第七章激光技术

1、 第七章第七章 激光技术激光技术数学与物理系数学与物理系 王晴晴王晴晴1什么是激光技术什么是激光技术答：根据不同的使用要求，采用一些专门的答：根据不同的使用要求，采用一些专门的技术手段来提高激光输出光束的质量和单项技术手段来提高激光输出光束的质量和单项技术指标。技术指标。(Laser Technology)27.1 7.1 光波的光波的调制调制7.27.2 电光调制电光调制7.37.3 声光调制声光调制7.47.4 磁光效应与磁光隔离器磁光效应与磁光隔离器7.57.5 调调Q Q技术技术7.6 7.6 锁模技术锁模技术7.7 7.7 选模技术选模技术7.8 7.8 稳频技术稳频技术一、光调制的

2、基本概念一、光调制的基本概念二、光调制的分类二、光调制的分类三、几种调制的简单介绍三、几种调制的简单介绍7.7.1 1 光波的光波的调制调制(Light Modulation)41.1. 载波载波(carrier):激光是一种光频电磁波，与无线电波类似可用来作为传递激光是一种光频电磁波，与无线电波类似可用来作为传递信息的载体信息的载体。2.2. 调制调制(Modulation):将信息加载于激光的过程。将信息加载于激光的过程。3.3. 解调解调(Demodulation):把调制信号还原成原来的信息的过程。把调制信号还原成原来的信息的过程。4.4. 调制器调制器(Modulator):完成将一

3、个携带信息的信号叠加到载波光波上这一完成将一个携带信息的信号叠加到载波光波上这一过程的器件。过程的器件。光调制：光调制：改变载波（光波）的振幅、强度、频率、相位、偏振等参数改变载波（光波）的振幅、强度、频率、相位、偏振等参数, ,使之使之携带信息的过程。携带信息的过程。一、光调制的基本概念一、光调制的基本概念1.1.根据调制器和激光器的相对关系：直接调制、内腔调制和外腔调制根据调制器和激光器的相对关系：直接调制、内腔调制和外腔调制；2.2.根据调制器的工作原理根据调制器的工作原理，可以分为电光调制、声光调制、磁光调制；可以分为电光调制、声光调制、磁光调制；3.3.按其性质可以分为：调幅、调频、

4、调相以及强度调制等；按其性质可以分为：调幅、调频、调相以及强度调制等；二、光调制的分类二、光调制的分类( )cos()cccce tAt振幅角频率相位角激光的电场强度是：激光的电场强度是：载波载波(carrier)(carrier)（7.1.1）1.1.振幅调制振幅调制（AM）（Amplitude Modulation)（7.1.1）（7.1.2）（7.1.3）三、几种调制的简单介绍三、几种调制的简单介绍定义：载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。定义：载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡，简称调幅。 cccctAte cos载波信号：载波信号： tAAtaAtAmmcc c

5、os 设设调调制制信信号号： ccmmcttAAte coscos调制光波：调制光波： cmcmcmcmccctAtAtAte cos2cos2cos（7.1.4） coscos21coscos利利用用三三角角函函数数公公式式：图图7.1.1 7.1.1 调幅波频谱调幅波频谱及及调幅信号调幅信号 AMAM无线电台和电视信号中的图像部分都是使用调幅来编码信息的。在调无线电台和电视信号中的图像部分都是使用调幅来编码信息的。在调幅中，正弦波的幅度（峰谷到峰顶之间的电压）是变化的。幅中，正弦波的幅度（峰谷到峰顶之间的电压）是变化的。 例如，一个人例如，一个人的说话声音产生的正弦波叠加到发射器的正弦波上

6、就使其幅度发生了变化。的说话声音产生的正弦波叠加到发射器的正弦波上就使其幅度发生了变化。2.2.频率调制（频率调制（FM)FM)和位相调制和位相调制(PM)(PM)定义：光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而变化的振荡。定义：光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而变化的振荡。因两种调制波都表现为总相位角因两种调制波都表现为总相位角 的变化，统称为角度调制。的变化，统称为角度调制。（7.1.5）（7.1.6）( ) t 为系数为系数其中其中设调制信号：设调制信号：fmmfccktAtataktt,cos cccctAte cos载载波波信信号号： 为为调调频频系系数数其其中中：调调频频波

7、波的的总总相相角角为为：mmffmfcccfcAkmtmtdttakt sin（7.1.7） tmtAtemfccc sincos 调调频频信信号号：（7.1.8）（7.1.9） sinsincoscoscos 利利用用三三角角函函数数公公式式：展开展开按按functions Bessel tmtAtemfccc sincos tmttmtAtemfccmfccc sinsinsinsincoscos cmcncmcnfncccfctntnmJAtmJAte cos1coscos10cm0.770.440.220.02图图7.1.2 7.1.2 角度调制波的频谱角度调制波的频谱及及角度调制信号

