激光原理第4章激光的基本技术.ppt

第4章 激光的基本技术,4.1 激光输出的选模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,4.1 激光器输出的选模,一 激光单纵模的选取,激光器的选模技术,对激光纵模的选取（选频技术）提高激光的相干性,对激光横模的选取（选模技术）提高激光的亮度和均匀性,对于均匀增益型介质，当强度很大的光通过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，如图：,这种现象叫做“纵模的竞争”，竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来,1 均匀增宽型谱线的纵模竞争,开始时，存在三个模式、：,故：均增大,增益曲线降低到曲线1时：,增益曲线继续下降：,增益曲线降低到曲线3时：,增益曲线继续下降：,增益曲线降低到曲线2时：,所以最终只有靠近中心频率的优势模可以维持振荡,空间竞争,在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较大时，也可能有比较弱的其他纵模出现，如何解释？这种现象称为模的“空间竞争”。,当腔内形成纵模为q的强光振荡时，此时腔内形成一个驻波场，腔内各点光强不均匀，增益也不相同，只是平均增益等于G阈，而在波节处增益比较高。因为其他纵模的波节和波腹与q纵模不重合，所以这些纵模在波节处得到较高的增益，形成较q纵模弱的振荡。,2 非均匀增宽型谱线的多纵模振荡,在非均匀加宽激光器中，如果有多个纵模满足振荡条件，由于某一纵模光腔的增加只会消耗对应的激活粒子，不会使增益曲线整体下降，只会在增益曲线上形成烧孔，所以只要纵模间间隔足够大，各纵模基本上互不相关，所有小信号增益系数大于振荡阈值增益的纵模都能够稳定振荡。,当然，如果两个纵模的烧孔重合，或者由于间隔过小而部分重合，则也同样会产生竞争现象。,3.单纵模的选取,要提高光束的单色性和相干长度，就需要使激光器工作在单一频率下。常用的选频方法：,（1）短腔法：使纵模间隔大于增益曲线阈值以上所对应的宽度，即缩短腔长。,缺点：腔长缩短，使得增益长度减少，常常得不到足够的输出功率，因此，这种方法常用在对激光输出功率要求不高的场合。,q=c/2L,如图所示，在外腔激光器的谐振腔内几乎垂直于腔轴地插入一个法布里波罗标准具。它是用透射率很高的材料制成，两个端面平行且镀有高反射率的反射膜，其对于满足 的光具有极高的透射率。,这时的产生的激光频率不仅要符合谐振条件，还要对标准具有最大的透射率。,（2）法布里-珀罗标准具法,能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为,而谐振腔的纵模频率间隔为,使m远大于纵，从而使得在整个谱线宽度内只有一个m具有最大透率。如果我们再适当地调整角，就可以使得具有最大透射率的m正好等于激光器的多个纵模中的某个纵模q所对应的频率q、这样就使得只有纵模q对标准具有较高的透射率而形成振荡。,如图所示，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是具有适当投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，一个是由M1、M3组成，其腔长为L1+L2；另一个由M3、M4组成，其腔长为L2+L3。如果L2、L3较短，就形成了一个短谐振腔和一个长谐振腔的耦合。,（3）三反射镜法：,c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3),两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：,只有同时满足以上两个谐振条件 的光才能形成振荡，故只要选取L2+L3足够小，就可以获得单纵模输出。,二、激光单横模的选取,1 衍射损耗与菲涅耳数,如图所示，设有一个腔长为L，反射镜直径为2a的激光器，腔内传播的是一高斯光束，该光束在镜面处的场强分布可以写为：,由于光强的分布正比于场强的平方，故镜面处的光强分布为:,从上式看出光强I的分布一直弥散到，但是由于反射镜尺寸的限制，处的光能量将落到镜面外而逸出腔体，这将引起能量的损耗，这种由于衍射效应使光束向边缘处弥散而形成的光能量的损耗称为“衍射损耗”。,设射向镜面的总光功率为I，落在 处因而损耗了的光功率为I，则我们定义谐振腔的单程衍射损耗为,下面以共焦腔为例，估算一下单程衍射损耗，先计算I和I：,反射镜半径a越大，则衍射损耗越小。镜面光斑尺寸越小，则衍射损耗也越小。,引入一个在衍射理论中经常用到的参量菲涅耳数。由共焦腔基横模的镜面光斑尺寸,对于共焦腔的基横模来说，衍射损耗只与菲涅耳数N有关，N越大则衍射损耗越小。菲涅耳数是表征谐振腔衍射损耗的一个特征参数。