光栅在半导体激光器中的作用课件.ppt
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- 光栅 半导体激光器 中的 作用 课件
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1、激光器的设计与制作激光器的设计与制作 -半导体激光技术半导体激光技术 首先,尽管激光二极管输出的每个单模的线宽较窄,但输出光束是多首先,尽管激光二极管输出的每个单模的线宽较窄,但输出光束是多纵模的,其单色性由激活介质的辐射线宽所决定。激光的单色性好表现纵模的,其单色性由激活介质的辐射线宽所决定。激光的单色性好表现在其单模上,因此要使激光真正表现出很高的单色性来,在技术上还需在其单模上,因此要使激光真正表现出很高的单色性来,在技术上还需解决一个问题,就是从多模中提取单模。解决一个问题,就是从多模中提取单模。 其次,其次,基于光与原子相互作用需要用激光来和原子的超精细能级相作用基于光与原子相互作用
2、需要用激光来和原子的超精细能级相作用,对激光的线宽要求很窄,对激光的线宽要求很窄,87Rb的超精细能级的自然线宽约的超精细能级的自然线宽约6MHz,因此,因此要想激光的线宽低于要想激光的线宽低于MHz量级,需要对其线宽进行压窄。量级,需要对其线宽进行压窄。 怎么办?怎么办?问题:问题:发展了多种基于外部光学反馈的技术手段,来解决上述问题。发展了多种基于外部光学反馈的技术手段,来解决上述问题。外部光反馈:外部光反馈:在半导体激光器之外附加了外反馈元件后,将加大各个模式在半导体激光器之外附加了外反馈元件后,将加大各个模式之间的损耗差别,外反馈仅允许一个较窄波长范围内的光能返回到激光二极之间的损耗差
3、别,外反馈仅允许一个较窄波长范围内的光能返回到激光二极管的发光区,相当于在反馈范围内的模式的损耗曲线急剧下降。其增益损耗管的发光区,相当于在反馈范围内的模式的损耗曲线急剧下降。其增益损耗差比中心处的大很多,因此,通过增益饱和模式竞争差比中心处的大很多,因此,通过增益饱和模式竞争,将只允许反馈范围内的将只允许反馈范围内的模式存在,而其他波长处的模式被抑制。模式存在,而其他波长处的模式被抑制。外腔半导体激光器外腔半导体激光器:是在半导体激光器是在半导体激光器( (激光二极管激光二极管) )的外部引入外反馈元的外部引入外反馈元件构成的。激光二极管件构成的。激光二极管(LD)(LD)的自然解理面构成外
4、腔半导体激光器的内腔,内腔的自然解理面构成外腔半导体激光器的内腔,内腔还可以称为本征腔;外反馈元件与芯片端面构成的谐振腔为外腔,平面反射镜,还可以称为本征腔;外反馈元件与芯片端面构成的谐振腔为外腔,平面反射镜,光栅,光栅,F F一一P P标准具以及这些元件的组合都可以作为外腔半导体激光器的外反馈标准具以及这些元件的组合都可以作为外腔半导体激光器的外反馈元件。在各种外反馈元件中,光栅是目前应用最为普遍的外反馈元件。元件。在各种外反馈元件中,光栅是目前应用最为普遍的外反馈元件。大量相同的狭缝等间隔平行地排列就构成一个光栅。 光栅的构造光栅的构造b: 缝宽; d: 光栅的周期(1)光栅的结构)光栅的
5、结构光栅的基本原理光栅的基本原理-光栅的结构及多缝光栅的结构及多缝FraunhoferFraunhofer(夫琅禾费夫琅禾费)衍射)衍射 具有周期性的空间结构或光学性能的衍射屏,统称光栅。 光栅主要作用:分析光谱 b: 缝宽; d: 光栅的周期种类种类透射光栅透射光栅 ,反射光栅。反射光栅。a是透光部分的是透光部分的宽度,宽度,b是不透是不透光部分的宽度,光部分的宽度,光栅常量光栅常量d = a + b,是光栅的是光栅的重要参数。重要参数。(1)光栅的结构)光栅的结构光栅的基本原理光栅的基本原理-光栅的结构及多缝光栅的结构及多缝FraunhoferFraunhofer(夫琅禾费夫琅禾费)衍射)