8、角度调制信号 当频率余弦波调制时，其角度调制波的频谱由光载频与在它两边对称当频率余弦波调制时，其角度调制波的频谱由光载频与在它两边对称分布的边频所组成。各边频间隔分布的边频所组成。各边频间隔m，各边频幅度大小由，各边频幅度大小由Jn（mf）决定。如决定。如mf=1时，时， J0（mf）=0.77， J1（mf）=0.44， 。 频谱分布如下图所示：频谱分布如下图所示： FMFM无线电台和数以百计的无线电技术（包括电视信号、无绳电话、无线电台和数以百计的无线电技术（包括电视信号、无绳电话、手机等）都是使用调频的。手机等）都是使用调频的。 调频的优点是很大程度上不受静电影响。在调频的优点是很大程度

9、上不受静电影响。在调频中，发射器正弦波的频率根据信息信号产生微小变化。调频中，发射器正弦波的频率根据信息信号产生微小变化。3.3.强度调制强度调制(IM)（Intensity Modulation)定义：光载波的强度（光强）随调制信号规律而变化的激光振荡。定义：光载波的强度（光强）随调制信号规律而变化的激光振荡。 ccctAtetI 222cos光强：光强： tAtamm cos 设设调调制制信信号号： 为强度调制系数为强度调制系数其中，其中，强度调制信号：强度调制信号：mppccmpcAkmttmAtetI 222coscos12光强调制波的频谱可用前面类似的办法求得，和调幅波略有不同，除了

10、光强调制波的频谱可用前面类似的办法求得，和调幅波略有不同，除了载频及对称分布的两边频之外，还有低频和直流分量。载频及对称分布的两边频之外，还有低频和直流分量。（7.1.10）（7.1.11）图图7.1.7.1.3 3 强度强度调制波的频谱调制波的频谱及强度调制信号及强度调制信号134.4.脉冲调制脉冲调制 以上几种调制方式所得到的调制波是一种连续振荡的波，称为模拟方以上几种调制方式所得到的调制波是一种连续振荡的波，称为模拟方式调制。目前光通信中还广泛采用一种不连续状态下进行调制的脉冲调制式调制。目前光通信中还广泛采用一种不连续状态下进行调制的脉冲调制和数字式调制（脉冲编码调制）。和数字式调制（

11、脉冲编码调制）。定义：用间歇的周期性脉冲作为载波，这种载波的某一参量按调制信号规定义：用间歇的周期性脉冲作为载波，这种载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。律变化的调制方法。PMPM方式下，只需简单地开关正弦波。这是一种发送摩尔斯式电码的简易方式。方式下，只需简单地开关正弦波。这是一种发送摩尔斯式电码的简易方式。小结小结1 1. .光调制：改变载波（光波）的振幅、强度、频率、相位、偏振等参数光调制：改变载波（光波）的振幅、强度、频率、相位、偏振等参数, ,使使 之携带信息的过程。之携带信息的过程。2 2. .调制器的分类：调制器的分类： 根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内腔调制和外

12、腔调制两种。根据调制器和激光器的相对关系，可以分为内腔调制和外腔调制两种。 根据调制器的工作原理根据调制器的工作原理，可以分为电光调制、声光调制、磁光调制和电可以分为电光调制、声光调制、磁光调制和电源调制。源调制。 激光调制按其性质可以分为：调幅、调频、调相以及强度调制等。激光调制按其性质可以分为：调幅、调频、调相以及强度调制等。3 3. .振幅调制、频率调制、相位调制、强度调制和脉冲调制。振幅调制、频率调制、相位调制、强度调制和脉冲调制。15一、电光效应一、电光效应二、电致折射率变化二、电致折射率变化三、电光相位延迟三、电光相位延迟7.2 7.2 电光调制电光调制物理基础：物理基础：电光效应

13、电光效应一、电光效应一、电光效应电光效应：电光效应：某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光场通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。场通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。晶体折射率可写为（当有外加电场时）：晶体折射率可写为（当有外加电场时）： 20hEE 。为未加电场时的折射率为未加电场时的折射率为常数；为常数；其中其中oh ,由一次项由一次项 引起的折射率变化称为线性电光效应或引起的折射率变化称为线性电光效应或泡克耳斯效应泡克耳斯效应; ;E 由二次项由二次项 引起的折射率变化称为二次电光效应或引起的折射率变化称为二次

14、电光效应或克尔（克尔（KerrKerr）效应）效应。2hE（7.2.7.2.1 1）二、电致折射率变化二、电致折射率变化（7.2.3）以以KDPKDP晶体为例晶体为例（x= y= o, z= e,以及以及 o e）。）。采用折射率椭球体方法，在未加外场时：采用折射率椭球体方法，在未加外场时：为主折射率。为主折射率。为介质的主轴方向；为介质的主轴方向；zyxzyxzyxzyx ,1222222 当晶体加外电场时，假设外电场方向平行于当晶体加外电场时，假设外电场方向平行于z z轴，则新方程为：轴，则新方程为：11y11222632026320 zExEeZZ （7.2.2）11y112226320