,2 衍射损耗曲线,图画出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的 曲线，,1N越大则 越小；2在同样的N下，横模序数越高则 越大；3.在同样的N和同样的横模序数下，共焦腔的 比平行平面腔的小得多，这是由于凹面镜的会聚作用使光能更集中于中心处的缘故。,衍射损耗曲线,图中画出了对称腔TEM00模的单程衍射损耗随菲涅耳数的变化。,在相同的N下，越接近于共焦腔(g0)衍射损耗越小。,3.高阶横模的抑制,抑制高阶横模需要两方面的条件：一方面是要求基横模光束的衍射损耗小，使得基横模不仅满足振荡的阈值条件，而且有较大的功率输出；另一方面是要求高阶横模的衍射损耗足够大。下面介绍两种常用的抑制高阶横模的方法。（1）光阑法选取单横模：高阶横模的光束截面比基横模大，故减小增益介质的有效孔径a，从而减小菲涅耳数N，就可以大大增加高阶横模的衍射损耗，以致将它们完全抑制掉。最简单的办法就是在腔内靠近反射镜的地方放置一个光阑（用于增益较低的气体激光器）。,缺点：输出激光功率小，小孔易损坏,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。,图4-6 聚焦光阑法,（2）聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模。,优点：提高工作物质的利用率，从而提高激光的输出功率。,腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7所示。,图4-7 腔内望远镜法,优点：,充分利用工作物质，获得较大功率的基模输出。可通过调节望远镜得到热稳定性很好的激光输出。输出光斑大小恰当，不致损伤光学元件。,4.2 激光器的稳频,频率的漂移：由于内部和外界条件的变化，谐振频率会在整个线型宽度内移动。稳频的任务：控制可控的因素，使其对振荡频率的干扰减至最小，从而提高激光频率的稳定性，减小频率的漂移。,频率的稳定性,频率稳定度（一次连续工作时间内）,频率复现度（不同地点、时间、环境下）,一、影响频率稳定性的因素,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）腔长L变化的影响,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,机械振动：采取减震措施,（2）折射率的变化,温度T、气压P、湿度h的变化对谐振频率都有影响,内腔式激光器影响小；对非内腔激光器来说，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。,二、稳频方法概述,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，以便热膨胀互相抵消，这种办法一般用于工程上稳频精度要求不高的情况。可加上声热隔离装置。,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。这个误差信号经放大后又通过反馈系统回来控制腔长，使振荡频率回到标准的参考频率上，实现稳频。,(1)被动式稳频,(2)主动式稳频,主动式稳频分为两类：,一类是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。兰姆凹陷法稳频,另一类方法是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，这是目前水平最高的一种稳频方法。选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。饱和吸收法稳频,三、用兰姆凹陷法稳频,He-Ne激光器的谱线主要是非均匀增宽型的。非均匀增宽型的输出功率P随频率的变化曲线是钟形的，在中心频率0处出现兰姆凹陷。在0附近频率的微小变化将会引起输出功率的显著变化。因此，可以通过输出光强的监测，设计出更为灵敏的腔长自动补偿的伺服系统。,在反射镜和支架之间加上一块压电陶瓷，压电陶瓷接到稳频器上，稳频器按实际情况正确地给出调整电压，该电压加到压电陶瓷内外表面上使其伸缩，从而自动调节腔长达到稳频的目的。,腔长的自动补偿系统(伺服系统)的方块图如图所示。,在压电陶瓷上需加一直流电压：使初始频率为0,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”,搜索讯号电压使腔长L也以频率f作振动，这就使得激光频率也以频率f变化。这将造成输出功率的变化。,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0偏至A，即P与 的位相正好相反。,假如由于某种原因使L缩小，引起激光频率由0偏至B，即P与 的位相正好同相。,P通过前置放大器和选频放大器变为一个误差讯号而进入相敏整流器。在相敏整流器中误差讯号和搜索讯号进行比较，当它们有相同的位相时则给出一个正的直流电压，反之将给出一个负的直流电压，输出直流电压的大小则由误差讯号的大小来决定。