第二章、激光器输出特性的改善

1、第二章、激光器输出特性的改善在精密测量中，普通激光器输出的激光束，往往不能满足实际要求。比如在激光准直测量中，要求激光束发散角尽可能小，这就要求激光器为单横模（TEM00）输出;在激光干涉测量中，要求激光频率单色性要好，这就要求激光器单横模、单纵模输出；在地卫测距中，要求激光器输出高脉冲能量窄脉冲宽度（调Q脉冲输出或锁模脉冲输出）等。这就要求对激光器进行某些改善。下面介绍几种常见的激光输出改善反法。§1. 激光器输出光束的模式选择一、 激光器横模选择 TEM00 TEM10 TEM01 小孔光栏 小孔选横模示意图在激光谐振腔中，只有衍射损耗的大小与横模的阶次有关，且各横模的衍射损耗相

2、差比较大，所以可以通过改变衍射损耗来实现横模选择。由于高阶横模的衍射损耗很大，所以在不采取措施的情况下，激光器一般工作在低阶横模（TEM00、TEM10、TEM01）。基模（TEM00）衍射损耗最小，其他高阶横模的衍射损耗随横模阶次的增大而迅速增大。激光器的横模选择就是基于这一原理。最常见的方法就是小孔选模。小孔选横模示意图如右图。激光器单基横模TEM00运转的充分（振荡）条件为：（单程增益大于单程损耗） （2-1-1）其中TEM00模的小信号增益，r1、r2-两反射镜的发射系数，TEM00模的单程衍射损耗。激光器单基横模TEM00运转的必要条件为：衍射损耗高于基横模TEM00的横模（其中TE

3、M10是除TEM00外所有横模中衍射损耗最小的）不能振荡。故应有：（TEM10模的单程增益小于单程损耗，不能起振） （2-1-2）其中TEM10模的单程损耗。激光谐振腔的衍射损耗完全由谐振腔参数和菲涅尔数N来决定。 在共焦腔中，此时N不变，最大；而在共心腔和平行平面腔中，在N不变情况下， 最小。从上述分析可知，共焦腔横模选择最灵敏。一般情况下，当菲涅尔数N<2时，很容易实现单横模运转。由菲涅尔定义：可以看出，腔长L一定，激光波长一定，（a腔反射镜有效半径），当a小到只有TEM00模满足阈值条件时，就实现了单横模运转。例如在常用的250mm的He-Ne激光器中,L=250mm，,放电毛细管

4、直径2mm(a=1mm),平凹稳定腔，则，所以一般He-Ne激光器为TEM00模运转，毛细管就充当了小孔光栏的作用。小孔光栏选单横模原理：在激光谐振腔内设置小孔光栏或限制激光工作物质的横截面积，TEM00模（光斑尺寸小）可以无阻挡的通过小孔光栏，而光斑较大的其他横模受到阻挡不能通过小孔光栏，损耗增大，致使不能满足阈值条件，从而实现单TEM00模运转。 小孔 小孔 工作物质因为在激光谐振腔内的不同位置，同一横模的光斑尺寸不同，所以小孔光栏的大小随其位置不同而不同。一般小孔光栏设置在靠近反镜的位置，如右图，且位置不同，小孔光栏的大小亦不同（一般设置一个小孔光栏）。 小孔光栏 透镜 工作物质在一般的

5、小孔选模中，不能充分利用激光工作物质的增益，如上图，工作物质不可能作成锥型的，致使大部分工作物质的增益浪费掉了。为了充分利用工作物质，可以采用聚焦光栏法选横模，如右图。因为TEM00模的光束质量非常好，可以聚焦到0.10.2mm，而其他横模比此值大的多，因此可以将小孔作的很小，阻挡高阶模通过，获得单横模运转，又充分利用激光工作物质。二、 激光器的纵模选择在精密测量中，总希望激光器输出的激光线宽越窄越好。大家都知道，单模（单横模、单纵模）激光器的输出单色性最好（线宽最窄）。前面介绍了单横模激光器的选横模方法，下面介绍激光器选单纵模的简单方法。在上一章里，介绍了激光谐振腔的纵模频率为： （2-1-

6、3）纵模间隔为： （2-1-4）从上式可以看出，腔长越长，纵模频率间隔越小（），腔长越短，纵模频率间隔越大（）。Gt 一般来讲，各个纵模的损耗是相同的，所不同的是各纵模的频率不同，故各纵模的增益大小不同，不同纵模的增益如右图。利用不同纵模的增益差值或对某些纵模人为的引入损耗，使得某个纵模达到了起振条件，而其他纵模的增益小于损耗而不能起振，就可以实现纵模选择。最简单的选单纵模方法就是缩短腔长，使得阈值增益线宽内只有一个纵模，从而实现单纵模选择。阈值线宽：单程增益等于单程损耗时所对应的增益线宽叫阈值线宽。1 短腔法选单纵模由（2-1-4）式可知，当小信号增益一定时（甭浦强度一定），L小到一定程度，