15、26320 zExEeZZ 06330006330022- ZyZxEE慢慢”轴轴方方向向传传播播速速度度减减慢慢，“沿沿快快”轴轴方方向向传传播播速速度度加加宽宽，“沿沿yx 当当KDPKDP晶体沿晶体沿z z轴加电场时，折射率椭球的主轴绕轴加电场时，折射率椭球的主轴绕z z轴旋转轴旋转4545( (与外加电与外加电场大小无关）场大小无关）; ;折射率变化与电场成正比。折射率变化与电场成正比。（7.2.4）（7.2.5）19三、电光相位延迟三、电光相位延迟36336322122212xynxooznyoozLn LnnELn LnnE33636322yxnnozoLnEnVzVE L沿沿z

16、z轴加的电压轴加的电压（7.2.6）当一束线偏振光沿当一束线偏振光沿z z轴方向入射晶体，轴方向入射晶体，E E矢量沿矢量沿x x方向，进入晶体后即分方向，进入晶体后即分解为沿解为沿xx和和yy方向的两个垂直偏振分量。当经过长度方向的两个垂直偏振分量。当经过长度L L后两偏振分量后两偏振分量的相位延迟分别为：的相位延迟分别为：当波长和电光晶体确定后，相位差的变化仅决定于外电压。相位延迟完当波长和电光晶体确定后，相位差的变化仅决定于外电压。相位延迟完全决定于电光效应造成的双折射。全决定于电光效应造成的双折射。一、声光调制的物理基础一、声光调制的物理基础二、声光互作用的两种类型二、声光互作用的两种

17、类型三、声光调制器三、声光调制器7.3 7.3 声光调制声光调制21一、声光调制的物理基础一、声光调制的物理基础物理基础：物理基础：声光相互作用声光相互作用 声波在介质中传播时，介质的折射声波在介质中传播时，介质的折射率沿声波的传播方向发生周期性变化。率沿声波的传播方向发生周期性变化。 介质就如同一个光学的介质就如同一个光学的“相位光相位光栅栅”。 当光波通过此介质时，就会产生光当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等的衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。都随着超声场的变化而变化。22超声行波在介质中的传播超声行波在介质中的传播超声驻波超声驻波结论

18、：结论：声行波形成的光栅以声声行波形成的光栅以声速向前推进，频率为速向前推进，频率为f fs s xktAkdtdatxxkAtxasssss sin,tcos, tsincos2tcoscos2,sssssxkAdtdaxkAtxa 结论：结论：声驻波在一个周期内，介质声驻波在一个周期内，介质两次出现疏密层，若超声频率为两次出现疏密层，若超声频率为f fs s，光栅出现和消失的次数为光栅出现和消失的次数为2f2fs s，光波，光波通过该介质后受到的调制频率为通过该介质后受到的调制频率为2f2fs s。23二、声光相互作用的类型二、声光相互作用的类型1.Raman-Nath衍射衍射特点：特点：

19、声波频率较低声波频率较低光波平行于声波面入射（垂光波平行于声波面入射（垂直于声场传播方向）直于声场传播方向）声光互作用长度声光互作用长度L L较短较短结论：结论：存在多级衍射，最强的以及光衍射效率也不会超过存在多级衍射，最强的以及光衍射效率也不会超过34%34%。242.Bragg衍射衍射特点：特点：声波频率比较高声波频率比较高光波与声波以一定的角度斜入射光波与声波以一定的角度斜入射声光互作用长度声光互作用长度L L比较长比较长 光波在介质中穿过多个声波面光波在介质中穿过多个声波面, ,当入射光与声波面间夹角满足一定条当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光相互干涉，各高级项衍射

20、光将互相抵消，只出件时，介质内各级衍射光相互干涉，各高级项衍射光将互相抵消，只出现现0 0级和级和+1+1级（级（-1-1级）衍射光。级）衍射光。结论：结论：理想的理想的BraggBragg衍射，入射光可以全部转化为衍射光，衍射效率衍射，入射光可以全部转化为衍射光，衍射效率达到达到100%100%。故声光调制器中多采用。故声光调制器中多采用BraggBragg衍射效应。衍射效应。25三、声光调制器三、声光调制器1 1、声光体调制器的组成、声光体调制器的组成（1 1）声光介质）声光介质（2 2）电声换能器（利用某些压电晶体，）电声换能器（利用某些压电晶体，石英等，在外加电场作用下产生机械振石英等

21、，在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波）动而形成超声波） （3 3）吸声（或反射）装置。）吸声（或反射）装置。 对于行波超声波，用来吸收已通过介质的残留超声波（防止返回对于行波超声波，用来吸收已通过介质的残留超声波（防止返回介质产生干扰）；对于驻波超声波，用反射装置以形成驻波。介质产生干扰）；对于驻波超声波，用反射装置以形成驻波。262.2.声光调制的工作原理声光调制的工作原理声光调制声光调制= =利用声光效应将信息加载于光频载波上。利用声光效应将信息加载于光频载波上。调制信号以电信号形式作用于电声换能器上调制信号以电信号形式作用于电声换能器上 超声超声场场 光强光强 强度调制波。强度调制

