激光特性的控制与改善.pptx

1赵风周赵风周物理学院物理学院八月八月 24激光原理与技术LASER Principles and Technology2第五章 激光特性的控制与改善模式选择技术（横模和纵模）模式选择技术（横模和纵模）稳频技术稳频技术Q调制技术调制技术锁模技术锁模技术3从一台简单激光器出射的激光束，其性能往往不能满足应用的需要，因此不断地发展了旨在控制与改善激光器输出特件的各种单元技术。为了改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性，发展了模式选择、稳频及注入锁定技术。为了获得窄脉冲高峰值功率的激光束，发展了Q调制、锁模、增益开关及腔倒空技术。4速率方程速率方程增益饱和增益饱和激激 光光 器器工作特性工作特性振荡阈值振荡阈值振荡模式振荡模式输出功率输出功率输出线宽输出线宽弛豫振荡弛豫振荡选选 模模调调Q/锁模锁模/放大放大稳稳 频频LD直接调制直接调制/增益开关增益开关DFB谐振腔谐振腔理理 论论高斯光束高斯光束频率变换频率变换技术技术输出频率输出频率5第一节第一节 模式选择模式选择理想激光器的输出光束应只具有一个模式，但不采取选模理想激光器的输出光束应只具有一个模式，但不采取选模措施时，多数激光器的工作状态是多模的。措施时，多数激光器的工作状态是多模的。选模的意义：选模的意义：基横模基横模(TEM00)发散角小，空间相干性好发散角小，空间相干性好单纵模单纵模 单色性好，时间相干性好单色性好，时间相干性好激光准直、激光加工、非线性光学研究、激光中远程测距激光准直、激光加工、非线性光学研究、激光中远程测距等应用均需基横模激光束。而在精密干涉计量、光通信及等应用均需基横模激光束。而在精密干涉计量、光通信及大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的，同时大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的，同时要求光束仅含有一个纵模。要求光束仅含有一个纵模。61.1 横模选择横模选择q物理基础物理基础：谐振腔中不同横模具有不同的损耗：谐振腔中不同横模具有不同的损耗q在稳定腔中，基模的衍射损耗最低，横模阶次增高，衍射在稳定腔中，基模的衍射损耗最低，横模阶次增高，衍射损耗迅速增加。损耗迅速增加。单模运转的充分条件单模运转的充分条件TEM00模的单程增益至少能补偿其在腔内的单程损耗模的单程增益至少能补偿其在腔内的单程损耗相邻横模应满足相邻横模应满足7横模选择的原则横模选择的原则q在各个横模的增益大体相向的条件下，不同横模间衍射损在各个横模的增益大体相向的条件下，不同横模间衍射损耗的差别就是进行横模选择的根据。耗的差别就是进行横模选择的根据。q原则原则尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比，损耗比越大，则尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比，损耗比越大，则横模鉴别力越高横模鉴别力越高尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗，加大衍射损耗在总尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗，加大衍射损耗在总损耗中的比例损耗中的比例81、小孔光阑选模、小孔光阑选模小孔小孔小孔小孔基本思路：基本思路：r减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗rTEM00模和其它高阶模有不同的光斑尺寸模和其它高阶模有不同的光斑尺寸特点：特点：r方法简单方法简单r不易获得大功率输出不易获得大功率输出92、谐振腔参数、谐振腔参数g、N选模选模r适当选择谐振腔的类型和腔参数适当选择谐振腔的类型和腔参数g、N，满足谐振腔单模，满足谐振腔单模运转充分条件，实现基横模输出运转充分条件，实现基横模输出3、非稳腔选模、非稳腔选模r非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗有很大差异非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗有很大差异r适用于高增益激光器选横模适用于高增益激光器选横模r非稳腔的输出光束为球面波或平面波非稳腔的输出光束为球面波或平面波4、微调谐振腔、微调谐振腔r平面腔：腔镜倾斜可抑制基模，实现高阶模振荡平面腔：腔镜倾斜可抑制基模，实现高阶模振荡r稳定腔：倾斜腔镜基模受影响小，高阶模损耗明显增大稳定腔：倾斜腔镜基模受影响小，高阶模损耗明显增大101.2 