6、衍射 光栅的基本原理光栅的基本原理-光栅的结构及多缝光栅的结构及多缝FraunhoferFraunhofer(夫琅禾费夫琅禾费)衍射)衍射 QoLPf衍射角衍射角光栅的基本原理光栅的基本原理-光栅的结构及多缝(光栅的结构及多缝(夫琅禾费夫琅禾费)衍射)衍射 光栅衍射明条纹的必要条件光栅衍射明条纹的必要条件 1、考虑多光束干涉、考虑多光束干涉 每条缝作为一个每条缝作为一个集体集体提供提供一光一光线线进行进行多光束干涉多光束干涉衍射角为衍射角为 时,时,相邻两缝间的光程差:相邻两缝间的光程差:由振动叠加规律知,当由振动叠加规律知,当 满足满足干涉相长,在干涉相长,在 方向形成明条纹。方向形成明条纹
7、。, 2, 1, 0k衍射角衍射角absin)(ba kbasin)(光栅的基本原理光栅的基本原理-光栅的结构及多缝光栅的结构及多缝FraunhoferFraunhofer(夫琅禾费夫琅禾费)衍射)衍射 满足上面条件时出现干涉明纹满足上面条件时出现干涉明纹 此时并未没考虑单缝的衍射影响,得到的此时并未没考虑单缝的衍射影响,得到的明纹强度都相等。明纹强度都相等。.)2 , 1 , 0(sin)(kkbasin0ddd2d2I2.单缝衍射对光栅多光束干涉结果的修正单缝衍射对光栅多光束干涉结果的修正 考虑单缝衍射影响后,必须对各级明纹的强度考虑单缝衍射影响后,必须对各级明纹的强度 做出修正。做出修正
8、。f12 每条单缝都发生衍射,所以各缝的光强是单每条单缝都发生衍射,所以各缝的光强是单缝衍射后的光强。缝衍射后的光强。需要注意:需要注意:两缝衍射强度分布两缝衍射强度分布是重合的!是重合的! 条纹位置不变条纹位置不变, ,由多缝干涉决定,但强度受由多缝干涉决定,但强度受到单缝衍射的调制。到单缝衍射的调制。3、综合考虑多缝干涉和单缝衍射、综合考虑多缝干涉和单缝衍射I单缝衍射单缝衍射轮廓线轮廓线I 光栅中狭缝条数越多,明纹越亮光栅中狭缝条数越多,明纹越亮.1条缝条缝2条缝条缝3条缝条缝5条缝条缝6条缝条缝20条缝条缝亮纹的光强亮纹的光强02INI :单缝光强):单缝光强)(:狭缝数,(:狭缝数,N
9、0I光栅的基本原理光栅的基本原理-光栅的结构及多缝光栅的结构及多缝夫琅禾费夫琅禾费衍射衍射 当当 满足满足 时时同时满足单缝衍同时满足单缝衍射极小条件:射极小条件: 光栅衍射的第光栅衍射的第k级主明纹与单缝衍射级主明纹与单缝衍射k 级暗纹级暗纹重合,重合,k级主明纹不会出现,称为级主明纹不会出现,称为缺级现象缺级现象。k和和k 的关系为:的关系为:abkka四、缺级四、缺级kbasin)(.2 , 122sinkka两整数之比时,缺级两整数之比时,缺级 =kabdkaa即即:光栅的基本原理光栅的基本原理-光栅的结构及多缝光栅的结构及多缝夫琅禾费夫琅禾费衍射衍射 缺缺缺缺缺缺缺缺 7 6 5 4
10、 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7Osina2aa2aIa ba b3a1ab五、条纹特点五、条纹特点 满足光栅方程出现的明纹称为主极大,光栅满足光栅方程出现的明纹称为主极大,光栅方程是主极大的必要条件,但不是充分条件(存方程是主极大的必要条件,但不是充分条件(存在缺级)。在缺级)。主极大位置主极大位置 sin = 0, ( /d), 2( /d), 和缝数无关和缝数无关亮度:亮度:单缝衍射和多缝干涉的总效果。单缝衍射和多缝干涉的总效果。 光栅方程光栅方程1、主极大、主极大k=0称为中央明纹称为中央明纹.)2 , 1 , 0(sin)(kkba 可以证明:在两个相邻主极大之间有可以证