,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，不能被选频放大器选放。,兰姆凹陷法稳频需要注意的问题：,激光器的激励电源最好是稳压和稳流的。,氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。稳频激光管都是采用Ne的同位素来制造的。而且对同位素的纯度还应有较高的要求。因为若同位素气体不纯，将会引起兰姆凹陷线型的不对称。而曲线在中心频率两侧的斜率不对称时，会在斜率大的一侧造成误差讯号大而斜率小的一侧造成误差讯号小的现象。这样，输出频率就不能准确地调到凹陷的频率中心了。,频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率大小有关。斜率越大，则稳定性越好。因此，为了得到较高的稳定度，应该增加兰姆凹陷的深度,复现度不高主要是作为参考频率的0的漂移引起的。,四、用饱和吸收法稳频,饱和吸收法稳频的示意装置如图所示：,激光谐振腔中除了激光管外，还加了一个吸收管。在吸收管内充以特定的气体，此气体在激光谐振频率处应有一个强的吸收线且吸收管内所充气体的气压很低。,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。,在吸收介质的吸收曲线上有一个吸收凹陷，如图所示，,吸收凹陷产生的原因和兰姆凹陷产生的原因是类似的。,对非均匀增宽谱线线型的介质，在吸收曲线的中心频率处，只有沿激光管轴方向的速度为0的原子才能吸收光子。偏离中心频率处的频率则有两部分原子参与吸收，所以在中心频率处会出现凹陷。这种现象称作“饱和吸收”。,只有G()净0的那些频率才可能在整个腔内形成振荡。,如果饱和吸收在整个多普勒宽度内，除了0附近的所有频率范围中都比激光增益大(如图)，则只有腔模调到0附近激光才能振荡。,单程净增益：,由于反转兰姆凹陷的宽度比兰姆凹陷的宽度窄，其中心频率两侧曲线的斜率就比兰姆凹陷曲线的斜率大，就可以减小搜索讯号的幅度以提高频率的稳定性，同时还由于吸收线中心频率极为稳定，所以使饱和吸收法获得了很高的长期稳定度和复现度,若 则腔模在整个线宽范围内调谐均能振荡。由于在0附近吸收最小，故在0附近的净增益比线宽内其余部分都要大，这就形成了净增益曲线上的尖峰，此现象称为“反转兰姆凹陷”。,4.3 激光束的变换,激光从激光器里输出以后都要经过一定的光束变换以后才会被用到各种应用场合光束变换的基本工具是透镜,薄透镜对高斯光束的作用与平常的成象作用有一定的不同,需要进行研究本节从薄透镜的光束变换特性出发讨论高斯光束通过薄透镜时的变换继而研究高斯光束的聚焦、扩束和准直。,一、高斯光束通过薄透镜时的变换,几何光学中透镜起成像的作用，其成象公式描述了物象关系物理光学则把透镜的作用看 成是使光波得到变换，把如 图所示的发散球面波变成会 聚球面波。若将发散球面波的曲率半径记做正R，会聚球面波的曲率半径为负R，透镜的作用可记做：,图4-15 球面波通过薄透镜的变换,透镜的作用就是改变光波波阵面的曲率半径。在傅里叶光学中透镜的作用则是提供附加位相因子从不同角度对透镜的物理作用有不同的解释其实质是一样的。,透镜的变换应用到高斯光束上，如下图所示，有以下关系,前式是薄透镜假设：透镜足够薄至使入射高度和出射高度不变；实际问题中，通常 和 是已知的，可令，则根据高斯光束的性质计算出入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径，利用上述透镜的变换公式进一步计算出由透镜出射的波阵面半径和有效截面半径就可以得到出射光束的束腰位置和束腰半径，因而可以确定变换后得到的出射高斯光束。,入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别用透镜公式计算出出射光束的波阵面半径和有效截面半径利用出射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径计算出其束腰半径和束腰位置,二、高斯光束的聚焦,短焦距：即短焦距时,1 高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦,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,可得聚焦点光斑尺寸：,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，,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,加大入射光的发散有两种做法，如图4-18和图4-19,这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。