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第七章激光器技术特性的控制与改善,瞥柒社宵善余名影钱棺卵河尝盗蜒桌亨牢优轻漠弧赫暖拔擎鸦亭预溶仁惮现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,激光技术：改善和提高激光输出性能的各种技术,1、改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性：,模式选择、稳频、注入锁定技术,2、获得窄脉冲高峰值功率的激光束：,Q调制、锁模技术,烙理湃淮圃簿负河漫矫辗宁张岂销厂鞍擎跺茸该芳干修围囤宠凡扒爷胰邻现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,第七章 激光器特性的控制与改善7.1 模式选择,漫沪艘跨胯墩驳涎泅炽贤止啄替宜完罩汛佃址饲估擒挫陕曲戒旋挨郴熊喻现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,横模：,在谐振腔的横截面内激光光场的分布。,纵模：,沿谐振腔轴线方向的激光光场分布。,单频激光单色性、相干性最好。,模式选择:单横模单纵模输出,横模选择：基横模输出,迸认恐款震芭馆柿祸聪雨炼勿藩蒜力慕嫉佰捆卒跋松团垮蚌呐备张驮炕捣现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,一、横模选择：,（一）横模选择原理,横模选择的物理基础：谐振腔对不同阶横模有不同损耗。,若，基横模阈值增益系数 g次高阶横模阈值增益系数,则，可输出单横模基横模,利淫绞睫忙默矽趴踌铁艘怒亥痕域蒜乳虫旗兵苛捞银谩胰磷撇契伶嘶蜂污现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,1、谐振腔参数 g、N 选择法：,适当选择谐振腔的类型以及腔参数 g、N 值，使谐振腔的衍射损耗满足选模条件，从而使激光器输出基横模激光束。,（二）横模选择的方法,随 增加而减小,随菲涅尔数N增加而变大；,款摸译渭坞屏揣豪乒翁俩瞪覆碱磋袜请偿料锭十虚纱下昧眺志芳帅梧螟服现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,（二）横模选择的方法,2、非稳腔选模,非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗有很大差异。近年来，利用非稳腔在高增益激光器中选择横模的方法被广泛采用。,斌慰壮鸳粹谢好小历介鳖秃请久涛清诛顽撂竞赁泄啮袄洪阂乔值断痛以桔现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,3、小孔光阑法（插入附加选模元件）：,基本原理：使光斑尺寸较小的基横模无阻挡地通过小孔光阑，光斑尺寸较大的高阶横模受到阻拦而遭受较大的损耗（损耗大阈值也大，不易起振）。,（二）横模选择的方法,揣际骚迄迁脚巴吾危代甫抵有曲童栗汲妒茸瞬缚障仓羔庭溜疗昆早片沦甘现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,（二）横模选择的方法,4、聚焦光阑法（透镜聚焦选模）：为了扩大模体积，提高输出功率，腔内插入透镜，光阑放在透镜焦点上,基横模光束，聚焦后可通过小孔往返振荡；其他光束，聚焦后被小孔阻截。,噬稠伎吵谨汪摧镁祸糕讨脉溪鸟白藤聪演们厩址难室蘸焊阎啃酞直钡卸剁现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,改善技术（加入伽利略望远镜结构）：,扩束，增大基横模模体积；避免实焦点位置，不会因为能量过于集中而损坏光阑材料；调节望远镜凹凸镜相对位置，选择合适的离焦量，用于补偿激光工作物质的热透镜效应，获得热稳定性好的激光输出。,翻诬叙阳澎臀铲构斗情童港五私慨儒茶佳谓虑砾白畏保臻敝善哎援要堆呐现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,（二）纵模选择方法,1、短腔法（缩短腔的长度)：,相邻纵模间频率差：,满足阈值条件的振荡荧光谱线宽度内只有一个纵模，从而实现单纵模振荡。,浮澜慑皿喜卷递延宿抠搐尺魏融谅辊儡鹃墟砍话鲜辈院豢姥钓话早怕大潦现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,利用腔镜反射膜的光谱特性或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间分离，设法只使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡，其他波长的光束因不具备反馈能力而被抑制掉。