纵模选择纵模选择激光工作物质中往往存在多对激光振荡能级，可以利用窄激光工作物质中往往存在多对激光振荡能级，可以利用窄带介质膜反射镜、光栅、棱镜等构成色散腔获得特定波长带介质膜反射镜、光栅、棱镜等构成色散腔获得特定波长的跃迁振荡的跃迁振荡纵模选择纵模选择：在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法：在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法一般谐振腔不同纵模损耗相同，但是小信号增益各异一般谐振腔不同纵模损耗相同，但是小信号增益各异扩大扩大相邻纵模的相邻纵模的增益差增益差或人为或人为引入损耗差引入损耗差111、短腔法、短腔法r缩短腔长，增大相邻纵模间隔缩短腔长，增大相邻纵模间隔小信号增益曲线上满小信号增益曲线上满足阈值条件的有效宽度内只存在一个纵模足阈值条件的有效宽度内只存在一个纵模r适用于荧光线宽窄的激光器适用于荧光线宽窄的激光器 122、行波腔法、行波腔法抑制烧孔效应抑制烧孔效应r均匀加宽物质存在增益饱和，有助于形成单纵模振荡均匀加宽物质存在增益饱和，有助于形成单纵模振荡r驻波腔存在空间烧孔效应，激励足够强时，仍然会出现驻波腔存在空间烧孔效应，激励足够强时，仍然会出现多纵模振荡多纵模振荡r采用采用环形腔环形腔，且在腔内插入一个只允许光单向通过的，且在腔内插入一个只允许光单向通过的隔隔离器离器，可形成，可形成行波场行波场，实现单纵模振荡，实现单纵模振荡隔离器隔离器激光工作物质激光工作物质133、选择性损耗法、选择性损耗法r在腔内插入标准具或构成组合腔，由于多光束干涉效应，在腔内插入标准具或构成组合腔，由于多光束干涉效应，谐振腔具有与频率相关的选择性损耗谐振腔具有与频率相关的选择性损耗L激光工作物质激光工作物质透射谱宽度14调整调整qq角，使角，使n nj=n nq且有，且有可获得单纵模输出可获得单纵模输出复合腔复合腔福克斯福克斯-史密斯型复合腔史密斯型复合腔外腔半导体激光器选模装置外腔半导体激光器选模装置15第二节第二节 频率稳定频率稳定谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的频率为谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的频率为2.1外界因素对频率稳定性的影响外界因素对频率稳定性的影响谐振腔几何长度变化：温度、振动，谐振腔几何长度变化：温度、振动，D DL10-3/oC折射率变化：温度，折射率变化：温度，D Dn起伏起伏(放电电流、驱动电流等放电电流、驱动电流等)，气压、湿度气压、湿度 频率漂移频率漂移161、频率稳定度、频率稳定度 平常说的稳定度为平常说的稳定度为10-8，10-9等，就是这个意思。等，就是这个意思。显然，变化量显然，变化量DnDn(t t)越小，则越小，则Sn n(t t)越大，表示频率的越大，表示频率的稳定性越好。稳定性越好。习惯上，有时把习惯上，有时把Sn n(t t)的倒数作为稳定度的量度，即的倒数作为稳定度的量度，即172、频率复现性、频率复现性对作为频率或波长基准的激光器，不仅要求稳定度高，对作为频率或波长基准的激光器，不仅要求稳定度高，而且要求频率重复性的精度也高。而且要求频率重复性的精度也高。频率复现性频率复现性：不同地点、时间、环境下稳定频率的偏差：不同地点、时间、环境下稳定频率的偏差量与它们的平均频率量与它们的平均频率(标准频率标准频率)的比值，指的是的比值，指的是标准频率标准频率自身的变化自身的变化 评价一台稳频激光器，不仅要看其频率稳定度，而且还要评价一台稳频激光器，不仅要看其频率稳定度，而且还要看它的频率复现性。看它的频率复现性。182.2 激光器主动稳频技术激光器主动稳频技术稳频技术的实质就是保持谐振腔稳频技术的实质就是保持谐振腔光程长度的稳定性光程长度的稳定性。主动稳频技术主动稳频技术就是选取一个稳定的参考标准频率，当外界就是选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏离此特定的标准频率时，能设法鉴别出影响使激光频率偏离此特定的标准频率时，能设法鉴别出来，再人为地通过控制系统自动调节腔长，将激光频率回来，再人为地通过控制系统自动调节腔长，将激光频率回复到特定的标准频率上，最后达到稳频的目的复到特定的标准频率上，最后达到稳频的目的主动稳频的方法大致可以分为两类主动稳频的方法大致可以分为两类利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频，如兰姆凹陷利用原子谱线中心频率作为鉴别器进行稳频，如兰姆凹陷稳频法稳频法利用外界参考频率作为鉴别器标准进行稳频，如饱和吸收利用外界参考频率作为鉴别器标准进行稳频，如饱和吸收稳频法稳频法19一、兰姆凹陷稳频1.