激光原理 第四章ppt课件.ppt

1,激光原理,2,激光原理,第四章激光的基本技术,4.1 激光器输出的选模4.2 激光器的稳频4.3 激光束的变换4.4 激光调制技术4.5 激光偏转技术4.6 激光调Q 技术4.7 激光锁模技术,3,4.1 激光器输出的选模,4,激光的选模(选频)技术,激光纵模的选模-选频技术,激光横模的选模-选模技术,均匀增宽型介质与非均匀增宽型介质增益曲线,均匀增宽型介质的增益曲线,非均匀增宽型介质的增益曲线,5,4.1.1 激光单纵模的选取,1.均匀增宽型谱线的纵模竞争,(1)当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。,图4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争,6,(2)多纵模的情况下，如图所示，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件。随着腔内光强逐步增强，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光强继续增长，最后变为曲线3的情形。若此时的光强为Iq，则有，于是振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模的振荡。,纵模竞争:通过增益饱和,某个纵模逐渐把其它纵模的振荡抑制下 去,最后只剩下该枞模振荡的现象。,7,2.非均匀增宽型谱线的多纵模振荡,非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模,8,3.单纵模的选取,(1)短腔法：,两相邻纵模间的频率差，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使 的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度,缺点,腔长受到限制,增益介质工作长度受到限制,输出功率受到限制,甚至没有激光输出。,9,(2)法布里-珀罗标准具法：,在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里-珀罗标准具,由于多光束干涉的结果，对于满足下列条件的光具有极高的透射率,能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为:,10,(3)三反射镜法,如图，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合,只有同时满足上面两个谐振条件的光才能形成振荡,只要取L2+L3足够小，就可以单枞模输出,两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：,11,4.1.2 激光单横模的选取,1.衍射损耗和菲涅耳数,(1)由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。,(2)如图所示的球面共焦腔，镜面上的基横模高斯光束光强分布可以表示为,图4-4 腔的衍射损耗,12,(3)单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率与射向镜面的总光功率之比,(4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的参量，它定义为,13,2.衍射损耗曲线,图4-5给出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的衍射损耗 菲涅尔数曲线。,图4-5 不同腔的衍射损耗曲线,14,3.光阑法选取单横模,基本做法：在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑，让基横模光 束顺利通过，而将高阶横模抑制,小孔光阑的半径r0可以选取为放置小孔光阑处的光束有效截面半径,15,4.聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模,(1)聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率。,(2)腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7所示。,图4-6 聚焦光阑法,图4-7 腔内望远镜法,理解纵模竞争的物理意义,本节重点：,作业：P99：1，2,了解基本的选频及选模方法,17,4.2 激光器的稳频,18,稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比,复现性是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量,19,4.2.1 影响频率稳定的因素,1.腔长变化的影响,对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为：,当L的变化为L，的变化为时，引起的频率相对变化为：,(1)温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架,(2)机械振动：采取减震措施,2.折射率变化的影响,(1)内腔激光器:温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略,(2)外腔和半内腔激光器:腔的一部分处于大气之中，温度T、气压 P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于大气的部 分，同时还要屏蔽通风以减小T、P、h的脉动。,20,4.2.2 稳频方法概述,1.被动式稳频,利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合。,把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。,2.主动式稳频,把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率 锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。,(2)把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的 吸收线作为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激 光频率相重合。