第三章§3-6(修改)概述.ppt

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 非均匀谱线增宽多模振荡 动态过程: 抽运使 增大；受激发射使 减小,限制了 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， 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： 而 假如调节谐振腔长度使 其中 1.非均匀谱线增宽多模振荡 当在 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 下降，而其他速度的激发原子不会参加到频率为 的受激发射中，因此在增益曲线上 处增益下降至阈值，产生了一个凹穴，同理在 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： , 在阈值附近 ; 激发增加时孔也增大。 烧孔深度： 激光输出功率： 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 ，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 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 （ ）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： /次 原子自发发射寿命 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度达最高值。可是出乎他的意料，计算所得的曲线却在谐振处呈现极小值，形成一凹陷。他花了许多时间反复核算，没有找出错误，肯定计算是正确的。?? 兰姆凹陷的发现和应用 当时，兰姆并不知道这就是由于饱和和多普勒频宽引起烧孔效应的后果（不久就清楚了），但是他敏感地预见到，这一凹陷有助于频率的稳定，因为他在理论计算中参考了二十年代电子学家范德泡尔（van der Pol）关于多频振荡器的理论，这一理论证明只要满足一定条件就可以出现频率锁定现象。??? 兰姆凹陷的发现和应用 兰姆作出理论预测后，并没有马上发表，而是将手稿寄给激光器的另外两位先驱，贾万和本勒特（Bennett），请他们发表意见。 贾万回信说，他虽然没有观察到这个现象，但相信会有，因为他曾观察到与之有关的推频效应。 本勒特则把自己的实验记录寄给兰姆，他在激光输出随调谐频率变化的曲线中没有找到凹陷信号，表示对此没有信心。 兰姆凹陷的发现和应用 贝尔实验室有一位同事叫R.A.麦克发伦（R.A.McFarlane），得知后对这个问题产生了兴趣，主动承担起实验研究的工作。他用磁致伸缩方法使氦氖激光器的光学腔改变长度，从而调整谐振频率，开始时，他的激光管中用的是自然丰度的气体（氖的成分为20Ne，90.92％；21Ne，0.26％；22Ne，8.82％），在谐振曲线上也没有观察到凹陷，但他注意到曲线有些不对称，似乎是两种频率叠加而成的。他意识到这可能是氖的同位素效应，于是在贾万的帮助下，做了22Ne（纯度达99.5％）的氦氖激光器，果然，在中心频率附近出现了微浅的凹陷信号。功率加大后，凹陷随之变深，形成明显的鸵峰曲线。 兰姆凹陷的发现和应用 于是，麦克发伦、本勒特和兰姆三人联名于1963年发表了实验结果，正式宣布兰姆凹陷的存在。与此同时，贾万也发