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激光光谱学教学笔记之激光器 精选

已有 6158 次阅读 2018-5-5 22:38 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦

 


 

耀如羿射九日落 罢如江海凝清光

 

激光器的目标很单纯,就是努力把尽可能多的能量分配在尽可能少的模式里。激光器包含三个要素:共振腔,选择适当的模式;增益介质,放大光的功率;泵浦源,从外部提供能量。

泵浦源改变了增益介质中的粒子数分布,使之显著偏离热平衡情况(玻尔兹曼分布),在一些能级之间产生粒子数反转,也就是说上能级的粒子数比下能级多。这样一来,穿过增益介质的光就有可能被放大,不会因为吸收而衰减。这些可能实现粒子数反转的能级,就构成了材料的增益谱。

增益介质处于共振腔里,穿过增益介质的光大多是匆匆过客,只有那些行进方向跟共振腔的光轴一致的光,才有可能在两个端镜之间多次反射。端镜的横向尺寸很小,共振腔的纵向长度很大,为了得到足够增益需要往返的次数很多,所以,任何微小的偏离都是致命的,所以激光器里的横向模式总是很少的。只要方向正确,就都是同路人,步子大点还是小点,关系就不是太大,每次经过增益介质,总是能从他那里揩点油的,所以,激光器的纵向模式可以很多。

激光共振腔跟通常的法布里-珀罗腔的最大差别就在于前者的腔里面放了块增益介质。我们知道,材料的折射率取决于电子在其能带(或能级)中的分布情况,光当然会改变这种分布,而激光共振腔里最不缺的就是光啊。所以,增益介质的折射率是随时变化的,跟激光器的工作状态有很大关系。激光的模式拖曳就是因为这个缘故。激光要实现激射,必须有粒子数反转。同一个地方的粒子数反转,给了这个模式,就不能给那个,不能一鱼双吃,只能是谁的拳头大谁有理(受激辐射正比于光强),这就是激光的模式竞争。对于同一个模式,不同地方的粒子数反转对激光的贡献可能也不一样,因为共振腔里驻波场的振幅是依赖于具体位置的,这样就会贫富分化的情况,造成了激光的空间烧孔。

为了避免空间烧孔,通常有两种方法。一种是采用行波腔,让共振腔里的激光场跑起来,不要停在一个地方不动;另一种方法是采用多模模式,这样就可以让不同的波长占据不同的位置,一方水土养一方人。

为了防止模式竞争,最好的方法就是马太效应。“人之道,损不足而奉有余”,养一根独苗,实现单模激光。横向模式的选择比较容易,通常不过是调节光轴上一个小孔的大小,不同模式的光具有不同的横向光场的分布,同一个小孔导致的光场损耗可以有巨大的差别。纵向模式的选择比较麻烦,经常要放几个不同的标准具(也就是法布里-珀罗腔)在共振腔里,只有经过多重考验的模式才能够幸存下来。

为了防止模式拖曳,就要保证激光工作在稳定的状态。泵浦源要稳定,激光的光强和波长也要稳定。稳定的原则很简单,就是负反馈,“天之道,损有余而补不足”。波长的稳定就是调节共振腔的等效程度,压电晶体可以高速稳定高精度地调节端镜的位置。光强的稳定可以通过改变泵浦光的强度或者共振腔的损耗来实现。

这些方法可以让你得到一个单模的激光器,可是你怎么确定这就是你想要的激光波长呢。这就涉及到激光波长的定标问题,你当然可以找个信得过的激光器、标准具或者其他什么的来比对一下,但是最好的方法还是选择一个自然出现的光学跃迁过程来比对,因为“上帝是微妙的,但不是邪恶的”。

有了定标好的单模激光器,你仍然不会满足的,你还想要波长可以随意调节的激光器,这就是可调谐的激光器。这也不是很难,只要有增益谱足够宽的增益介质,泵浦功率足够强的泵浦源,模式控制自如的光学腔,你就肯定可以做到的——只看你愿意不愿意了。



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