如饱和吸收法。,21,4.2.3 兰姆凹陷法稳频,1.兰姆凹陷的中心频率即为谱线的中心频率，在其附近频率的微小变化将会引起输出功率的显著变化。这种稳频激光器的基本结构如图4-8所示,图4-8 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构,22,2.腔长自动补偿系统的方框图如图4-9所示,图4-9 兰姆凹陷法稳频方框图,压电陶瓷加一直流电压：使初始频率为,压电陶瓷上还需加一频率为f(约为lkHz)、幅度很小(只有零点几伏)的交流讯号，此讯号称为“搜索讯号”,23,图4-10 稳频原理,3.图4-10为稳频原理示意图。,假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引起激光频率由 偏 至，与 的位相正好相反,假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩短，引起激光频率由 偏至，与 的位相正好相同,在中心频率附近0，不论是小于0还是大于0，其结果都是使输出功率P增加，而且此时P将以频率2f变化,24,图(4-11)不同同位素对兰姆凹陷的影响,4.注意事项,第一、激光器的激励电源是稳压和稳流的。,第二、氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。,第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率大小有关。,25,4.2.4 饱和吸收法稳频,1.饱和吸收法稳频的示意装置如图4-12所示。,2.与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线上也有一个吸收凹陷，如图4-13所示,图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图,图4-13 吸收介质的吸收曲线,3.由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中心形成的凹陷比激光管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。,26,4.激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单程增益 和吸收管中的单程吸收 的差，即,如图4-14(a)，只有频率调到 附近激光才能振荡。,如图4-14(b)，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。,图(4-14)反转兰姆凹陷,了解基本的稳频方法,本节重点：,28,4.3 激光束的变换,29,4.3.1 高斯光束通过薄透镜时的变换,1.透镜的成像公式：，注意参数的正负。,薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径。,2.从光波的角度看，规定发散球面波的曲率半径为正，会聚球面波的曲率半径为负，则如图4-15所示，成像公式可改写为：,图4-15 球面波通过薄透镜的变换,30,实际问题中，通常 和 是已知的，此时，则入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别为：,3.将透镜的变换应用到高斯光束上。如图所示，有以下关系：,图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换,31,4.由 和式可求得出射光束在镜面处的波阵面半径 和有效截 面半径。,这样我们可以通过入射光束的、来确定出射光束的、了。,图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换,32,高斯光束特性公式,对高斯光束的薄透镜变换要考虑到高斯光束的束腰位置及束腰半径,33,(1)短焦距：即,4.3.2 高斯光束的聚焦,1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形,(2)短焦距时,34,(3)在满足条件 和 的情况下，出射的光束聚焦于透镜的焦点附近。如图4-17所示，这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。,图4-17 短焦距透镜的聚焦,35,(4)由前面的结论可得：,36,(5)即缩短 和加大 都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的。,前一种方法就是要采用焦距小的透镜,后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大；另一种办法就是加大入射光的发散角从而加大，加大入射光的发散角又可以有两种做法，如图4-18和图4-19,图4-18 用凹透镜增大后获得微小的0,图4-19 用两个凸透镜聚焦,37,(6),这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。,不论是求聚焦点的位置，还是求会聚光斑的大小，都可以在 一定的条件下把高斯光束按照几何光学的规律来处理,38,2.入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的情形,(1),2.入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的情形,39,(2)同理有：,(3)根据高斯光束的渐变性可以设想，只要 s 和 f 相差不大，高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。,反比关系,40,4.3.3 高斯光束的准直,1.高斯光束的准直：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。,可以看出，增大出射光束的束腰就可以缩小光束 的发散角。,需要缩小入射光束束腰半径,41,3.选用两个透镜，短焦距的凸透镜和焦距较长的凸透镜可以 达到准直的目的。,图(4-20)倒装望远镜系统压缩光束发散角,M是高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。M是倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。由于f2f1，所以M1。