基本原理基本原理兰姆凹陷稳频法是以增益曲线中心频率兰姆凹陷稳频法是以增益曲线中心频率n n0作为参考标准频率，作为参考标准频率，通过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控制激光器腔长的，通过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控制激光器腔长的，它它可使频率稳定于可使频率稳定于n n0处，其稳频装如图处，其稳频装如图20激光管采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐振腔激光管采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐振腔的两个反射镜安置在殷钢架上，其中一个贴在压电陶瓷环上的两个反射镜安置在殷钢架上，其中一个贴在压电陶瓷环上陶瓷环的长度约为几厘米，环的内外表面接有两个电极，加陶瓷环的长度约为几厘米，环的内外表面接有两个电极，加有频率为有频率为f 的调制电压，当外表面为正电压的调制电压，当外表面为正电压,内表面为负电压内表面为负电压时陶瓷环伸长时陶瓷环伸长,反之则缩短。反之则缩短。改变陶瓷环上的电压即可调整谐振腔的长度，以补偿外界因改变陶瓷环上的电压即可调整谐振腔的长度，以补偿外界因素所造成的腔长变化。素所造成的腔长变化。光电接收器一般采用硅光电三极管，它能将光信号转变成相光电接收器一般采用硅光电三极管，它能将光信号转变成相应的电信号应的电信号。212.稳频过程稳频过程q压电陶瓷上加一直流电压和一频率为压电陶瓷上加一直流电压和一频率为f 的音频调制电压的音频调制电压激光频率激光频率n n=n n0，调制电压使其在，调制电压使其在n n0附近变化，输出功率附近变化，输出功率P以以2f 做周期性变化做周期性变化选频放大器输出为选频放大器输出为0，压电陶瓷上没有电，压电陶瓷上没有电压，激光器工作于压，激光器工作于n n0频率频率若若n nn n0，激光输出功率调制，激光输出功率调制频率为频率为f，与调制电压同相位；，与调制电压同相位；光电接收器输出频率为光电接收器输出频率为f的信的信号，送入相敏检波器号，送入相敏检波器,使其输使其输出一负直流电压出一负直流电压,使压电陶瓷使压电陶瓷缩短缩短,腔长增加，激光频率被腔长增加，激光频率被拉回拉回n n022兰姆凹陷稳频的实质兰姆凹陷稳频的实质 v经谱线的中心频率经谱线的中心频率n n0作为参考标准，当激光振荡频率偏离作为参考标准，当激光振荡频率偏离n n0时，即输出一误差信息时，即输出一误差信息v通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一直流通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长v把激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处把激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处q为了改善频率稳定性为了改善频率稳定性,希望微弱的频率漂移就能产生足以将希望微弱的频率漂移就能产生足以将频率拉回频率拉回n n0的误差信号，这就要求兰姆凹陷窄而深，即的误差信号，这就要求兰姆凹陷窄而深，即兰兰姆凹陷中心两侧的斜率尽可能大姆凹陷中心两侧的斜率尽可能大 233.应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题稳频激光器不仅要求是单横模，而且还要求必须是单纵模稳频激光器不仅要求是单横模，而且还要求必须是单纵模频率稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率有关，斜率越大，频率稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率有关，斜率越大，误差信号就越大，因而灵敏度高，稳定性就越好误差信号就越大，因而灵敏度高，稳定性就越好兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性兰姆凹陷稳频以原子跃迁谱线中心频率兰姆凹陷稳频以原子跃迁谱线中心频率n n0作为参考标准作为参考标准 24二、塞曼稳频1.