；21.2模式選擇技術(shù)橫模選擇技術(shù)小孔光闌選模聚焦光闌法21.2模式選擇技術(shù)3、縱模選擇技術(shù)短腔選模

當(dāng)L減小時(shí)，Δνq增大，當(dāng)增大到大于ΔνT后，就可以選出單縱模。F-P標(biāo)準(zhǔn)具法復(fù)合腔選縱模21.3穩(wěn)頻技術(shù)激光器中Δν與ν的比值很小，即單色性很好，但頻率漂移較嚴(yán)重，穩(wěn)頻就是用手段穩(wěn)定ν，單縱模單橫模激光器中縱模頻率為：引起Δν的因素：激光管發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)引起ΔL，溫度變化、介質(zhì)中反轉(zhuǎn)集居數(shù)起伏，大氣氣壓、溫度變化等都回影響工作物質(zhì)及腔暴露在大氣部分的折射率Δη：21.3穩(wěn)頻技術(shù)定義頻率穩(wěn)定性描述Laser的頻率穩(wěn)定性；例：一個(gè)管壁材料為硬玻璃管的內(nèi)腔式He-Ne激光器，當(dāng)ΔT為±1℃時(shí)，由于腔長變化引起的頻率漂移已經(jīng)超出增益曲線范圍，因此再不采取措施時(shí)有：穩(wěn)頻有兩個(gè)含義：1、頻率的穩(wěn)定性；2、頻率的復(fù)現(xiàn)性，即參考標(biāo)準(zhǔn)頻率νs本身的變化；21.3穩(wěn)頻技術(shù)當(dāng)ν=ν0時(shí)，對壓電陶瓷調(diào)整時(shí)，P0為最小值，因此不論腔長增大還是減小