激光谐振腔技术选模及稳频技术.pptx

第二章激光谐振腔技术、选模及稳频技术本章内容提要激光谐振腔技术、选模及稳频技术激光谐振腔技术、选模及稳频技术光学谐振腔的作用主要有两方面:光学谐振腔的损耗（3）腔镜反射不完全引起的损耗不论损耗的起源如何，均可用“平均单程功率损耗率”又称称单程损耗因子)δ来定量描述。该因子的定义为：如果初始光强为I0，在无源腔内往返一次后，光强衰减为I1则：以r1和r2分别表示腔的两个镜面的反射率(即功率反射系数)，则初始强度为I0的光，在腔内经两个镜面反射往返一周后，其强度I1应为激光谐振腔设计基础激光谐振腔设计基础激光谐振腔设计基础τR称为腔的时间常数，是描述光腔性质的重要参数，当t=τR时，激光谐振腔设计基础激光谐振腔设计基础激光谐振腔设计基础激光谐振腔设计基础激光腔模式及选模技术由于腔内电磁场的本征态由Maxwell方程组和腔的边界条件决定,因此不同类型和结构的谐振腔的模式也将各不相同。一旦给定了腔的具体结构,其中振荡模的特征也就随之确定下来。光学谐振腔理论就是研究腔模式的基本特征,以及模与腔结构之间的具体依赖关系。原则上说．只要知道了腔的参数，就可以唯一地确定模的上述特征。多光束干涉理论可知，发生相长干涉的条件是：波从某一点出发，经腔内往返一周再回到原来位置时，应与初始出发波同相。可以将满足的平面驻波场称为腔的本征模式。其特点是：在腔的横截面内场分布是均匀的，而沿腔的轴线方向(纵向)形成驻波，驻波的波节数由q决定。通常将由整数q所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模。不同的q值相应于不同的纵模。q称为纵模序数。激光腔模式激光腔模式选模技术激光腔模式及选模技术相干光源激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽Δν0和谐振腔的纵模间隔Δνq决定。而纵模间隔与腔长成反比，因此选择单纵模的方法之一是缩短谐振腔的长度Ｌ,以增大Δνq，使得在Δν0范围内只存在一个纵模，而其余的纵模都位于Δν0之外，如图2-5所示。如He-Ne激光器，当L=1m时，其纵模间隔=150MHz(设n=1)。Δν0=1500MHz，若要求单纵模振荡就要求L=0.1m以下。式中，为标准具的精细度；r为标准具对光的反射率；φ是标准具中参与多光束干涉效应的相邻两出射光线的相位差，即。其中，d为标准具的厚度(即两平行面的间隔)；n为标准具介质的折射率；α′为光束进入标准具后的折射角，一般很小近似为1)。T(λ)是波长、φ和r的函数。激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术对图2-10所示的迈克尔复合腔可以看成是又两个子腔组合而成：全反射镜M和M1组成一子腔，腔长为（L+l1）,谐振频率，式中qi为正整数，假设折射率为1；另一子腔由全反射镜M和M2组成，腔长为（L+l2），谐振频率为。组合后的谐振腔必须同时满足两个腔的频率条件，令两等式相等，并假设第一个子腔经过N个频率间隔后正好和第二个子腔经过N+1个频率间隔后再次相等，则有激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术影响频率稳定的因素温度变化的影响环境温度的起伏或者是激光管工作时发热，都会使腔材料随着温度的改变而伸缩，以致引起频率的漂移，即(2)大气变化的影响又设测量中温度、气压及湿度的时间变化率分别为机械振动也是导致光腔谐振频率变化的重要因素。如建筑物的振动、车辆的通行、声响等都会引起腔的支架振动，使腔的光学长度改变，导致振荡频率的漂移。为了减小温度影响，激光谐振腔间隔器多采用殷钢材料制成，但殷钢的磁致伸缩性质可能引起腔长的变化，如1.15μm波长的He-Ne激光器，仅由于地磁场效应可以产生140kHz的频移。因而地磁场效应和周围电子仪器的散磁场对于高稳定激光器影响必须加以考虑。图2-11单频CO2激光器防震、恒温装置1.激光器2.减震器3.石英玻璃管4.铅筒(外绕加热丝)激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术激光纵模及选频、稳频技术二、腔长自动补偿系统的方框图及主要功能频率振荡器振荡器给出一个频率为f[(约为lkHz)、幅度很小(只有零点几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号”]的正弦调制信号，一路加到压电陶瓷环上对腔长进行调制，使腔长产生频率为f、振幅为L的调制、相应的产生激光振荡频率v的变量v和激光输出功率P幅度为P的调制；另一路加到相敏整流器上做为参考信号。稳频原理稳频精度工作波长为633nm和1.15μm的He-Ne激光器,频率稳定度可达10-9～10-10量级,复现度优于5×10-8（1）稳频激光器不仅要求是单横模，而且还要求必须是单