7、在阈值增益线宽内只存在一个纵模，就可以实现单纵模运转。当激光谐振腔的腔长L一定，腔结构一定，则激光谐振腔的损耗就确定了，从而就确定了阈值增益，当甭浦一定时，阈值线宽也就确定了，这样就可以估算出纵模起振个数。例如，一He-Ne激光器，腔长L=250cm,阈值线宽，该激光器可能有多少个纵模起振？要想实现单纵模运转，最短腔长为多少？解： 要想实现单纵模运转，必须满足阈值增益线宽内只存在一个纵模的条件。 即也就是说，要实现单纵模运转，腔长L<10cm。如此短的He-Ne激光器，输出功率非常小，已无使用价值。2 腔内加标准具法选单纵模 d 标准具 工作物质腔内加标准具选单纵模激光器如右图。标准具是

8、一厚度为d的平行平面玻璃（光学平晶），且两表面镀以增反膜，标准具的法线与光轴成角。d nn n先介绍一下光学标准具的透光特性。由于光学标准具的两表面平行度非常高，入射光线可以在光学标准具内多次反射，形成多光束干涉，如右图。当相邻两透射光束的光程差为2的整数倍时，干涉增强，该波长的透射率最大，反之，当相位差为的奇数倍时，干涉减弱，该波长的透射率最小。标准具透射峰的对应频率为： (2-1-5)其中j-正整数；n-标准具材料的折射率；光束与标准具法线的夹角。标准具透射峰间的频率间隔；透射峰的半宽度为： （2-1-6）其中r-标准具表面反射率，取值范围为，当，即反射率越高，标准具的透射线宽越窄。总结：

9、标准具的透射峰间的频率间隔j由n、d、决定（光程差），；透射峰的线宽由反射面的反射率r决定，。接下来讨论标准具的选模作用。G0() Gt =/L osc q-1qq+1 T() j-1 j j+1设激光谐振腔未加标准具时，腔纵模间隔为：-纵模间隔，其中谐振腔光程，Gt阈值增益，阈值增益线宽，既在此频率范围内的激光模式可以形成激光振荡而输出。从上图可以看出未加标准具时有三各纵模（q-1，q，q+1）可以形成振荡输出，而加入标准具后，q-1，q+1的损耗增大，致使二模式不能振荡输出，只有q损耗没有增大可以形成稳定振荡。从而实现单纵模运转。假如j 没有与q相对应，可以改变标准具法线与谐振腔轴间的夹角

10、，使j 向q及增益的中心频率0处移动，以得到最大单纵模激光输出。三、 短脉冲激光输出的获得 0.5-1s总宽度约为1ms一般固体脉冲激光器，如果不采取某中措施，激光器的输出应为脉冲宽度为s量级的脉冲序列，激光输出的这种震荡成为弛预震荡或叫张弛振荡。这对于实际应用是十分不利的，例如在地卫测距中，测量精度完全由脉冲宽度决定。这是因为在地卫测距中，测量的是激光脉冲发射出去至激光脉冲反射回来的时间间隔。大家都知道，光速c=3*1010cm/s, 也就是说，1ns（10-9s）光传播30cm，对于在地卫测距，激光脉宽1ns（10-9s）时，测量误差为30/2=15cm,若激光脉宽1ms，测量误差为30*

11、106/2=150km。且脉冲宽度越宽，激光功率越小，经过长距离传输，很难接收到发射回来的光信号。这就要求采取某种方法将激光脉冲宽度压窄，以提高激光功率。压窄激光脉冲的基本方法有两种，一种是调Q激光器，另一种是锁模激光器。 PumpTnnt TPout t1 固体激光器的弛预振荡在激光增益介质中，增益的大小完全由反转粒子数n来决定，反之，。而阈值增益Gt对应阈值粒子反转数nt。下面我们从反转粒子数的变化来说明弛预振荡过程。右图是泵浦、反转粒子数、激光输出的时序关系图。单个脉冲宽度约为s量级，整个脉冲序列持续时间约为ms量级。人们把固体激光器的这种脉冲序列输出称为弛预振荡或尖峰振荡。2 调Q激光

