激光器的线宽

浪起激光2021-08-2476930

激光线宽,激光光源发射光谱的半高全宽,即达到峰值一半高度(有时也取1/e),所对应的两个频率中间的宽度。

光从激光器中射出,激光起振后,会有一个或多个纵模产生,每个纵模的频率的范围就是激光的线宽。注意每个纵模的频率宽度和纵模之间的间隔是两个不同的概念,纵模间隔是相邻两个纵模中心频率的差值。激光线宽由谐振腔的品质因数决定,腔的品质因数越高,激光线宽就越窄。考虑激光介质的增益后,激光的线宽的理论极限由增益介质的自发辐射来决定,例如对于He-Ne,其线宽的理论极限约为10^-3Hz量级。当然实际的激光器中还有各种线宽展宽机制,使激光线宽一般达不到其理论极限,例如对于He-Ne,温度变化0.01度引起的模式频

率漂移约0.1MHz,实际He-Ne的激光线宽可达到1MHz,固体激光器中线宽可达1埃左右。

线宽的产生主要受激光器激发态原子或离子自发辐射、相位噪声、以及谐振腔机械振动、温度抖动等外界因素的影响。线宽的数值越小,意味着光谱的纯净度越高,也就是激光的单色性越好。拥有这类特点的激光器通常具有极小的相位或频率噪声和很小的相对强度噪声。同时,激光器的线宽数值越小,对应的相干性越强,表现为极长的相干长度。

受激光器工作物质的固有增益线宽限制,依靠传统振荡器本身几乎无法直接实现窄线宽激光的输出。为了实现窄线宽激光运转,通常需要利用滤波器、光栅等器件对增益谱内的纵模数进行限制或选择,增加各纵模间净增益差异,使激光谐振腔内最终存在少数几个甚至只有一个纵模的振荡。在该过程中,往往也要控制噪声对激光输出的影响,尽量减少外界环境的震动和温度变化导致的谱线展宽;同时,还可以结合对相位或频率噪声谱密度的分析,了解噪声来源、优化对激光器的设计,从而实现稳定的窄线宽激光的输出。


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