22、波。调制特性曲线调制特性曲线 类似于电光强度调制，一般情况下为非线性调制，需加超声类似于电光强度调制，一般情况下为非线性调制，需加超声偏置，使其工作在线性较好的区域。偏置，使其工作在线性较好的区域。27一、自然旋光效应一、自然旋光效应二、磁光效应二、磁光效应法拉第效应法拉第效应三、磁光调制器三、磁光调制器7.4 7.4 磁光效应与磁光隔离器磁光效应与磁光隔离器28一、自然旋光效应一、自然旋光效应1. 自然旋光现象自然旋光现象 一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时，其振动平面会相对原方向转过一个角度。由于石英晶体是单轴晶体，光沿着光轴方向传播不会发生双折射，因而该现象应属另外一种新现象，这就是

23、旋光现象旋光现象。 实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过实验证明，一定波长的线偏振光通过旋光介质时，光振动方向转过的角度的角度与在该介质中通过的距离与在该介质中通过的距离l成正比：成正比： =l 比例系数比例系数表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光波长、介质表征了该介质的旋光本领，称为旋光率，它与光波长、介质的性质及温度有关。的性质及温度有关。292.2.自然旋光现象的理论解释自然旋光现象的理论解释菲涅耳假设菲涅耳假设 线偏振光线偏振光= =右旋圆偏振光右旋圆偏振光+ +左旋圆偏振光左旋圆偏振光 菲涅耳认为：菲涅耳认为：在各向同性介质中，线偏在各向同性介质中，线偏振

24、光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度相振光的右、左旋圆偏振光分量的传播速度相等，因而其相应的折射率相等；在旋光介质等，因而其相应的折射率相等；在旋光介质中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同，其中，右、左旋圆偏振光的传播速度不同，其相应的折射率也不相等。相应的折射率也不相等。 在右旋晶体中，右旋圆偏振光的传播速在右旋晶体中，右旋圆偏振光的传播速度较快；在左旋晶体中，左旋圆偏振光的传度较快；在左旋晶体中，左旋圆偏振光的传播速度较快。播速度较快。右旋石英与左旋石英右旋石英与左旋石英 30二、磁光效应二、磁光效应法拉第效应法拉第效应1. 法拉第效应法拉第效应 本来不具有旋光性的介质，在强磁场作用下产生旋光

25、现象的效本来不具有旋光性的介质，在强磁场作用下产生旋光现象的效应叫磁致旋光效应，简称为磁光效应（法拉第效应）。应叫磁致旋光效应，简称为磁光效应（法拉第效应）。 振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度l和磁感应强度和磁感应强度B B成正比，即：成正比，即：=VBl 式中，式中，V V是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。是与物质性质有关的常数，叫维尔德常数。物物 质质 温温 度度 / /C C V V/ /弧度弧度/(/(特特米米) ) 磷冕玻璃磷冕玻璃轻火石玻璃轻火石玻璃水晶水晶( (垂直光轴垂直光轴) )食盐食盐水水磷磷二硫化碳二硫化碳 181818

26、18202016162020333320 20 4.864.869.229.224.834.8310.4410.443.813.8138.5738.5712.30 12.30 312.2.旋光现象的物理成因旋光现象的物理成因 当一束线偏光通过时，分解为左旋圆偏光和右旋圆偏光，它们通过当一束线偏光通过时，分解为左旋圆偏光和右旋圆偏光，它们通过厚度为厚度为L L的介质之后产生的相位延迟分别为：的介质之后产生的相位延迟分别为： LLLLRLR 22,22121通过介质后，又合成一线偏光，其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度：通过介质后，又合成一线偏光，其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度： LLR

27、21注意：注意：磁致旋光效应的旋转方向仅于磁场方向有关，而与光线传播方向磁致旋光效应的旋转方向仅于磁场方向有关，而与光线传播方向的正反无关。因此，当光通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角的正反无关。因此，当光通过磁光介质时，只要磁场方向不变，旋转角都朝一个方向增加。而晶体的双折射效应产生的自然双折射现象，当光都朝一个方向增加。而晶体的双折射效应产生的自然双折射现象，当光束往返穿过晶体时，因旋转角相等方向相反而互抵消。束往返穿过晶体时，因旋转角相等方向相反而互抵消。32二、磁光调制与磁光隔离器二、磁光调制与磁光隔离器 磁光调制：磁光调制：先将电信号转换成与之相对应的交变磁场，再由磁先将电信号

28、转换成与之相对应的交变磁场，再由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等光效应改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的。参量的目的。33 让偏振片让偏振片P P1 1与与P P2 2的透振方向成的透振方向成 4545角，调整磁感应强度角，调整磁感应强度B B，使从法，使从法拉第盒出来的光振动面相对拉第盒出来的光振动面相对P P1 1转过转过 4545，于是，刚好能通过，于是，刚好能通过P P2 2 ；但对；但对于从后面光学系统各界面反射回来的光，经于从后面光学系统各界面反射回来的光，经P P2 2和法拉第盒后，其光矢量和法拉第盒后，其光矢量与与P P1