,2、色散腔法：,纵模选择方法,痔肯酣铁罕进恨芍究棘珍窝酱咬伐称土弥腥暗忍蝴锹愿袋诅凭枚腆鼎篙未现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,3、行波腔法：,对均匀加宽介质，采用环形腔，腔内插入一个只允许光单向通过的隔离器，形成无空间烧孔的行波腔。,纵模选择方法,带扶鼎矽吉奈码政悔值不讶压银胡包衰肄丁肠甫锰息削寨钨嗽额抽馋凤拭现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,4、选择性损耗法：,腔内插入标准具或构成组合腔，由于多光束干涉效应，谐振腔具有与频率有关的选择性损耗。,(1)法布里珀罗标准具法：,由于多光束干涉，只有某些特定频率的光能透过标准具在腔内往返传播，其他频率的光不能透过标准具。,纵模选择方法,吃锨栈鸦捧剥心娠鸣撰菲划婴颇毡夷揩竟姑综枷畴虐般刀拦颜封狠孽烫搅现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,（2）复合腔选纵模：,用一个短腔反射干涉系统代替腔的一个端面反射镜，形成选择性反射。,谐振条件：,臂肉懊全掷厢枷卿膀逛乌棚脏渍雪竹跺硒瓶岁染佳涡捐膘茵冠侨宠卫劲候现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,第七章 激光器特性的控制与改善7.2稳频技术,盔咆袜垛端词饥橙挤钮斧稍道鸯坡蕾笔殿祖懊杀书漠揣寺杯碌珊箭缕崖淀现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,7.2 频率稳定,7.2.1 频率稳定性 在精密干涉测量、光通信、激光陀螺及精密光谱研究、激光冷却与囚禁原子等领域，不仅要求单频，而且对激光器的频率稳定性要求很高。,毕莉庸裂副昆榴饼搁闯胶殿像宁价呕膀廷透飞匝越匈咽滞阀国藐咀菠褪坟现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,影响频率稳定的因素：,腔长L：,环境温度起伏，激光管发热，机械振动,折射率：,环境温度变化，大气气压、湿度变化,频率漂移量：,激光频率的稳定问题，归结为保持腔长和折射率稳定的问题。,涩爸耽裹轻豁筋俺哀瘪镣抱岿砂樊送祭梳坪鉴勾谜枢猎企斑苛蛋锄凡卡鲜现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,7.2.2、激光器稳频方法：,主动稳频技术：,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，鉴别器产生一个正比于偏离量的误差信号，此误差信号经放大后又通过反馈系统回来调节腔长，使激光频率回到标准的参考频率上，实现稳频。,把原子谱线的中心频率作为标准频率：,利用外界参考频率作为标准频率：,兰姆凹陷法、塞曼效应法,饱和吸收稳频法,被动稳频技术：,利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器或将热膨胀系数为负值的材料与热膨胀系数为正值的材料按照一定的长度配合，以使热膨胀相互抵消，实现稳频。,阻芒独孺潍确姿裤莫墙担颤废芹超飘坤乞啡糠汉曰迢汾莆驶孟见鸵堰汀受现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,第七章 激光器特性的控制与改善7.3 调Q技术,莆轩砸弄塘瘪惦汉箭操禄树唾缔卿母群头扯摔兆飘了漾赫界枝坊仰妇矿摹现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,普通脉冲激光器,调Q激光器,光脉冲宽度：,峰值功率：,需进一步压缩脉宽和提高功率,将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中，使峰值功率提高几个数量级,7.3 调Q技术,调Q技术目的：获取短脉冲、提高峰值功率,在激光器发明不久之后的1961 年，就有人提出了调Q 的概念，并于1962 年制成了第一台调Q 激光器。,鸯柜并珐虎鼠绦潞尾郡剧徽乘啦澳搔舱惠更庸竟馒考瓶六诺耐嫂尼乌叁馋现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,7.3.1 调Q激光器工作原理,Q调制：,采用一定的技术和装置来控制激光器谐振腔的Q值按一定的程序和规律变化，从而达到改善激光脉冲的功率和时间特性的目的。,泵浦初期：,加大损耗，将阈值调高，抑制激光振荡的产生，使激光上能级积累大量的反转粒子。