基本原理基本原理利用塞曼效应稳频包括利用塞曼效应稳频包括纵向塞曼稳频纵向塞曼稳频、横向塞曼稳频横向塞曼稳频、塞塞曼吸收稳频曼吸收稳频三类三类塞曼效应塞曼效应：原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象：原子的光谱线在外磁场中出现分裂的现象(1)(1)正常塞曼效应正常塞曼效应正常塞曼效应正常塞曼效应不加外磁场时，原子在两个能级不加外磁场时，原子在两个能级E1和和E2(E1E2)之间跃迁的能之间跃迁的能量差为：量差为：D DE=E2-E1=hn n原子核的磁矩比电子磁矩小大约三个数量级，如果只考虑电原子核的磁矩比电子磁矩小大约三个数量级，如果只考虑电子的磁矩对原子总磁矩的贡献，那么磁场引起的附加能量为子的磁矩对原子总磁矩的贡献，那么磁场引起的附加能量为D DU=-mmB=-mmzB=mJgJmmBB25原子的每一个能级分裂成若干分立的能级，两个能级之间跃原子的每一个能级分裂成若干分立的能级，两个能级之间跃迁的能量差为：迁的能量差为：D DE =hn n=E2-E1=E2-E1+(m2Jg2J-m1Jg1J)mmBB 对于自旋为零的体系有对于自旋为零的体系有g1J=g2J=1。由于跃迁的选择定则。由于跃迁的选择定则D DmJ=0,1，频率，频率n n只有三个数值只有三个数值一条频率为一条频率为n n 的谱线在外磁场中分裂成三条谱线，相互之的谱线在外磁场中分裂成三条谱线，相互之间频率间隔相等间频率间隔相等D D=mmBB/h洛伦兹单位：洛伦兹单位：mmBB/(hc)26I 0原谱线原谱线右旋光右旋光左旋光左旋光 27(2)(2)反常塞曼效应反常塞曼效应反常塞曼效应反常塞曼效应r只有总自旋为只有总自旋为0的谱线才表现出正常塞曼效应。非单态的谱的谱线才表现出正常塞曼效应。非单态的谱线在磁场中表现出反常塞曼效应，谱线分裂条数不一定是线在磁场中表现出反常塞曼效应，谱线分裂条数不一定是3条，间隔也不一定是一个洛伦兹单位条，间隔也不一定是一个洛伦兹单位 钠钠D线在磁场中的反常塞曼效应。其中线在磁场中的反常塞曼效应。其中589.0nm的谱线分裂成的谱线分裂成4条，条，589.6nm的谱线分裂成的谱线分裂成6条。条。282.He-Ne激光器塞曼稳频激光器塞曼稳频双频稳频双频稳频He-Ne激光器的放电区加上激光器的放电区加上0.03T左右的纵向磁场，左右的纵向磁场，利用压电陶瓷控制腔长利用压电陶瓷控制腔长29(1)未加磁场时未加磁场时工作物质增益曲线和色散曲线如图工作物质增益曲线和色散曲线如图腔长足够短时，只有腔长足够短时，只有n nq的纵的纵模振荡，若模振荡，若n nq=n n0，则没有，则没有频率牵引，频率牵引，hh(n n0)=hh0=130(2)加磁场时加磁场时加磁场后，光谱线发生塞满分裂，沿磁场方向观察，谱线加磁场后，光谱线发生塞满分裂，沿磁场方向观察，谱线分裂为中心频率为分裂为中心频率为n n0右右的右旋偏振光和的右旋偏振光和n n0左左的左旋偏振光的左旋偏振光随着光谱线的分裂，增益曲随着光谱线的分裂，增益曲线和色散曲线也发生分裂线和色散曲线也发生分裂31q纵模由于频率牵引，导致左旋和右旋偏振光的频率为纵模由于频率牵引，导致左旋和右旋偏振光的频率为32若无源腔的频率若无源腔的频率n nq0=n n0，塞曼分裂后的有源腔频率对称的分，塞曼分裂后的有源腔频率对称的分布于布于n n0的两侧，左旋光和右旋光具有相同的小信号增益系数，的两侧，左旋光和右旋光具有相同的小信号增益系数，并具有相等的输出光强并具有相等的输出光强 若若n nq0n n0，则，则g左左0(n nq左左)n n0，则，则g左左0(n nq左左)g右右0(n nq右右)，左旋光强大于右旋光强，左旋光强大于右旋光强双频激光器塞曼稳频方法双频激光器塞曼稳频方法(1)(1)监测两圆偏振光输出功率的差值，作为鉴频的误差信监测两圆偏振光输出功率的差值，作为鉴频的误差信号，通过伺服控制系统调节激光器的腔长号，通过伺服控制系统调节激光器的腔长 (2)(2)利用拍频方法测出左、右圆偏振光的频差，作为鉴频利用拍频方法测出左、右圆偏振光的频差，作为鉴频的误差信号，然后通过伺服控制系统调节激光器的腔长的误差信号，然后通过伺服控制系统调节激光器的腔长 33双频稳频激光器的频率稳定度可达双频稳频激光器的频率稳定度可达10-1010-11，频率复现，频率复现性为性为10-710-8由双频稳频激光器构成的干涉仪具有较强的抗干扰能力，由双频稳频激光器构成的干涉仪具有较强的抗干扰能力，可用于工业中的精密计量可用于工业中的精密计量34三、饱和吸收稳频(反兰姆凹陷稳频)兰姆凹陷稳频和塞曼稳频都是以增益曲线中心频率兰姆凹陷稳频和塞曼稳频都是以增益曲线中心频率n n0作为作为参考标准频率，参考标准频率，n