11、明:在两个相邻主极大之间有N-1个个暗纹暗纹。2 2、极小、极小 在在N很大时,光栅衍射的很大时,光栅衍射的暗纹和次极大暗纹和次极大联成联成一片,几乎无法分辨,形成一个一片,几乎无法分辨,形成一个暗区暗区,把主极,把主极大衬托的既大衬托的既细又明亮细又明亮。 相邻两极小之间有一个次极大,相邻两主极相邻两极小之间有一个次极大,相邻两主极大间有大间有N - 2个个次极大次极大;因亮度很小,一般可不因亮度很小,一般可不计。计。3 3、次极大、次极大2 2、主明纹在屏幕上的位置、主明纹在屏幕上的位置 oPfx第第k级明纹到中央明纹中心的距离级明纹到中央明纹中心的距离tanfx bak1sinkbasi
12、n)(一定,一定, 减少,减少, 增大增大abkk13 3、明纹间相距和光栅常数、入射波长的关系、明纹间相距和光栅常数、入射波长的关系 由光栅方程可得由光栅方程可得第第k级主明纹级主明纹与与第第k1级主明纹级主明纹之间的之间的角距离角距离 表示:表示:入射入射光波长一定光波长一定,光栅常数越小光栅常数越小,明纹,明纹间相隔越远。间相隔越远。ab一定一定, 增大,增大, 增大增大kk1表示:光栅常数一定,入射光波长越大表示:光栅常数一定,入射光波长越大,明纹间相隔越远。明纹间相隔越远。bakksinsin1 和和 在光栅在光栅法线同侧法线同侧 时,相邻两缝的光程差时,相邻两缝的光程差光栅公式:光
13、栅公式:4 4、单色平行光斜入射情况、单色平行光斜入射情况 12ABCDP 和和 在光栅在光栅法线异侧法线异侧 时,相邻两缝的光程差时,相邻两缝的光程差.2 , 1 , 0k)sin)(sin( ba)sin)(sin(bakba)sin)(sin(入射光为入射光为白光白光时,时, 不同,不同, 不同,按波长分开形成不同,按波长分开形成光谱光谱. .k5 5、白光入射、白光入射sin0I一级光谱一级光谱二级光谱二级光谱三级光谱三级光谱.)2 , 1 , 0(sin)(kkba光栅单色器的工作原理光栅单色器的工作原理输出平行光输出平行光单缝单缝0级光无色散,探测不同波长的强度,主要利用一级光级光
14、无色散,探测不同波长的强度,主要利用一级光在衍射光谱中,级数较高的谱线会发生在衍射光谱中,级数较高的谱线会发生重叠重叠。谱线重叠满足的条件为谱线重叠满足的条件为2211kk6 6 条纹的重叠条纹的重叠 当波长当波长 1的第的第k1级谱线与波长级谱线与波长 2的第的第k2级级谱线谱线重叠重叠时,它们有相同的衍射角时,它们有相同的衍射角 即即 1 2kbasin)(由光栅公式由光栅公式 闪耀光栅分为平面反射式闪耀光栅和透射式闪耀光栅。目前光谱仪中的光栅闪耀光栅分为平面反射式闪耀光栅和透射式闪耀光栅。目前光谱仪中的光栅普遍采用平面反射式光栅。普遍采用平面反射式光栅。反射式光栅由一个衬底上刻上的许多空
15、间规则分布的反射式光栅由一个衬底上刻上的许多空间规则分布的凹槽组成。相邻的凹槽的间距叫做栅距。凹槽组成。相邻的凹槽的间距叫做栅距。闪耀光栅的刻槽面和光栅平面是不平行闪耀光栅的刻槽面和光栅平面是不平行的,且两者之间有一定的夹角,这个角度被称为闪耀角。这样的话的,且两者之间有一定的夹角,这个角度被称为闪耀角。这样的话, ,当一束光入当一束光入射到闪耀光栅后,每个刻槽面衍射的中央极大值与槽面间干涉零级主极大分开。射到闪耀光栅后,每个刻槽面衍射的中央极大值与槽面间干涉零级主极大分开。就这样就这样, ,光能量从干涉零级主极大转移到某一级光谱上,只有某一个特定波长的光能量从干涉零级主极大转移到某一级光谱上
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