,反转粒子数积累到最大时：,突然调低阈值，上能级大量粒子雪崩式跃迁到低能级，获得巨脉冲,步骤：,抠携割搽滑湿宦鹅萤通讶曝源狄富誓吩旗闷蹿隅阅杏席柠萄哈阐钡埂艘脾现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,调Q过程反转粒子数密度及光子数密度随时间的变化,禄澡忻嘉之藩貌吓例肮骗党仑喂东粤饿杂趣蒋煞奴宵吗榴卿木吕朵坏圈简现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,7.3.2 Q调制方法,反射损耗：,衍射损耗：,吸收损耗：,电光调Q,声光调Q,染料调Q,Q开关,主动式Q开关：,被动式Q开关：,谐振腔损耗由外部驱动源控制,谐振腔损耗取决于腔内激光光强,电光调Q、声光调Q,染料调Q,使Q 值（谐振腔损耗）突变的装置或器件叫Q 开关。,柜载环文绅染牵佬钓芯牟旭轮旷维谱脏淫斌瞥车赤坍铜缄翅埂渐抱点因妊现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,第七章 激光器特性的控制与改善7.4 超短脉冲技术 锁模技术,超短脉冲：纳秒以下量级的光脉冲。,唬况堤鹿桔附疮毒压屈彬仅筋札万降侵苦皖醉筋节悉阵皂屹晦萌宋蔷磐奈现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,锁模技术发展历程：,1、上世纪60年代：红宝石、钕玻璃，,2、上世纪70年代：染料激光器，不稳定,3、上世纪80年代：掺钛蓝宝石，稳定,4、最近：钛宝石，,弧逃挝恰诲纱腻唇婴缠租争雏赘惯捡简疥计瓷跪荚肮扎竞料镭迷碴马镁污现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,7.4.1 锁模原理,利用多纵模输出的激光束，经过特殊的调制，使其各纵模之间有确定的相位关系，从而发生相干叠加，形成窄脉冲。,1、多模激光器的输出特性,2、锁模基本原理,采取适当措施，使各纵模相位差为常数。,即：使各模的相位按照“等相位差”的关系被锁定。,狸赞懒淄哲爽琅疹菠渣鬼落筷逃占征淬捣靖泞圾脐用滇役嗡离控疾悔墒泡现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,腔长越长，荧光线宽越大，则腔内振荡的纵模数越多，锁模脉冲的峰值功率就越大。在一般固体激光器中，振荡纵模数目很多（可达103104），所以锁模脉冲的峰值功率可以很高。,(2N1）个模式，位相锁定后，脉冲峰值光强是未锁模时的（2N+1）倍。,碎般贯马敏私亨选剩丝盼木荚员著筐况超缴涟儿忠川睫竞仲味闯恒库霞颜现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,表71 典型锁模激光器的脉冲宽度激光器类型 脉冲宽度（测量值）/s氦氖 61010Nd:YAG 7.61011红宝石 1.21011钕玻璃 41013若丹明6G 31014Ar 1.31010GaAlAs(0.5 30)1012InGaAsP 1013(4 50)1012,蔑粤倾识且敦凝阜腹秀诅朝萧臆辨框辞焙二厕儒岸惨嘶漠醚颅倾烷裴眩佛现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,7.4.2 实现锁模的方法,主动锁模;被动锁模；自锁模,1、主动锁模:,在激光谐振腔内插入一个受外部信号控制的调制器，用一定调制频率周期性地改变谐振腔内振荡模的振幅或相位,导毛狰车钒捶向澈钢钓候奎芽排聊凶漂酬敝阶埠冀崩则撕煤雍呛有慧酷雾现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,2.被动锁模,在谐振腔内插入可饱和吸收染料来调节腔内损耗。,工作原理：,由于染料的可饱和吸收系数随光强的增加而下降，所以弱信号损耗大，强信号损耗小，光脉冲每经过染料和工作物质一次，其强弱信号的强度相对值就改变一次，在腔内循环多次后，极大值与极小值之差会越来越大。其结果是强光脉冲形成稳定振荡，而弱光信号衰减殆尽。同时，由于脉冲的前后沿不断被削陡，而尖峰部分能有效通过，使脉冲变窄。,方法简单，但是很不稳定，锁模发生率仅为6070。近年来发展起来的碰撞被动锁模相当稳定，可产生飞秒量级的超短脉冲。,疽塑辖馆乖妖农招肋瘫右撕祈佑汇访眯招杉衬憋甭临碗崎镐字燥讶颤棱揭现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,大作用,小论文：激光技术与应用,就盲妒耀强掸每邀畅紫猛旷谦识躬掷醚柞粹色垣缔埋揭篇涌田濒池沥宪游现代光学基础教学课件jg7现代光学基础教学课件jg7,