n0易受放电条件的影响而变化，频率复现易受放电条件的影响而变化，频率复现性差性差 提高稳频精度提高稳频精度提高兰姆凹陷锐度，但是激光管不能在过提高兰姆凹陷锐度，但是激光管不能在过低的气压下工作，频率稳定性的进一步改善受到限制低的气压下工作，频率稳定性的进一步改善受到限制解决途径：饱和吸收稳频解决途径：饱和吸收稳频35吸收管内充气压吸收管内充气压:110 Pa 多普勒加宽多普勒加宽为主为主 低压气体吸收峰频率低压气体吸收峰频率稳定性好稳定性好吸收饱和现象吸收饱和现象：吸收管内物质吸收系数为：吸收管内物质吸收系数为bb(n n)，当入射，当入射光足够强时，由于下能级粒子数减少，上能级粒子数增加，光足够强时，由于下能级粒子数减少，上能级粒子数增加，bb(n n)将随光强而逐渐减小将随光强而逐渐减小 吸收饱和与增益饱和完全类似，把吸收看成负增益，则关于吸收饱和与增益饱和完全类似，把吸收看成负增益，则关于增益饱和的全部理论均可用于讨论吸收饱和现象增益饱和的全部理论均可用于讨论吸收饱和现象36吸收管内气压很低，吸收谱现主要是多普勒加宽吸收管内气压很低，吸收谱现主要是多普勒加宽入射光频率入射光频率n n1，光强为，光强为In n1，则会在吸收曲线上产生烧孔，则会在吸收曲线上产生烧孔37q将吸收管至于谐振腔内，腔内有频率为将吸收管至于谐振腔内，腔内有频率为n n1的模式振荡的模式振荡q若若n n1n n 0，则正向传播的行波和反向传播的行波分别在吸收，则正向传播的行波和反向传播的行波分别在吸收曲线上曲线上n n1和和(2n n 0-n n1)处烧孔，对处烧孔，对n n1模的吸收系数为模的吸收系数为q若若n n1=n n 0，则正反向传播的行波共同在吸收曲线的中心频率，则正反向传播的行波共同在吸收曲线的中心频率n n 0处烧孔，此时对处烧孔，此时对n n1模的吸收系数为模的吸收系数为38q吸收曲线凹陷：吸收曲线凹陷：做光强一定时吸收系数做光强一定时吸收系数bb(n n1)与振荡频率与振荡频率n n1的关系曲线，则在的关系曲线，则在n n1=n n 0处出现凹陷处出现凹陷q凹陷宽度为凹陷宽度为反兰姆凹陷反兰姆凹陷q放置吸收管之后，谐振腔的单程损放置吸收管之后，谐振腔的单程损耗因子变为耗因子变为q由于由于bb(n n1)-n n1曲线的尖锐凹陷，曲线的尖锐凹陷，使激光器的输出功率在使激光器的输出功率在n n 0处出现处出现一个尖锐的尖峰一个尖锐的尖峰反兰姆凹陷反兰姆凹陷39反兰姆凹陷稳频优点反兰姆凹陷稳频优点q通常利用分子的基态与振转能级间的饱和吸收进行稳频，通常利用分子的基态与振转能级间的饱和吸收进行稳频，吸收较强，可在低气压下工作，碰撞线宽小；分子振转能吸收较强，可在低气压下工作，碰撞线宽小；分子振转能级寿命长，自然线宽小级寿命长，自然线宽小可得尖锐的反兰姆凹陷可得尖锐的反兰姆凹陷q利用自基态的吸收跃迁，无需激励，频率复现性好利用自基态的吸收跃迁，无需激励，频率复现性好q国际上规定甲烷和碘吸收稳频的国际上规定甲烷和碘吸收稳频的He-Ne激光波长可作为激光波长可作为长度长度副基准和复现米定义副基准和复现米定义40四、无源腔稳频外界无源腔的特征频率也可作为稳频的参考频率外界无源腔的特征频率也可作为稳频的参考频率将多个激光器稳定于不同级次的透将多个激光器稳定于不同级次的透过峰频率上，可得到频率间隔固定过峰频率上，可得到频率间隔固定的多路激光，可用作分频复用光通的多路激光，可用作分频复用光通信的发射光源信的发射光源41第三节第三节 Q 调制调制r调调Q技术技术与与锁模技术锁模技术是应人们对是应人们对高峰值功率、窄脉宽激光脉高峰值功率、窄脉宽激光脉冲冲的应用需求而发展起来的。的应用需求而发展起来的。r两种方式机理不同，压缩的程度也不同两种方式机理不同，压缩的程度也不同调调Q技术技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级可将激光脉宽压缩至纳秒量级(峰值功率达峰值功率达106W以以上上)。锁模技术锁模技术可将激光脉宽压缩至皮秒甚至飞秒量级可将激光脉宽压缩至皮秒甚至飞秒量级(峰值功率峰值功率可达到可达到1012W)短脉冲技术短脉冲技术423.1 Q调制激光器的工作原理调制激光器的工作原理调调Q 技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，它是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。现在，获得峰值功率在兆瓦级现在，获得峰值功率在兆瓦级(106W)以上，脉宽为纳秒级以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已不困难。