29、 1垂直，因此被隔离而不能返回到光源。垂直，因此被隔离而不能返回到光源。34小结电光调制物理基础电光调制物理基础电光效应电光效应 某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光场通过某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光场通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。此介质时，其传输特性就受到影响而改变。声光调制物理基础声光调制物理基础声光相互作用声光相互作用 声波在介质中传播时，介质的折射率沿声波的传播方向发生周期性变声波在介质中传播时，介质的折射率沿声波的传播方向发生周期性变化；当光波通过此介质时会产生光的衍射。衍射光的强度、频率、方向等化；当光波通过此介质时会产生光的衍射

30、。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。都随着超声场的变化而变化。磁光调制物理基础磁光调制物理基础法拉第效应法拉第效应 本来不具有旋光性的介质，在强磁场作用下产生旋光现象，改变在介本来不具有旋光性的介质，在强磁场作用下产生旋光现象，改变在介质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的。质中传输的光波的偏振态，从而达到改变光强度等参量的目的。357.7.5 5 调调Q Q技术技术一、引入一、引入二、调二、调Q Q原理原理三、电光调三、电光调Q Q激光器激光器四、可饱和吸收调四、可饱和吸收调Q Q激光器激光器36一、引入一、引入现象：现象：一般固体脉冲激光器存在弛豫振荡现象

31、，输出激光为一无规尖一般固体脉冲激光器存在弛豫振荡现象，输出激光为一无规尖峰脉冲序列，其总的脉冲宽度持续几百微妙甚至几毫秒，峰值功率只峰脉冲序列，其总的脉冲宽度持续几百微妙甚至几毫秒，峰值功率只有几十千瓦的水平。有几十千瓦的水平。目的：目的：将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值将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。功率可提高几个数量级的一种技术。作用：作用：峰值功率达到兆瓦级，脉宽达到纳秒级。峰值功率达到兆瓦级，脉宽达到纳秒级。应用：应用：激光精密测距、激光雷达、告诉摄影、高分辨率光谱学研究等。激光精密测距、激光雷达、告诉摄影、

32、高分辨率光谱学研究等。3719611961年底，邓锡铭几乎与国外同时，独年底，邓锡铭几乎与国外同时，独立提出了高功率激光立提出了高功率激光Q Q开关原理。开关原理。 把把Q Q开关比喻为一个稍有漏水（自发开关比喻为一个稍有漏水（自发辐射跃迁）的抽水马桶，当水箱被灌辐射跃迁）的抽水马桶，当水箱被灌（光泵注入能量）满之后水箱地步的盖（光泵注入能量）满之后水箱地步的盖快速揭开（快速揭开（Q Q值突变），水（激光能量）值突变），水（激光能量）就一涌而出（激光峰值功率输出）。就一涌而出（激光峰值功率输出）。 采用调采用调Q Q技术很容易获得峰值功率高技术很容易获得峰值功率高于兆瓦、脉宽为数十纳秒的激光巨

33、脉冲。于兆瓦、脉宽为数十纳秒的激光巨脉冲。380022LEEQ 谐振腔品质因子谐振腔品质因子Q Q程程时时的的能能量量损损耗耗：光光在在腔腔内内传传播播一一个个单单：腔腔内内介介质质折折射射率率：腔腔长长；激激光光能能量量：光光在在腔腔内内每每秒秒损损耗耗的的：腔腔内内储储存存的的激激光光能能量量和和中中心心波波长长真真空空中中的的激激光光中中心心频频率率、 LEE :00 调调Q Q技术就是通过某种方法使腔的技术就是通过某种方法使腔的Q Q值（损耗）随时间按一定程序值（损耗）随时间按一定程序变化的技术。变化的技术。39二、调二、调Q Q原理原理（1 1）能量储存过程：）能量储存过程：在泵浦开

34、始时使谐振腔的损耗增大，即提高振荡阈值（在泵浦开始时使谐振腔的损耗增大，即提高振荡阈值（G=L/），使振），使振荡不能形成，上能级的反转粒子数密度荡不能形成，上能级的反转粒子数密度n n大量积累。大量积累。（2 2）激光产生和输出过程：）激光产生和输出过程：当积累到最大值（饱和值）时，突然使损耗变小，当积累到最大值（饱和值）时，突然使损耗变小，Q Q值突增，激光振荡值突增，激光振荡迅速建立，腔内很快建立极强的振荡，在短时间内迅速建立，腔内很快建立极强的振荡，在短时间内n大量被消耗，转变大量被消耗，转变为腔内的光能量，同时在输出镜端就有一个极强的激光脉冲输出。为腔内的光能量，同时在输出镜端就有一