通过以上的讨论我们看到，不论是聚焦点的位置，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,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）确定聚焦点的位置,(3)根据高斯光束的渐变性可以设想，只要 和 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。,（2）确定聚焦点的光斑大小,图(4-20)倒装望远镜系统压缩光束发散角,三、高斯光束的准直,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，增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角。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。,M是高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。M=f2/f1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,图(4-20)倒装望远镜系统压缩光束发散角,准直效果的定量分析：,四、激光的扩束,扩束：扩大光束的光斑尺寸,扩大发散角（产生极小的束腰半径）凹透镜、凸透镜,扩大光斑尺寸，且较小的发散角倒置望远镜系统,方法：,引入描述高斯光束的复参数q，运用复参数的ABCD定律求高斯光束通过薄透镜的变换。,高斯光束的传输规律,补充内容：,普通球面波在自由空间的传播规律:,球面波的波前曲率半径随传播过程的变化为：,自由空间的光学变换矩阵,可以写成：,高斯光束的特征参数,高斯光束的复参数q表示,高斯光束可由波前曲率半径R(z)、光斑半径w(z)和位置z中任意两个参量来描述。,引入复参数q(z)将这三个参量联系起来(描述高斯光束的传播规律非常方便)。,复参数q的定义为:,将波前的曲率半径R(z)和光斑半径w(z)代入上式：,q值表达的基模(TEM00模)高斯光束：,由q 参数，可求出波前的曲率半径R(z)和光斑半径w(z),高斯光束的q参数：,其中：,经整理后可得：,高斯光束在自由空间由z1经距离L传播到z2,q的规律为：,高斯光束的复参数曲率半径与普通球面波的曲率半径遵循相同的传播规律,高斯光束在自由空间中的传播规律:,高斯光束的q参数通过传输矩阵 的光学系统，其变换规律遵循ABCD定律：,A、B、C、D为该光学系统的光线矩阵元，q1和q2分别为在入射平面(1)和出射平面(2)的复光束参数。,光线传输的矩阵理论和高斯光束用简单的方式联系起来,高斯光束的ABCD定律,如果复参数q1的高斯光束顺次通过传输矩阵,总矩阵元M：,高斯光束的q参数和ABCD定律给出研究高斯光束传输的一个基本方法,高斯光束通过薄透镜的变换,高斯模通过透镜后仍保持为相同阶次的模，但光束参数R(z)和w(z)已改变！,出射光束在透镜处的光斑尺寸满足：,表示入射高斯光束在透镜处的q参数，表示出射高斯光束在透镜处的q参数,距离透镜分别为z和z/处的复参数：,可以得到z/处的q/:,已知透镜的焦距，只要知道入射高斯光束的q和z，就可求得出射高斯光束在z/处的q/,如果写成高斯光束通过该光学系统时，q满足的变换规律为：,比较可得ABCD的矩阵元,出射光束的腰粗和光束腰位置,由z/处的q/结合公式：,可得出射光束的,最后得到出射高斯光束光腰尺寸 与光腰所在位置 的公式：,4.4 激光调制技术,激光调制就是把激光作为载波携带低频信号。激光调制可分为内调制和外调制两类。这里讲的主要是外调制,激光的瞬时光场的表达式,瞬时光的强度为,若调制信号是正弦信号,一、激光调制的基本概念,激光幅度调制的表达式为,激光强度调制的表达式为,激光频率调制的表达式为,激光相位调制的表达式为,为提高抗干扰能力，常采用二次调制：先将欲传递的低频信号对一高频负载波进行频率调制，再用该调频后的负载波对激光进行强度调制。,二、电光强度调制,光电效应,双折射现象(如右图所示),电光效应:晶体加上电场后,由于电场的作用使晶体在沿光轴方向产生了感应双折射(如左下图所示),晶体中寻常光和非寻常光的振动面相对不加电场时旋转45度角，沿x方向振动的光的折射率 和沿y方向振动的光折射率 不同,二、电光强度调制,在单轴电光上沿z轴方向施加电场,该晶体快轴x和慢轴y分别与x,y轴成45o角;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，则：通过晶体后沿快轴 和慢轴 的电矢量振幅都变为沿 和 方向振动的二线偏振光之间的位相差,图(4-21)典型的电光调制装置示意图,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(见图421(b)分别为，则有，其相互之间的位相差为。则有：,图(4-21)典型的电光调制装置示意图,图(4-22)I/I0-V曲线,图(422)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。