12、器的工作原理如果将固体激光器所输出的脉冲序列的能量压缩成一个脉冲输出，峰值功率可以提高几个量级，所使用的方法就是调Q激光器。调Q激光器中Q值概念是引用电子线路中的闭环信号发生器系统中概念，在闭环电子线路中Q值表示闭环电路中储存的能量与单位时间内所损耗的能量之比。激光器也是一种闭环系统，也有Q值，同时在前面介绍激光器的自激振荡时，曾介绍过谐振腔的损耗（例如输出）。设腔内储存的能量为W,单位时间内损耗的能量应为：。则激光器的Q值可以写成： （2-1-7）Q反比于损耗，所以调Q就是调节激光谐振腔的损耗。调Q激光器的基本原理：通过某种手段使激光谐振腔的Q值（或损耗）按规定的程序变化。泵浦开始时，先使谐

13、振腔具有高损耗（低Q值），激光器由于阈值高不能产生激光振荡，于是激光介质上能级的粒子数可以积累到一个较高的水平；在适当的时刻，使谐振腔的损耗突然降至低水平（高Q值），随之激光振荡阈值也突然降低，此时增益远大于损耗，受激辐射迅速增强，于是在极短的时间内，晶格上能级大部分粒子所储存的能量转变为激光能量，输出一个激光巨脉冲。 n N(光子数)nt(t<0) Nmaxn nt(t>0) 0 t调Q过程示意图如右图所示。T<0时，由于阈值高（n<nt），不能形成激光振荡，甭浦使得n持续增大，使n可以积累到一个较高的水平；在t=0时刻，突然降低损耗（Q增高），导致阈值集居反转数nt

14、降低至低水平，nnt，腔内光子数N迅速增加，N的增大导致n减小，当n=nt时，光子数N达到最大值Nmax，此后，光子数N不在增大，随时间的增长，由于nnt，N开始下降，但是由于N0，使n继续下降，最终激光脉冲熄灭。因为激光输出正比于腔内光子数N，所以激光器的输出同于腔内光子数的变化。3 常用的调Q方法根据Q调制的主被动性，调Q又分为主动调Q和被动调Q，下面分别介绍最常用的主、被动调Q方法。a).电光调Q（主动调Q）-适用于高功率激光器电光效应：某些各向同性的透明介质，在外加电场作用下，变为各向异性介质，使通过该介质的不同偏振方向的光波场之间产生相位差，从而使出射的光波场的偏振态发生变化，介质的

15、这种现象叫做电光效应。电光效应是Kerr1875年发现的，他发现某些透明介质加入电场后，折射率发生了变化，折射率随电场E成正比变化的效应称为普克尔效应，折射率随电场E的平方成正比变化的效应称为克尔效应。 输出镜 激光棒 起偏器 Q晶体（KD*P或KDP） 全反镜 Y X ZY 10M 触发电光调Q激光器一般采用的是普克尔效应调Q，常用的调Q晶体有：KD*P（磷酸二氘钾KD2PO4）和KDP（磷酸二氢钾KH2PO4）单轴晶体。下面以退压式电光调Q激光器说明调Q过程。Y(n2) Y X(n1)E0 n0E=0 45°X典型的退压式电光调Q激光器结构如上图。晶体的光轴Z与谐振腔腔轴平行，另

16、外两主轴Y和X分别与起偏方向垂直或平行，在上述调Q装置中，激光器偏振方向为Y方向。不加电压时，沿腔轴方向传播的Y方向偏振光与Q晶体的快、慢轴对应，故而Y方向振动的偏振光经过晶体后偏振方向仍为Y方向，此时谐振腔损耗最小；而当Q晶体沿光轴方向（Z方向）加电场后，就会发生双折射现象，例如KDP、KD*P，两主轴X、Y就会发生45°角偏转，对应折射率分别为，如右图所示。E越大，的差越大。这样Y方向偏振的光波场和X 方向偏振的光波场通过Q晶体后就会产生一相位差。若外加电场，两光波场的相位差为/2（90°）。因为Y与Y（起偏方向）成45°角，Y方向的偏振光入射Q晶体后，分解成

17、Y和X方向、且振幅相等的偏振方向垂直的两偏振光，出射晶体时，两偏振光相位差为/2（90°），合成圆偏振光，经反射镜发射后，再次经过Q晶体，又产生/2相位差，总相位差为/2+/2=，出射光仍为线偏振光，只是偏振方向旋转了90°角（沿X方向），不能通过起偏器，从而导致谐振腔损耗最大（H对应低Q值）。若泵浦开始时，Q晶体上加，谐振腔损耗最大（），激光器由于阈值高而不能起振，反转粒子数n可以积累到一个较高的水平，在恰当的时刻，给闸流管一个触发，将Q晶体的两电极短路，谐振腔变为低损耗（高Q值），激活介质所储存的能量在极短的时间内转变为激光能量，输出一个激光巨脉冲，脉冲宽度一般为102