35、个极强的激光脉冲输出。 在此过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，输出脉冲一定时脉宽窄在此过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，输出脉冲一定时脉宽窄（1010-9-9-10-10-8-8s s）、峰值功率高（大于）、峰值功率高（大于MWMW）。这种脉冲称为巨脉冲。）。这种脉冲称为巨脉冲。401.Q1.Q开关激光器开关激光器第一阶段：储能阶段，降低第一阶段：储能阶段，降低Q Q值，积累反转粒子数，相当于值，积累反转粒子数，相当于Q Q开关关闭开关关闭状态状态第二阶段：输出激光阶段，增大第二阶段：输出激光阶段，增大Q Q值，使输出激光，相当于值，使输出激光，相当于Q Q开关打开开关打开状态状态激光介质激光

36、介质转镜转镜半反半反激光介质激光介质 激光激光转镜转镜半反半反第一阶段：第一阶段：Q Q开关关闭开关关闭第二阶段：第二阶段：Q Q开关开启开关开启412.Q2.Q开关激光器的特点开关激光器的特点通过改变通过改变Q Q值值改变阈值，控制激光产生的时间改变阈值，控制激光产生的时间两阶段两阶段储能阶段储能阶段+ +激光产生输出激光产生输出开关时间开关时间从从Q Q值最小变到最大值最小变到最大Q Q值即损耗从最大变到值即损耗从最大变到最小需要的时间。最小需要的时间。 开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小分为快、慢两种类型。小分为快、慢两种类型。42

37、三、电光调三、电光调Q Q激光器（激光器（KDPKDP晶体）晶体）1.1.电光调电光调Q Q原理原理 电光调电光调Q Q装置示意图装置示意图利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗 沿晶体光轴方向沿晶体光轴方向z z施加一外电场施加一外电场E E , , 入射到晶体表面时光束分解为等幅入射到晶体表面时光束分解为等幅的的xx和和yy方向的偏振光方向的偏振光, ,在晶体中二者具有不同的折射率在晶体中二者具有不同的折射率x x和和y y。经。经过晶体长度过晶体长度d d距离后距离后, ,二偏振分量产生了相位差

38、二偏振分量产生了相位差：UEddxy 6330633022)(2 43第一阶段第一阶段 反转粒子数的积累阶段反转粒子数的积累阶段-Q-Q开关关闭开关关闭 当当=/2=/2时时，所需电压记作所需电压记作U U/4/4. . 线偏振光经电光晶体后线偏振光经电光晶体后, ,沿沿x和和yy偏偏振分量产生了振分量产生了/2/2延迟（偏延迟（偏45450 0）, ,经反射后再次通过晶体又产生经反射后再次通过晶体又产生/2/2延迟延迟, ,合成后虽仍是线偏振光合成后虽仍是线偏振光, ,但偏振方向垂直偏振器的偏振方向但偏振方向垂直偏振器的偏振方向, ,不能通过偏振器。不能通过偏振器。第二阶段第二阶段 输出激光

39、输出激光-Q-Q开关开启开关开启 突然撤去电光晶体两端的电压突然撤去电光晶体两端的电压, ,则偏振光的振动方向不再被旋转，相则偏振光的振动方向不再被旋转，相当于光开关被打开，则突变至低损耗、高当于光开关被打开，则突变至低损耗、高Q Q值状态值状态, ,于是形成巨脉冲激光。于是形成巨脉冲激光。只要给只要给KDPKDP晶体加以晶体加以U U/4/4电压，谐振腔的电压，谐振腔的Q Q值便很低，此时储能。当电压撤去值便很低，此时储能。当电压撤去瞬间，谐振腔瞬间，谐振腔Q Q值阶跃升高，工作物质储能迅速释放，结果形成激光巨脉冲。值阶跃升高，工作物质储能迅速释放，结果形成激光巨脉冲。442.2.电光调电光

40、调Q技术特点技术特点有较高的动态损耗（有较高的动态损耗（9999）和插入损耗（）和插入损耗（1515） 开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到10-9秒秒 典型的典型的Nd:YAGNd:YAG电光调电光调Q Q激光器的输出光脉冲宽度约为激光器的输出光脉冲宽度约为10-20ns，峰值功，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦率达到数兆瓦至数十兆瓦 适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损耗使激光器无法适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器振荡而不适用于连续泵浦激光器45四、可饱和吸收调四、可饱和吸收调Q Q激

41、光器（激光器（CrCr4+4+：YAG)YAG)定义：定义：根据某些物质对入射光具有强烈的非线性效应原理而形成的一种被根据某些物质对入射光具有强烈的非线性效应原理而形成的一种被动式调动式调Q Q。即利用某些可饱和吸收体本身特性，自动地改变。即利用某些可饱和吸收体本身特性，自动地改变Q Q值的方法。值的方法。分类：分类：可饱和吸收晶体、可饱和吸收染料可饱和吸收晶体、可饱和吸收染料优点：优点：结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小的结构简单，使用方便，无电磁干扰，可获得峰值功率大、脉宽小的巨脉冲巨脉冲011sII吸收系数吸收系数式中式中0 0是中心频率小信号是中心频率小信号吸收系