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。,三、电光相位调制,偏振片通振动方向与晶体y轴平行,则加电场后，只有振动方向y轴相平行的光通过长度为l 的晶体，其位相增加为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,图(4-23)相位调制装置示意图,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,作业P101:3,4,5,4.5 激光偏转技术,激光束偏转：使激光束相对于原始位置作一定规律的偏转扫描,分类：（根据使用目的不同）,模拟式偏转主要用于激光显示技术,数字式偏转主要用于光存储,（1）偏转角的大小要达到激光扫描的范围（2）扫描速度要满足快速记录和显示的要求（3）偏转效率：偏转光强与入射光强之比，反映了光偏转器的光能损失（4）分辨率或在扫描范围内可分辨的点数（是光束的发散角）,激光技术中最常用的三种偏转方法：机械式偏转 电光偏转 声光偏转,设计或评价一个光偏转器的主要指标：,一、机械偏转,1.机械偏转是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动，改变反射光或折射光的方向，从而获得光束偏转的方法,2.优点是；扫描角度大，通常可大于300，可分辨象素多，光学损失小等,3.右图所示的旋转多面反射镜鼓是一种典型的机械偏转方法,这种机械偏转法的缺点是受电机转速的限制，扫描速度较低。,二、电光偏转,1.电光偏转：利用泡克耳斯效应，通过施加在电光晶体上的电场来改变晶体的折射率。2.偏转角：假设置于空气中的棱镜，激光入射角为，则由折射定律：,可以得到：,在电光晶体上施加电场后，晶体折射率的改变量为。由于泡克耳斯效应引起的折射率变化极小(10-4量级)，所以出射光偏转角的相应改变量为,出射光偏转角的改变量与折射率变化成线性关系！因此可以利用外加电压控制光线的前进方向,3.实际的电光晶体偏转器是由两个晶体棱镜(如KDP棱镜)所组成。棱镜各边分别沿x、y和z轴，该二晶体的光轴(z轴)反向。外加电场沿图示z轴方向，光 的传播方向沿y轴的方向，它的偏振沿x轴 施加电压后，上、下层棱镜 中传播时光的折射率为,图4-24 实际的电光晶体偏转器,显示平面上可分辨的光斑数目:,总光束偏转角：,例如:,时,为增加偏转角，而外加电压又不太高，常将若干个KDP棱镜串接下图的结构。,其中的棱镜2、3、11、12均为等腰直角棱镜，可以把其中每个棱镜等效地看成由两个光楔拼合而成。,由于光束宽度和棱镜尺寸的限制，光楔的个数不能太多,4.一个电光偏转器所能获得的偏转角很小,很难满足实际应用的要求,三、声光偏转,1.声光效应:由于声波是纵波又是疏密波，因此声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）周期性的变化，可将此声波视为一种条纹光栅，光栅的栅距等于声波的波长，当光波入射于声光栅时，发生光的衍射。驻波的振幅按照正弦规律变化，所以介质的折射率以空间周期s在空间呈正弦变化。图(425)所示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)。只有满足布拉格条件的入射光对应的衍射光才最强,图(4-25)超声波在透明介质中的传播,2.如图(426)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 出射由于,可以近似得到:声光偏转角 式中s为声波的频率，vs为声波在器件中的传播速率。,图(4-26)布拉格条件下的衍射,4.6 激光调Q技术,一般脉冲激光器输出的脉冲激光都不是单一的光滑脉冲，而是如图所示的一群宽度只有几微秒量级、间隔是几微秒到几十微秒、强度随机不等的小尖蜂脉冲序列，有时称为尖峰序列。如何改善脉冲性能?,调Q技术是将一般输出的连续或脉冲激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。,调Q技术可以产生脉宽为(10-710-9)秒量级、峰值功率高达千兆瓦的巨脉冲;锁模技术则可产生出(10-1210-15)秒量级的超短光脉冲，峰值功率达到T瓦量级。,一、激光谐振腔的品质因数Q,体积为V的腔内存储的能量为：,每振荡周期损耗的能量为：,品质因子与谐振腔的单程总损耗的关系为,因 上式可以改写为光子数密度的形式,2.假设腔内损坏为 光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为,二、调Q原理,1.调Q技术的概念是在1961年提出来的，1962年就制成了第一台调Q激光器,3.调Q技术的基本思想:当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制激光器阈值，使其很高，抑制激光振荡的产生。