c3.6激光器的线宽极限

§3.4稳定球面腔的光束传播特性§3.3高斯光束的传播特性§3.1光学谐振腔的衍射理论1§3.5激光器的输出功率第三章激光的输出特性§3.6激光器的线宽极限§3.2对称共焦腔内外的光场分布§3.7激光光束质量的品质因子M2§3.6激光器的线宽极限一、原子发光谱线增宽的原因(1)能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度(2)发光粒子之间的碰撞造成了谱线的碰撞宽度。(3)发光粒子的热运动造成了谱线的多普勒宽度。实际的谱线线型是以上三者共同作用的结果，我们把这样的谱线叫做发光物质的荧光谱线，其线宽叫做荧光线宽。激光器在稳定工作时，其增益正好等于总损耗。理想情况：损耗的能量在腔内的受激过程中得到了补充，而且在受激过程中产生的光波与原来光波有相同的位相，所以新产生的光波与原来的光波相干叠加，使腔内光波的振幅始终保持恒定，相应的就有无限长的波列，故线宽应为“0”。如果激光器是单模输出的话，那么它输出的谱线应该是落在荧光线宽范围内的一条“线”。实际上线宽不等于“0”Fν图(3-16)荧光谱线与理想的单色激光谱线§3.6激光器的线宽极限二、激光器的线宽三、造成激光器线宽的原因内部的原因：在理想的激光器中完全忽略了激活介质的自发辐射，而实际的激光器中自发辐射对其输出功率也有极其微小的贡献。激光器的增益应该包括受激过程和自发过程两部分的贡献。在振荡达到平衡时，受激辐射增益+自发辐射增益=腔的总损耗。受激辐射引起的激光线宽：受激辐射的增益应略小于总损耗。受激辐射相干光的每一个波列都存在一定的衰减，正是这种衰减造成了一定的线宽。自发辐射引起的激光线宽：腔内自发辐射又产生一列一列前后位相无关的波列，它们将造成一定的线宽。以上两方面的因素就造成了由于存在自发辐射而引起的激光线宽如图(3-17)所示。三、造成激光器线宽的原因曲线1是衰减的相干光的谱线，曲线2是自发辐射本身的谱线，曲线3是总的谱线。增加激光器的输出功率可以减小由于自发辐射引起的激光线宽。理论计算表明此激光线宽是和激光器输出功率成反比的。图(3-17)激光的极限线宽理论计算表明单纯由于腔内自发辐射而引起的激光谱线宽度远小于lHz。实际测得的激光线宽远远大于自发辐射引起的激光谱线宽度！产生激光线宽的外部原因：温度波动、机械振动、大气压力和湿度的变化、空气的对流、损耗的波动、增益的波动、荧光中心频率漂移等。线宽极限：自发辐射引起的激光谱线宽度。自发辐射是在任何激光器中都存在的，所以这种因素造成的激光线宽是无法排除的。这种线宽是消除了其他各种使激光线宽增加的因素后，最终可以达到的最小线宽。§3.6激光器的线宽极限§3.4稳定球面腔的光束传播特性§3.3高斯光束的传播特性§3.1光学谐振腔的衍射理论7§3.5激光器的输出功率第三章激光的输出特性§3.6激光器的线宽极限§3.2对称共焦腔内外的光场分布§3.7激光光束质量的品质因子M2光束质量是激光束可聚焦程度的度量激光光束品质M2因子的定义002M,,0,0分别为实际光束的束腰半径和发散角以及基横模TEM00的束腰半径和发散角。2200LL00常数作为比较的标准，基横模高斯光束的M2=1，为M2的极小值。即基横模高斯光束有最好的光束质量。对于实际光束，M2因子的值越大，光束质量越差。§3.7激光光束质量的品质因子M2本章小结光学谐振腔的衍射理论自再现模的积分方程、积分方程中本征函数、本征值的物理含义横模、纵模、联系与区别对称共焦腔的场分布镜面上的场分布谐振腔内的行波场分布高斯光束的传播特性高斯光束的振幅、强度、相位、远场发散角等稳定球面腔的光束传播特性等价共焦腔激光器的输出功率，包括均匀增宽型和非均匀增宽型线宽极限和光束质量的品质因子