又由于0，因此有M M 1,”,42,4.3.4 高斯光束的扩束,1.高斯光束的扩束：扩大光斑的光斑尺寸。,1.可以通过扩大发散角来扩大光斑尺寸。2。若要求出射光束光斑大，且发散角小，则需要用如图420 所示的倒置望远镜系统。,43,入射光束0及s,入射高斯光束在镜面处的及R,出射高斯光束在镜面处的及R,出射光束0及s,(3-44),(3-45),(3-44),(3-45),(4-17),(4-18),高斯光束通过薄透镜的变换,小结：,44,高斯光束的聚焦,1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形,类似于几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况。,图4-18 用凹透镜增大后获得微小的0,图4-19 用两个凸透镜聚焦,类似于几何光学中物、象的尺寸比例关系。,45,2.入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的情形,只要 s 和 f 相差不大，高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。,反比关系,46,高斯光束的扩束扩大光束光斑尺寸,倒装望远镜系统压缩光束发散角,发散角压缩比：,高斯光束的准直压缩光束的发散角,凸透镜：缩小束腰，扩大发散角,凹透镜：扩大发散角,掌握高斯光束通过薄透镜时的变换,本节重点：,重点掌握高斯光束聚焦和准直,作业：3，4，5,48,4.4 激光调制技术,49,4.4.1 激光调制的基本概念,1.激光调制:把激光作为载波携带低频信号,2.激光调制,内调制在激光形成振荡的过程中加载调制信号，通过改变 激光的输出特性而实现的调制,外调制在激光形成以后。再用调制信号对激光进行调制，并不改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光 束的参数,50,3.激光的瞬时光场的表达式：,瞬时光的强度：,若调制信号为：,激光幅度调制的表达式：,激光强度调制的表达式：,激光频率调制的表达式：,激光相位调制的表达式：,51,4.4.2 电光强度调制,1.下图是一个典型的电光强度调制的装置示意图由两块交叉偏振片及其间放置的一块单轴电光晶体组成偏振片的通振动方向分别与x、y轴平行,电光调制装置示意图,2.设某时刻加在电光晶体上的电压为V，入射到晶体的在x方向上的线偏振激光电矢量振幅为E,52,电光调制装置示意图,通过晶体后沿快轴 和慢轴 的电矢量振幅都变：,沿 和 方向振动的二线偏振光之间的位相差,半波电压:,53,通过通振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅分别为，则有，其相互之间的位相差为。则有：,54,3.下图画出了 曲线的一部分以及光强调制的情形。为使工作点选在曲线中点处，通常在调制晶体上外加直流偏压 来完成。,I/I0-V曲线,55,4.如外加信号电压为正弦电压(电压幅值较小)，则输出光强近似为正弦形,56,4.4.3 电光相位调制,1.下图是典型的相位调制装置示意图。加电场后，振动方向与晶体的轴相平行的光通过长度为l的晶体，其位相增加为,相位调制装置示意图,57,相位调制装置示意图,2.晶体上所加的是正弦调制电场，光在晶体的输入面(z=0)处的场矢量大小是,则在晶体输出面(z=l)处的场矢量大小可写成,式中，为相位调制度,58,4.5 激光偏转技术,59,4.5.1 机械偏转,机械偏转是利用反射镜或多面反射棱镜的旋转或反射镜的振动实现光束扫描,优点:机械偏转具有偏转角度大、分辨率较高、光损失小、可适 应光谱范围大缺点：难以实现高速、高精度偏转，应用范围受到限制,4.5.2 电光偏转,利用泡克耳斯效应，在电光晶体上施加电场改变晶体的折射率使光束偏转。,参见图4-24,60,4.5.3 声光偏转,1.下图为一块均匀的透明介质如熔融石英，其一端为超声发生器(作正弦振动)。当在透明介质的另一端为声波的反射介质时，满足一定的几何要求就会在介质内产生驻波。驻波按照正弦规律变化，所以介质的折射率以空间周期在空间呈正弦变化。,超声波在透明介质中的传播,衍射光栅,声光偏转器,61,2.如图所示，当光线在满足布拉格条件的衍射角 入射到光栅上时，衍射光也与衍射体光栅的等折射率面成 出射,布拉格条件下的衍射,3.改变超声波频率可改变偏转角,偏转角:,62,4.6 激光调Q技术,63,脉冲固体激光器的输出特性,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，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，如图(a)所示。每个尖峰的宽度约为0.11s，间隔为数微秒，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦持续时间相等图(b)所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现象称为激光器弛豫振荡。,脉冲激光器输出的尖峰结构,64,产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，而发射激光。随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振荡就停止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。每个尖峰脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低。增大泵浦能量也无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。,当,65,驰豫振荡的物理过程,腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,66,第一阶段(t1一t2)：激光振荡刚开始时，n n阈，0；由于光泵作用，n继续增加，与此同时，腔内光子数密度也开始增加，由于的增长而使n减小的速率小于泵浦使n 增加的速率，因此n一直增加到最大值。,第二阶段(t2一t3)：n到达最大值后开始下降，但仍然大于n阈，因此 继续增长，而且增长非常迅速，达到最大值。,第三阶段(t3一t4)：n n阈，增益小于损耗，光子数密度减少并急剧下降。,第四阶段(t4一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是n又开始回升，到t5时刻n又达到阈值n阈，于是又开始产生第二个尖峰脉冲。