18、0ns，峰值功率MW量级。输出镜 激光棒 染料 全反镜b)染料调Q（被动调Q）最简单的染料调Q激光器如右图。在激光谐振腔中加入一染料合或染料片，利用染料的饱和吸收特性来改变谐振腔的损耗。须注意的是：所选染料的光谱吸收峰应对应与激光器的输出波长重合或接近。泵浦开始时，由于反转粒子数n比较小，受激辐射弱，腔内光强弱，这时染料吸收系数大（高损耗），激光不能起振，反转粒子数n可以进一步增大，当n增大到一定程度，腔内光强也增大到一定程度，此时腔内光强I可以与染料的饱和吸收光强IS相比拟时，染料的吸收系数反而减小（染料的漂白），谐振腔损耗减小（低损耗），激光开始起振，这样在极短的时间内，将激光介质储存的能

19、量转变为激光能量，输出一个激光巨脉冲。染料调Q的优点：造价低，是一种被动快速调Q激光器，使用简单，容易调： 缺点：染料易变质，需经常换染料，激光输出不够稳定。4 锁模激光器调Q激光器的输出脉冲宽度一般为几十ns，为了获得更窄的激光脉冲输出，就需要采用锁模技术，锁模激光器输出脉冲宽度可达10ps（10-11s）,甚至更窄，称为超短脉冲。a)、模式锁定（锁模）的基本原理在非均匀加宽气体或均匀加宽固体激光器中，如果不采取选模措施，总是多纵模输出，且各纵模间初相位是随机分布的，互不相干，所以激光输出为各纵模无规则输出的叠加。若采用某种措施，使各振荡纵模的频率间隔保持一定（激光谐振腔的纵模间隔就是一个定

20、值），且具有确定的相位关系，则各振动纵模间干涉增强，输出一列时间间隔一定的超短脉冲串。设谐振腔内有，2N+1纵模起振，且各纵模振幅相同为E0，模式未锁定时，输出光功率应为：I=(2N+1)E02。若采用锁模措施，使各相邻纵模初相位差保持恒定（相位锁定），相位差为，则有 ： （2-1-8）相邻纵模角频率之差为=v/L，则第q模的角频率可表达为： -0模的角频率 （2-1-9）第q模的光波场为： （2-1-10）总的光波场为： （2-1-11）光强为： （2-1-12）当时，光强最大为： （2-1-13）比未锁模时输出光功率提高了2N+1倍。且腔长L越长，阈值线宽内纵模个数（2N+1）越多，脉冲峰

21、值功率越高。脉冲时间间隔为： （2-1-14）正好等于光波场在谐振腔内往返一周所需时间。脉冲序列如下图。 I(t) T0=2L/v 因为，脉冲半宽度（最大值的一半所对应的宽度）与峰值到第一个光强零点间的时间间隔近似相等，所以取为： （2-1-15） 既脉冲宽度阈值线宽的倒数。总结：锁模激光器，由于各纵模间的相位锁定，输出为一周期为，脉宽，峰值功率比未锁模时提高2N+1倍的超短脉冲序列。b)、锁模方法：与调Q类似，也分为主动锁模和被动锁模。分别介绍一种主动锁模和被动锁模方法。主动锁模又分为损耗内调制（或称振幅调制AM）和相位（或频率调制FM）。在主动锁模中主要介绍振幅调制锁模。、电光主动锁模 损

22、耗调制频率应为，既调制周期正好等于光波场在谐振腔内往返一周所需时间T0；全反镜 电光调制器 工作物质 起偏器 输出镜 锁模激光器结构如右图所示：谐振腔镜均作成契型，其余光学元件亦不能垂直入射，以免形成子谐振腔。调制器应尽量靠近全反镜。 调制过程：假设损耗调制器上加一正弦波信号V(t)=V0sint，由于起偏器既作为起偏器，又作为检偏器，V(t)每经过一次V=0，就出现一次损耗最小，所以损耗的变化频率是调制频率的2倍。由锁模对损耗频率的要求，所以损耗系数应为 （2-1-15）E(t)Eq TT(t) Tc TE(t)2Em TI(t) T2L/v透射率为： （2-1-16）现在来分析锁模激光器的起振过程。在激光器初始起振时，总是靠近增益曲线中心频率的纵模首先起振，其光波电场为： （2-1-17）光波场第一次经过电光调制器后，电场变为：，其中Ac=Tc*Eq，-调制深度。 一般取m1，以保证无失真调制，m包络线变化的振幅。将e(t)展开：G()Gt q-4 q-2 q q+2 q+4 q-1 +1-2 +2 -3 +3锁模过程示意图从上式可以看出，第一