异 二、光谐振詈的反射面 在激光物质内受激辐射产生的光被光谐振器的反射面反射, 在激光物质内来回多次,这时会有散射、透过或吸收等导致的损 耗。但是如果光强的放大超过这些损耗时,就发生激光振荡。在 激光物质中的增益越大,越不容易受话振器损耗的影响。一般在 激光物质中的增益都很小,因此,为有效地产生振荡,在光谐振器 反射面的损耗必须小,故在所需波长范围内的反射率必须非常高 气体激光器中用得最广泛的是He-Ne激光器,它发出的红 色光(波长6328A)的增益大约等于002米→,即每米光强增益 2%。故如果放电管是一米长的话,为了产生振荡必须满足 g(u)L=0.02≥1-R 226) 式中R是反射率,所以1一R是透过镜面逸失的光量即损耗(图 25)。 这里为简单起见,不 考虑吸收或散射等损耗。 由(226)得 R≥0.98。 图25光谐振器的损耗 这就是说,为了产生振荡, 反射率至少要达到98%。淀积金属的镜面不可能有这样大的反 射率。因此,谐振器的反射面多是由所谓“多层淀积膜”制成。它 的反射率接近于100% 三、多淀积膜 非金属的多层淀积膜(电介质多层淀积膜)作的镜面能有非常 高的反射率,可以用它来制作谐振器的反射面。基底是玻璃等光 学材料的研磨面,基底面上交替淀积折射率比基底材料高和低的 介质薄层。每层的光学厚度(折射率×几何厚度)等于1/4波长。 令为基底材料的折射率,pBAL分别为折射率比基底高 和比基底低的介质的折射率,则根据物理光学理论,假定光是垂 直照射到反射面层数等于2N时的反射率R2N为
As R (227 1 层数等于2N+1时的反射率R2为 H R (丝)(m 2N+1 (228) 1+AH AH AH 2N 表21列出一些用于多层淀积层的高折射率介质及低折射率 介质 比如,以氧化铈(CeO2)为高折 射率介质,以氟化镁(MgF2)为低折 射率介质,在s=1.51的玻璃基 6计底上淀积(N+1)层时,由(228) 得出如表22所示的反射率。N增 变2.1多层淀积膜材料 村料|折射串选明区长 冰晶石Na2AF41.3502-10 07.身Q.9101.11.2 氟化镁MF1.380.25~5 波长(微米) 氟化钍ThF 1.50 图2.6激光谐振器用多层淀积 氧化硅SiO 0.6=8 膜的光谱特性实例(纵轴为透过 22004~5 率T的实测值,由于吸收极小, 氧化铈ceO 可以认为反射率R≈I-T 硫化锌znS|2.5~2.20.4~14 衰22多层淀积膜的星效和反射率的关系 玻璃(rs=1.51)上交替淀积ceO2(HH=220)和MgF2(H=1.38) 层数(2N+1) 反射率RN 0.825 3 0.970 26
加,反射率也随着增大实际制作上常用的是15到30层。为了在 00X到9000A的波长范围能有大的反射率,采用CO2和MgF2 的15层淀积膜图26是此膜的光谱透过率实测值 2-4激光器振蕩条件 激光器开始振荡的条件是在光谐振器的反转分布物质内由于 光的放大而产生的功率必须等于或超过谐振器的功率损耗。这情 形和电子电路相同。下面具体地求振荡的起始条件。 令频率y的光其每单位长度的光强增大率即增益系数为 g(y)。设起初的光强为1。通过L的距离后增大g(υ)L。假定谐 振器内衍射和吸收损耗可以忽略,主要损耗是由于透过引起。设 反射率为R透过率则等于1一R,因此起始振荡的条件为 g(y)L≥1一R (229) 洛伦兹型谱线的增益系数和高斯型谱线的增益系数仅差一个 因子。以髙斯型谐线的多谱勒效应加宽为例,其振荡条件(2.29) 可以写成 N2-2N1)x (230) g 故 N2-N1 h24D(1一R)- 6 (231) L2421 由此得知,为使振荡容易产生,(231)式中的左边要尽可能 大,右边要尽可能小。就是说,激光物质的长度L,反射镜的反射 率R,原子数N2和跃迁几率A越大越好,波长也越长越好,而谱 线宽△D和N1则越小越好。 妈值: 由(231)可知,每一个激光器都有固定的L、R、、A21和△D 的值。 N2-N1必须超过由(231)式决定的某一界限值才能产生 g
振荡。因此,加于激光器的激励功率也必须超过某值。此值称为 阈值,它是激光振荡的重要特征。由(231)式可以看到要阈值小 必须增大R和L。 2-5光諧振器的特性 、谐摄罰的Q值 和电子谐振器电路一样,光谐振器的质量也以品质因数Q表 示。其定义为 =o储在谐振器内的能量 (2.32) 每秒损失的能量 式中是角频率。 下面利用简单的方法计算每秒的能量损失。如图25,令反 射镜的反射率为R,镜间距离为L,设最初的光量为1,那末经过 次反射后,回到谐振器内的光量为R,损失的光量等于1一R。 光在谐振器内传播距离L所需的时间是L/c秒(c是激光物质内 的光速)。于是每秒的能量损失是 d二_(1-R)W二c(1-Rw (233) L/c Z 式中W表示储蓄在谐振器内的能量。将(233)对t求积分,令 时W=W,则得 W 故能量减小的时间常数t")为 (234) (1一R) 由(232),Q值为 C(I-R)W/L 因为=2(x是光的波长),上式可写成 1)编译者:即能量减小到W时所经历的时间
E 2xL Ry (235) 式中a=(1一R)表示损耗的量。 损失a可以有种种原因,令反射损耗为8,衍射损耗为8a,则 有 2xL (236) λδr十84 6,和b4的关系随谐振器的型式不同而不同,对于圆型平面镜谐振 器 λL4 0.207 式中a是反射镜孔径的1/2,Q在84=258时取最大值。 对于共焦型谐振器 00 84=A×10 对振荡主模, A=10.9,B=4.94 Q在 23( 兴归 时取最大值。 TEM 称为菲涅耳数,经常用这 0富 TEN 形镜 参数表示衍射损耗。图 共焦点 国形镜 TEMM 27示出行射损耗和菲涅6k 耳数的关系,可以看到,对 TEMM 4. 于同一菲涅耳数,共焦(凹 0.610 gt人 面)谐振器的衍射损耗比 图27衍射损耗和非涅耳数的关系 平面谐振器的衍射损耗小得多。 二、碧定性图 根据激光谐振器反射镜的曲率半径和间距大小如何,振荡可 1)编译者:将d4的两种表示式代人(2.36)对L微分,求极值可分刖得此二式