的激光脉冲已不困难一、脉冲固体激光器的输出的驰豫振荡弛豫振荡效应弛豫振荡效应:将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，波器进行观察、记录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的。的。43红宝石单模激光器输出波形红宝石单模激光器输出波形弛豫振荡的特点弛豫振荡的特点(1)峰值功率不高，只在阈值附近峰值功率不高，只在阈值附近(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率原因原因:激光器的阈值始终保持不变激光器的阈值始终保持不变44二、谐振腔的品质因数Q谐振腔谐振腔Q值的普遍定义为值的普遍定义为腔内振荡光束的体积为腔内振荡光束的体积为V，则储存在腔内的总能量为，则储存在腔内的总能量为ee=nhn nV能量损耗率为能量损耗率为品质因数品质因数Q为为45三、调Q的基本原理 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。累很多的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。普通激光器峰值功率不能提高的原因普通激光器峰值功率不能提高的原因激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变(增加增加)激激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期,设法将设法将激光器的振荡阈值调得很高激光器的振荡阈值调得很高,抑制激光振荡的产生，这样抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。46当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。高的巨脉冲激光输出。泵浦时令腔损耗很大泵浦时令腔损耗很大(Q很小很小),突然减小损耗突然减小损耗(增大增大Q),使积使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射,形成光脉冲。形成光脉冲。改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法47调调Q 过程过程rt0时，损耗因子为时，损耗因子为ddH，腔，腔内光子寿命为内光子寿命为t tRH，中心频，中心频率处对应的阈值为率处对应的阈值为 rt 0时，阈值很高，激励使反转集居数不断增长时，阈值很高，激励使反转集居数不断增长 rt=0时刻，反转集居数密度增加到时刻，反转集居数密度增加到D Dni，由于，由于D Dnitp时，时，D DnD Dnt，腔内光子数密度迅速减少，腔内光子数密度迅速减少，N=Ni时巨脉时巨脉冲熄灭，冲熄灭，D Dn=D Dnf工作物质储能调工作物质储能调Q493.2 Q调制方法调制方法rQ开关：开关使谐振腔损耗发生改变的元件。r常用调常用调Q方法：方法：r转镜调转镜调Qr电光调电光调Qr声光调声光调Qr饱和吸收调饱和吸收调Q501.电光调电光调Q电光效应电光效应：晶体在外加电场作用下，起折射率发生变化，是通过：晶体在外加电场作用下，起折射率发生变化，是通过晶体的不同偏振光之间产生相位差，从而改变光的偏振状态的现晶体的不同偏振光之间产生相位差，从而改变光的偏振状态的现象象Pockels效应：效应：DhDh IKerr效应：效应：DhDh I2电光调电光调Q利用了利用了Pockels效应实现效应实现Q突变突变常用的电光晶体有常用的电光晶体有KDP(KH2PO4)、KD*P(KD2PO4)、LiNbO3、BSO(Bi12SiO20)51电光晶体调电光晶体调Q工作原理工作原理:在开始泵浦时，电光晶体加在开始泵浦时，电光晶体加l l/2电压，检偏器电压，检偏器和起偏器同向放置，沿轴向传播的光不能通过，所以腔内和起偏器同向放置，沿轴向传播的光不能通过，所以腔内损耗很大。在泵浦一段时间后，突然撤掉电光晶体的半波损耗很大。在泵浦一段时间后，突然撤掉电光晶体的半波电压，腔内损耗突然下降，达到调电压，腔内损耗突然下降，达到调Q目的，激光振荡迅速目的，激光振荡迅速建立并加强，获得调建立并加强，获得调Q巨脉冲输出。巨脉冲输出。起偏器起偏器检偏器检偏器电光晶体电光晶体52单检偏器单检偏器Q开关开关q电光晶体电光晶体l l/4电压，偏振器与晶体电压，偏振器与晶体x 和和y 轴成轴成45角，角，通过晶体后成为圆偏振光，经全反镜反射后再通过晶体，通过晶体后成为圆偏振光，经全反镜反射后再通过晶体，沿沿x 和和y 振动的光的相位差了振动的光的相位差了pp，光束不能通过。