42、数吸收系数; ; I I 和和 I Is s 分别为人射光强分别为人射光强和饱和光强。和饱和光强。46透过率透过率T T随光强的变化随光强的变化光强很小时，吸收系数很大，光强很小时，吸收系数很大，I=0I=0时时, , = = 0 0，T T很小很小光强与饱和光强可相比拟时，吸收系数突然变小，透过率光强与饱和光强可相比拟时，吸收系数突然变小，透过率T T突然增大突然增大光强很大时，吸收系数很小，光强很大时，吸收系数很小，IIIIs s时时, , =0=0，T T很大很大47 工作原理工作原理在初始阶段，在初始阶段，CrCr4+4+:YAG:YAG的透过率的透过率T T较低较低，随着泵浦作用增益

43、介质的反转粒子，随着泵浦作用增益介质的反转粒子数数n n不断增加，当增益等于损耗时，不断增加，当增益等于损耗时，n n达到最大值，此时达到最大值，此时T T仍为初始值。仍为初始值。 随着泵浦的进一步作用，腔内光子数随着泵浦的进一步作用，腔内光子数N N不断增加，不断增加，T T也逐渐变大，并最终也逐渐变大，并最终达到饱和。此时，达到饱和。此时，T T突然增大突然增大，N N迅速增加，激光振荡形成。迅速增加，激光振荡形成。N N达到最大值时，激光为最大输出，此后，由于达到最大值时，激光为最大输出，此后，由于n n的减少，的减少，N N也开始减低，也开始减低，则则CrCr4+4+:YAG:YAG的

44、的T T也开始减低。当也开始减低。当N N降到初始值时，降到初始值时，CrCr4+4+:YAG:YAG的的T T也恢复到初始值，也恢复到初始值，调调Q Q脉冲结束。脉冲结束。487.6 7.6 锁模技术锁模技术调调Q Q技术与锁模技术比较：技术与锁模技术比较：相同：相同：应人们对高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的应用需求而发展起来的。应人们对高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的应用需求而发展起来的。不同：不同：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 Q技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级，峰值功率大技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级，峰值功率大10106 6W W以上以上 锁

45、模技术可将激光脉宽压缩至皮秒甚至飞秒量级，峰值功率科大锁模技术可将激光脉宽压缩至皮秒甚至飞秒量级，峰值功率科大10101212W W锁模技术就是获得超短脉冲的一种技术。本节简要了解锁模的基本锁模技术就是获得超短脉冲的一种技术。本节简要了解锁模的基本原理及方法。原理及方法。49一、锁模的基本原理一、锁模的基本原理1.1.未经锁定各纵模的相位差未经锁定各纵模的相位差此此无无关关在在未未锁锁模模时时，初初相相位位彼彼，且且、频频率率分分别别为为，传传播播、振振幅幅相相同同的的光光波波假假设设有有三三个个沿沿相相同同方方向向131232132 获得非相干光，激光输出随时间的变化时它们无规则叠加的结果，

46、是获得非相干光，激光输出随时间的变化时它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值。所形成的光波并没有在一个地方有很突出的一种时间平均的统计值。所形成的光波并没有在一个地方有很突出的加强。输出的光强只在平均光强基础上有一个小的起伏扰动。加强。输出的光强只在平均光强基础上有一个小的起伏扰动。502.2.锁定个纵模之间的相位差锁定个纵模之间的相位差 tEEtEEtEE1031021013216cos4cos2cos0 如，使如，使0111031t032t031t30tEEEEEE 时，时，当当时，时，当当时，时，当当，当当 由于相长性的干涉作用，由于相长性的干涉作用，周期性地出现了极大值周期性地出

47、现了极大值(I=9E(I=9E0 02 2) )。对于谐振腔内。对于谐振腔内存在多个纵模的情况，存在多个纵模的情况，结果类似。结果类似。513.3.锁模技术（锁相技术）锁模技术（锁相技术）采用适当的措施使各自独立的纵模在时间上采用适当的措施使各自独立的纵模在时间上同步，及把它们的相位相互联系起来，使之同步，及把它们的相位相互联系起来，使之有一确定的关系（有一确定的关系（q+1q+1- - q q= =常数），就可常数），就可获得脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲。获得脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲。使各纵模的相位角有一定关系的技术即锁使各纵模的相位角有一定关系的技术即锁模技术，又称锁相技术。模技术

48、，又称锁相技术。52 相相邻邻相相位位差差为为常常量量定定为为相相邻邻频频率率间间隔隔相相等等并并固固条条件件：221Lcq 2021231121221ENNcLtq 比于比于输出脉冲的峰值功率正输出脉冲的峰值功率正每个脉冲的宽度每个脉冲的宽度的规则脉冲序列的规则脉冲序列输出时间隔为输出时间隔为性质：性质： 53二、锁模方法二、锁模方法 主动锁模：主动锁模：在激光腔内插入一个调制器，调制器的调制频率应精确的等在激光腔内插入一个调制器，调制器的调制频率应精确的等于纵模间隔，这样可以得到重复频率为于纵模间隔，这样可以得到重复频率为f=c/2L的锁模脉冲序列。的锁模脉冲序列。 被动锁模：被动锁模：在