,每个尖峰可以分为四个阶段:,因为泵浦的抽运过程的持续时间要比每个尖峰脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小,67,4.6.1 激光谐振腔的品质因数Q,1.,2.,光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为,68,体积为V的腔内存储的能量为：,每振荡周期损耗的能量为：,反比关系,69,Q开关激光脉冲建立过程,通过改变Q值改变阈值，控制激光产生的时间。,在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻，粒子数反转达到最大值ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此ni nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。,70,4.6.2 调Q原理,采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q 值状态，这时激光振荡的阈值很高，粒子数反转即使积累到很高水平也不会产生振荡；当粒子密度反转数达到其峰值时，突然降低损耗使腔的Q值增大，导致激光介质的增益大大超过阈值，极其快速地产生振荡。这时储存在亚稳态上的粒子所具有的能量会很快的转换为光子能量，光子像雪崩一样以极高的速率增长，激光器便可输出一个峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。,71,调Q技术关键,动态损耗：Q 开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证Q 开关打开之前没有激光产生；插入损耗：Q 开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最 小，一般会引入反射及散射损耗；开关时间:Q 开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间，将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭；同步性能:Q 开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步。,72,电光调Q装置如图所示激光腔中插入起偏振片及作为Q开关的KD*P晶体。,电光调Q装置示意图,4.6.3 电光调Q主动调Q技术,磷酸二氘钾,X方向振动的线偏振光经KD*P晶体后反射回来变成y方向振动的线偏振光,73,4.6.4 声光调Q主动调Q技术,声光调Q装置示意图,下图是一个声光调Q的YAG激光器的示意图。腔内插入的声光调Q器件由声光互作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成的。,74,4.6.5 染料调Q被动调Q技术,1.下图是染料调Q激光器的示意图。它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。,2.染料盒内装有可饱和染料，这种染料对该激光器发出的光有强烈吸收作用，而且随入射光的增强吸收系数减小。其吸收系数可以由下式表示：,染料调Q装置示意图,3.选择染料要顾及几个方面,染料吸收峰的中心波长应和激光波长基本吻合；Is要适当，以便得到合适的”开光“速度；燃料溶液要具有一定的稳定性和保存期，以利于实用,激光调制的概念,4.4-4.6重点：,激光偏转技术（模拟偏转、数字偏转）实现激光偏转的途径，3种,何谓激光的Q值，激光调Q的原理 几种调Q类型,76,4.7 激光锁模技术,77,4.7.1 锁模原理,1.非均匀增宽激光器中某一纵模电矢量大小可写成,2.锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的 频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器 输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。,则总的输出为，各纵模为非相干叠加。,78,3.设腔内有q-N，-(N-1)，0，(N-1)，N 共(2N+1)个模式，又设相邻模式的角频率之差，则,4.如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0，则,79,5.图是2N+19个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。,当 时，m=0，1，2光强最大,图4-30 锁模光强脉冲,相邻脉冲峰值间的时间间隔,脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔,80,4.7.2 主动锁模,1.损耗内调制锁模,图(4-31)锁模调制示意图,如图所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。设调 制周期为，调制频率(恰为纵模频率间隔),只有通过调制器时损耗为零的光，才能不断地被放大而增长起 来，如此得到周期为T的窄脉冲输出，如图所示。,81,图(4-32)中心频率及两边频,从模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心频 率 处的模首先振荡，其调制后的电矢量为：,即在激光器中，一旦形成 的振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡，如图。,82,2.相位内调制锁模,如果在谐振腔中插入一个电光位相调制器，也可达到锁 模的目的。设光振幅不变，位相以频率 变化，即,位相调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模。,83,4.7.3 被动锁模,被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸 收染料的“盒”即可,染料必须具备以下几个条件：第一，染料的吸收线应和 激光波长很接近；第二，吸收线的线宽要大于或等于激 光线宽；第三，其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次 的时间，否则就成为被动调Q激光器了。,激光锁模的概念,本节重点：,激光锁模有哪些主要方式,作业：8，9,