，光束不能通过。q某一时刻某一时刻t1时刻撤掉晶体电压，就可以实现调时刻撤掉晶体电压，就可以实现调Q，获得巨，获得巨脉冲输出脉冲输出 起偏器起偏器检偏器检偏器电光晶体电光晶体532.声光调声光调Qr利用声光介质中超声利用声光介质中超声场产生衍射使损耗增场产生衍射使损耗增加，不能形成激光振加，不能形成激光振荡荡r当粒子反转数积累达当粒子反转数积累达到饱和时，突然撤掉到饱和时，突然撤掉超声场，激光振荡迅超声场，激光振荡迅速建立，获得巨脉冲速建立，获得巨脉冲输出输出声光调制器通常包括声光调制器通常包括换能器换能器声光介质声光介质吸声介质吸声介质驱动器驱动器声光调声光调Q器件器件54激光介质激光介质声光器件声光器件 激光激光全反镜全反镜输出镜输出镜Q开关开启开关开启激光介质激光介质声光器件声光器件全反镜全反镜输出镜输出镜Q开关关闭开关关闭55l在谐振腔中设置一饱和吸收体，利用饱和吸收效应可以控在谐振腔中设置一饱和吸收体，利用饱和吸收效应可以控制谐振腔的损耗制谐振腔的损耗l某些有机染料的吸收系数并不是常数，当在较强激光作用某些有机染料的吸收系数并不是常数，当在较强激光作用下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料l饱和吸收体可看成二能级系统，中心频率处的吸收系数：饱和吸收体可看成二能级系统，中心频率处的吸收系数：3.被动调被动调Q56r将具有饱和吸收性能的染料将具有饱和吸收性能的染料(溶液或固态片溶液或固态片)置于谐振腔内置于谐振腔内r开始泵浦开始泵浦腔内荧光弱腔内荧光弱吸收系数大吸收系数大Q值低值低不能形成激光不能形成激光r继续泵浦继续泵浦腔内荧光变强腔内荧光变强吸收系数变小吸收系数变小荧光达到一定值时，荧光达到一定值时，吸收系数饱和吸收系数饱和燃料被漂白燃料被漂白 Q值突增，形成激光脉冲值突增，形成激光脉冲泵浦泵浦结束结束激光介质激光介质染料盒染料盒 激光激光全反镜全反镜输出镜输出镜氙灯氙灯染料饱和吸收调染料饱和吸收调Q是最早出现的被动调是最早出现的被动调Q染料饱和吸收调染料饱和吸收调Q573.3 脉冲透射式调脉冲透射式调Q(腔倒空腔倒空)1、脉冲反射式调、脉冲反射式调Qn前面讨论的调前面讨论的调Q方式都是工作物质储能调方式都是工作物质储能调Q：低：低Q值下激光工值下激光工作物质上能级积累粒子，作物质上能级积累粒子，Q值升高时形成巨脉冲振荡，输出值升高时形成巨脉冲振荡，输出光脉冲光脉冲脉冲反射式调脉冲反射式调Qn工作物质储能调工作物质储能调Q振荡和输出过程同时进行，脉宽取决于激振荡和输出过程同时进行，脉宽取决于激光增长和衰减过程，脉宽达数十纳秒光增长和衰减过程，脉宽达数十纳秒 582、脉冲透射式调、脉冲透射式调Qn谐振腔储能调谐振腔储能调Q：谐振腔由全反镜：谐振腔由全反镜M1和可控反射镜和可控反射镜M2构成构成nt0时，时，M2镜全反射，谐振腔处于高镜全反射，谐振腔处于高Q状态，激光器振荡但无状态，激光器振荡但无输出，能量储存于谐振腔内输出，能量储存于谐振腔内 nt=0时，控制时，控制M2使其透射率达到使其透射率达到100%，储存在腔内的能量迅，储存在腔内的能量迅速逸出腔外，输出一巨脉冲速逸出腔外，输出一巨脉冲 n光子逸出腔外的最长时间为光子逸出腔外的最长时间为2L/c，因此脉冲持续时间约等，因此脉冲持续时间约等于于2L/c，脉宽仅为数纳秒，脉宽仅为数纳秒593、脉冲反射、脉冲反射-透射式调透射式调Qn将脉冲反射式和脉冲透射式调将脉冲反射式和脉冲透射式调Q结合在一起，以提高输出峰结合在一起，以提高输出峰值功率值功率 60第四节第四节 锁模锁模r调调Q技术技术可将激光脉宽压缩至下限为可将激光脉宽压缩至下限为L/c量级量级纳秒量级纳秒量级r要获得更窄的脉冲，则需要利用锁模技术对激光束进行特殊要获得更窄的脉冲，则需要利用锁模技术对激光束进行特殊调制，使光束中的不同纵模具有确定的相位关系，各模式相调制，使光束中的不同纵模具有确定的相位关系，各模式相干叠加得到超短脉冲干叠加得到超短脉冲r锁模技术锁模技术可将激光脉宽压缩至皮秒甚至飞秒量级可将激光脉宽压缩至皮秒甚至飞秒量级(峰值功率峰值功率可达到可达到1012W)短脉冲技术短脉冲技术614.1 多模激光器的输出特性多模激光器的输出特性 r腔长为腔长为L 的激光器，其纵模的频率间隔为的激光器，其纵模的频率间隔为r自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模，一自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模，一般情况下多模激光器形成振荡的各模式之间相位是无关的，般情况下多模激光器形成振荡的各模式之间相位是无关的，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。