丘志仁《激光原理与技术》第三章3-6 -修改.pdf

2013.4.16 思考问题 ? 激光器输出频率： 单纵模？多纵模？ ? 频率稳定性如何？（高精度光谱测量或有 关计量标准应用） ? 兰姆凹陷发生条件？ ? 频率稳定性的方法？ ? 非均匀加宽介质与均匀加宽介质之差别？ ? 模式（横模与纵模）可以选择吗？ §3-6 激光器的频率特性 和稳频与模式选择原理 1. 非均匀谱线增宽多模振荡 ? 动态过程: 抽运使 ?N 增大；受激发 射使 ?N 减小,限制了?N 无限增大； ? 由于工作物质谱线增宽机制不同， 致使振荡器中增益饱和性质不一样！ 1.非均匀谱线增宽多模振荡 (1) 烧孔效应 ? 一般气体激光器的气压都在毫乇至几十乇 的范围，主要增宽机制是热运动增宽。 ? 如：He-Ne激光器，?0 ? 6328A 14 ? 0 ? 4.74?10 Hz Ne 原子质量M=20，温度T=400K, L=30cm. 1.非均匀谱线增宽多模振荡 ? 增宽结果有： T 1 ?? ? 7.16?10?7? ( ) 2 ? 1.518?109 Hz D 0 M c ? 而 ?? ? ?? ? ? 0.5?109 Hz q c 2L ? 假如调节谐振腔长度使 ?? V ? ?? ? q ?? (1? z ) q 0 2 0 c ?? V ? ?? ? q ?? (1? z ) q?1 0 2 0 c 其中 4 Vz ?1.58?10 cm / s 1.非均匀谱线增宽多模振荡 ? 当在 h? q 光子的作用下，速度为Vz的那 部分激发原子才产生受激发射，导致 这部分原子的损耗，即速度为Vz的原 子数 N 2 下降，而其他速度的激发原子 不会参加到频率为 ? q 的受激发射中， 因此在增益曲线上 ? q 处增益下降至阈 值，产生了一个凹穴，同理在 ? q?1上有 另一凹穴，称为烧孔效应。 1.非均匀谱线增宽多模振荡 1.非均匀谱线增宽多模振荡 ? 这种只有部分激发原子参与受激发射，而 不是整个原子集合，这样的谱线增宽现象 称为“非均匀增宽”。 ?? ? 烧孔宽度： h, 在阈???附近?? h ? ?? N ; 激发增加时孔也增大。 ? 烧孔深度： H ? InG ? InG s ?? ? 激光输出功率： P ? 2H ? ?? h 1.非均匀谱线增宽多模振荡 （2）单模振荡、兰姆凹陷 ? 假如调整腔长使 ? q ?? 0 ，则只有Vz=0的 激发原子参与受激发射，只有一个烧孔。 ?? ? 输出功率出现极小值 P ? H ? ?? h 1.非均匀谱线增宽多模振荡 1.非均匀谱线增宽多模振荡 （3）多模振荡 ? 当谱线宽度 ?vD（ ??vq ）范围内容纳多 个纵模 ? 低压1乇---几十乇下（热运动增宽---非 均匀增宽） ? 原子碰撞间隔：10?6 ?10?7 s /次 ? 原子自发发射寿命 10?8 s ? 导致：瞬间速度±Vz的激发态粒子数 特别减少 1.非均匀谱线增宽多模振荡 兰姆凹陷的发现和应用 ? 是科学与技术，理论与实践密切结合取得重 要成果的又一个极好例证。 He-Ne 激 光器发明两年后，1962年，兰姆位移的发 现者，诺贝尔物理奖得主小W.E.兰姆教授 正在耶鲁大学对氦氖激光器作理论分析。他 的目的是要根据原子在电磁场作用下振荡的 经典模型，计算激光强度随空腔参数改变的 关系。 兰姆凹陷的发现和应用 ? 他原来预计，空腔原子有一定的自然跃迁频 率，当空腔频率与原子跃迁频率一致时，会 因为谐振而使激光强