当反转粒子数达到最大数量时，突然降低激光器的阈值。此时亚稳态上的粒子的能量很快转换为光子能力，光子像雪崩一样以极高的速率增长，输出峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。,2.回顾一下激光器的工作过程:产生激光的过程中阈值并不改变,控制反射损耗-机械转镜调Q、电光调Q技术控制吸收损耗-可饱和吸收染料调Q技术 控制衍射损耗-声光调Q技术,4.调Q方法:控制不同类型的损耗，就形成了不同的调Q技术,1.电光调Q装置如图4-27，激光腔中插入起偏振片及作为Q开关的KD*P晶体。,图4-27 电光调Q装置示意图,三、电光调Q,2.原理:晶体在z轴方向加电压后,产生感应双折射,进入晶体的x方向振动的线偏振光分解为x和y振动的二线偏振光。,加有半波电压时,损耗非常大,Q值很低;去掉半波电压时,损耗小,Q值很大.,四、声光调Q,图4-28 声光调Q装置示意图,1.图4-28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。,2.原理:当光通过介质中的超声场时,由于衍射造成光的偏折,偏离腔轴,此时损耗大,Q值小.一定时间后,撤去超声场,光束不发生偏折,Q值升高.,五、染料调Q,1.图4-29就是染料调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：,3.腔内光强很弱时,染料对光有强烈的吸收,腔内损耗大,Q值小.随着腔内的光强逐步增强,吸收逐步减小,损耗小,Q值大.,图(4-29)染料调Q装置示意图,4.选择染料要顾及几个方面,染料吸收峰的中心波长与激光波长基本吻合；染料应有合适的饱和光强，确保得到合适的“开关”速度；染料溶液应具有一定的稳定性和保存期，以利于实用。,4.7 激光锁模技术,1.1964年后，又发展起一门新的脉冲压缩技术锁模技术,这种技术把瞬间即逝的世界展现到了人们面前。,2.调Q技术可以得到脉宽为毫微秒量级、峰值功率为千兆瓦量级的激光巨脉冲。锁模技术可以得到脉宽飞秒量级，峰值功率高于T瓦量级的超短激光脉冲。,由于自由运转多模激光器的各个振荡模式的振幅和相位是彼此独立的、随机的，所以总光场是各个模式光场的非相干选加。输出总光强是各个振荡模式光强之和，即,3.回顾一下自由运转多模激光器的输出特性,自由运转激光器通常包含有多个纵模，纵模频率为,假设每个纵模的电场表示为,则自由运转多模激光器的输出为,一、锁模原理,1.锁模技术让谐振腔中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。,2.设腔内有q-N，-(N-1)，0，(N-1)，N共(2N+1)个模式，又设相邻模式的圆频率之差，则,3.如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0，则,4.图4-30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,二、主动锁模,1.损耗内调制锁模,图(4-31)锁模调制示意图,如图(4-31)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),从时域理解锁模脉冲的形成:因为(振幅)损耗调制的频率为，相应的周期恰好是光子在腔内往返一周的时间。,腔内各个纵模中的某些光子，如果是在调制器损耗为零时通过，则在腔内往返一周后，所受到的损耗仍然为零。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,从频率域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，其振幅调制后的电矢量为：,腔内传播的不仅为原有的频率，还包括频率为的两个边带。这两个边带频率与中心频率的间隔恰好等于激光器的纵模间隔.由于边带与中心频率的振荡同相位，所以使得新激发起来的纵模与的振荡也同相位。,图(4-32)中心频率及两边频,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（432）。,这两个边带(纵模)通过调制器的作用，还将继续激发起另外相邻的两个边带(纵模)。这样继续下去，可将多模激光器的所有纵模都激发成有相同相位的纵模振荡其情况如图所示。,各纵模相位锁定，输出光能量相干叠加，从而形成超短脉冲,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。,三、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。,被动锁模的定性解释：相干加强的纵模通过染料，被吸收少，反之，其他较弱部分通过染料被吸收多，反被减弱。光场多次通过染料，造成纵模相干加强处以窄脉冲的形式被选出来。,作业：,