间平均的统计值。r假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有2N+1个纵模，个纵模，那么激光器输出的光波电场是那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和，即个纵模电场的和，即62特点特点各纵模初相位彼此无确定关系，完全独立、随机的。各纵模初相位彼此无确定关系，完全独立、随机的。频谱。由于存在频率牵引和推斥作用，各相邻纵模之间频频谱。由于存在频率牵引和推斥作用，各相邻纵模之间频率间隔并不严格相等。各纵模不相干。率间隔并不严格相等各纵模不相干。输出光强。输出光强由于各纵模之间非相干叠加而呈现随输出光强。输出光强由于各纵模之间非相干叠加而呈现随机的无规则起伏。机的无规则起伏。I tI634.2 锁模原理锁模原理r锁模：锁模：使各纵模在使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定时间上同步，频率间隔也保持一定，则，则激光器将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。激光器将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。r设腔内有设腔内有2N+1个振荡纵模，如果相邻模式的初相位之差保个振荡纵模，如果相邻模式的初相位之差保持恒定持恒定(相位锁定相位锁定)，即有，即有r忽略频率牵引和频率排斥，相邻模式角频率之差为忽略频率牵引和频率排斥，相邻模式角频率之差为64rz=0处，第处，第q个模式的场强为个模式的场强为r(2N+1)个模式的合成场强为个模式的合成场强为r若各模式振幅相等，即若各模式振幅相等，即Eq=E065r利用三角函数求和公式，可得利用三角函数求和公式，可得r(2N+1)个模式的合成电场频率为个模式的合成电场频率为w w0，振幅，振幅A(t)随时间变化随时间变化r则输出光强为则输出光强为6667若各模式相位未被锁定，则各模式不相干，输出功率为各若各模式相位未被锁定，则各模式不相干，输出功率为各模式之和，即模式之和，即I(2N+1)E20锁模之后脉冲的峰值功率比未锁模时提高了锁模之后脉冲的峰值功率比未锁模时提高了(2N+1)倍倍腔长越长，荧光线宽越大，则腔内振荡的纵模数目越多，腔长越长，荧光线宽越大，则腔内振荡的纵模数目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大。锁模脉冲的峰值功率就越大。r脉冲峰值间隔为脉冲峰值间隔为r即为光在腔内往返一次所需要的时间即为光在腔内往返一次所需要的时间r最强脉冲宽度为最强脉冲宽度为68694.3 实现锁模的方法实现锁模的方法1、主动锁模、主动锁模(1)振幅调制锁模振幅调制锁模 (2)相位调制相位调制(频率调制频率调制)锁模锁模2、被动锁模：、被动锁模：利用饱和吸收体利用饱和吸收体3、自锁模：、自锁模：利用激光器内增益物质自身的非线性利用激光器内增益物质自身的非线性Kerr效应效应实现锁模，实现锁模，hh=hh0+hh2I(t)70调制器调制器激光介质激光介质起偏器起偏器移相器移相器放大器放大器探测器探测器调制器可采用电光或声光调制调制器可采用电光或声光调制提高谐振腔参数的稳定性提高谐振腔参数的稳定性用反馈系统对调制信号的误差进行补偿用反馈系统对调制信号的误差进行补偿主动锁模锁模激光器主动锁模锁模激光器71同步泵浦锁模激光器同步泵浦锁模激光器泵浦激光泵浦激光染料染料凹面反射镜凹面反射镜准直镜准直镜FPFP标准具标准具输出镜输出镜2L2L泵浦光源为锁模激光器泵浦光源为锁模激光器调整激光器腔长令调整激光器腔长令2L/c等于泵浦激光的脉冲周期等于泵浦激光的脉冲周期72被动锁模原理被动锁模原理t tt tt tt tt tt t工作物质工作物质染料染料73对撞锁模激光器对撞锁模激光器YAG半反镜半反镜全反镜全反镜全反镜全反镜非谐振环非谐振环染料染料光脉冲半反镜将光脉冲分成相反方向前进的两个光脉冲光脉冲半反镜将光脉冲分成相反方向前进的两个光脉冲两个强度相同的光脉冲在染料中对撞两个强度相同的光脉冲在染料中对撞74对撞锁模原理对撞锁模原理abcd75增益区增益区泵浦光强分布泵浦光强分布Kerr效应导致效应导致的折射率分布的折射率分布激光介质激光介质Kerr效应产生自聚焦效应产生自聚焦进而实现自锁模进而实现自锁模 轴对称渐变分布折射率导致自聚焦轴对称渐变分布折射率导致自聚焦