49、激光腔内插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗。当满足在激光腔内插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗。当满足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。 自锁模：自锁模：当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系，不需要再谐振腔内插入任何调制元间隔分布，并有确定的初相位关系，不需要再谐振腔内插入任何调制元件，就可以实现纵模锁定的方法。件，就可以实现纵模锁定的方法。 同步泵浦锁模：同步泵浦锁模：如果要通过周期性的调制谢政权的增益来实现锁模，则如果要通过周期性的调制谢政权的增益

50、来实现锁模，则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得。可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得。547.7 7.7 选模技术选模技术目的：目的：减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。模式：模式：腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。纵模：纵模：沿腔轴方向电磁场的本征态。纵模数表示激光振荡频率数，纵模沿腔轴方向电磁场的本征态。纵模数表示激光振荡频率数，纵模数越多，单色性越差。数越多，单色性越差。横模：横模：沿垂直腔轴方向的电磁场的本征态。不同横模，

51、光场分布不同，沿垂直腔轴方向的电磁场的本征态。不同横模，光场分布不同，发散角不同。横模数越多，方向性越差。发散角不同。横模数越多，方向性越差。应用：应用：如激光打孔要求方向性好；激光全息、精密干涉计量等要求单色如激光打孔要求方向性好；激光全息、精密干涉计量等要求单色性好。性好。55一、横模选择一、横模选择 考察两个最低阶次的横模考察两个最低阶次的横模TEMTEM0000和和TEMTEM1010模，假定激活介质对横模的增模，假定激活介质对横模的增益系数相同，若同时满足如下不等式，则激光器可实现单横模运转。益系数相同，若同时满足如下不等式，则激光器可实现单横模运转。 模的衍射损耗模的衍射损耗和和代

52、表代表，镜的反射系数；镜的反射系数；代表谐振腔的两个反射代表谐振腔的两个反射，模的小信号增益系数；模的小信号增益系数；和和代表代表，其中其中10001000211000010000102101000210001111TEMTEMTEMTEMGGGG 原则上采取一定的方法加大基模和高阶模的衍射损耗比，使高阶横模的损原则上采取一定的方法加大基模和高阶模的衍射损耗比，使高阶横模的损耗大于增益不能振荡，而基模满足阈值条件，达到选出基横模的目的。耗大于增益不能振荡，而基模满足阈值条件，达到选出基横模的目的。1.1.选择原则选择原则562.2.影响衍射损耗的因素影响衍射损耗的因素 与腔型和与腔型和g g参

53、数有关，不同的腔型和参数有关，不同的腔型和g g，衍射损耗不同；，衍射损耗不同； 同一种腔型，不同横模，衍射损耗不同；（基模最小，随着模序数增同一种腔型，不同横模，衍射损耗不同；（基模最小，随着模序数增加，衍射损耗越来越大。）加，衍射损耗越来越大。） 同一种腔型，菲涅尔数同一种腔型，菲涅尔数N N不同，衍射损耗不同。不同，衍射损耗不同。5722100221 WWLV 3.3.基模体积基模体积 横模体积表示某一模式在腔内所扩展的空间范围。一个模式体积的大横模体积表示某一模式在腔内所扩展的空间范围。一个模式体积的大小表示了对该模的振荡有贡献的反转粒子数的多少，因而影响输出功率小表示了对该模的振荡有

54、贡献的反转粒子数的多少，因而影响输出功率的大小。的大小。基模体积和腔型的关系：基模体积和腔型的关系： 增大腔镜的曲率半径增大腔镜的曲率半径R R，基模体积增大；，基模体积增大； 当当R R一定时，一定时，L L有最佳值，当有最佳值，当R=LR=L时，模集体最大。时，模集体最大。584.4.横模选择的方法横模选择的方法 改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选模性能；（气体激光器）谐振腔的选模性能；（气体激光器） 在一定的谐振腔内插入附加的选模元件来提高选模性能。（固体在一定的谐振腔内插入附加的选模元件来提高选模性能。（固体激光器）激光器）光阑法选模光阑法选模（1 1）小孔光阑选模小孔光阑选模（2 2）聚焦光阑法聚焦光阑法59二、纵模选择二、纵模选择LcNF 2qq ，其中，其中纵模数：纵模数： 首先选单横模振荡；首先选单横模振荡； 若在腔内引入一定的选择性损耗，使欲选的纵模损耗最小，而若在腔内引入一定的选择性损耗，使欲选的纵模损耗最小，而其余纵模的附加损耗较大，就可最终得到增益较大，损耗较小其余纵模的附加损耗较大，就可最终得到增益较大，损耗较小的中心频率所对应的单纵模。的中心频率所对应的