激光原理第四章

1、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技术第四章 激光的基本技术4.7 激光锁模技术4.6 激光调Q技术 激光调Q概念 调Q原理 调Q方法 本节目标本节目标：掌握激光调：掌握激光调QQ的目的、概念、方法、原理。的目的、概念、方法、原理。 本节任务本节任务：会叙述调：会叙述调QQ技术的必要性、手段、原理。技术的必要性、手段、原理。4.6 激光调Q技术4.6 激光调Q技术一、调Q概念每振荡周期损耗的能量谐振腔内储存的能量2Q品质因子与谐振腔的单程总损耗的关系为： 总aPWQ224.6 激光调Q技术二、调Q原理总aPW

2、Q22 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。4.6 激光调Q技术二、调Q原理总aPWQ22 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多而不发生振荡；4.6 激光调Q技术二、调Q原理总aPWQ22当粒

3、子数密度反转数达到峰值时，突然使腔的Q值增大，将导致激光介质增益大大超过阈值，及其快速的产生振荡。此时储存在亚稳态上的粒子所具有的能量会很快转换为光子能量，光子像雪崩一样以极高的速率增长，激光器便可以输出一个峰值功率高，宽度窄的激光巨脉冲。用调节谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲的技术称为激光调Q技术 调Q激光脉冲的建立过程中，各参量随时间的变化情况：QQ开关激光脉冲建立过程开关激光脉冲建立过程4.6 激光调Q技术二、调Q原理图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化；图(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)；图(c)表示粒子反转数n的变化；图(d)表示腔内光子数随时间的变化。1、电光 调Q4.6

4、激光调Q技术三、调Q方法电光调Q装置示意图 如果在调制晶体上施加4电压，往返一次总共产生 相位差，合成后得到原偏振方向垂直振动的线偏振光，相当于偏振面相对于入射光旋转了900，显然，这种偏振光不能再通过偏振棱镜，此时，电光Q开关处于“关闭”状态。因此，如果在氙灯刚开始点燃时，事先在调制晶体上加上 4电压，使谐振腔处于“关闭”的低Q值状态，阻断激光振荡的形成。1、电光 调Q4.6 激光调Q技术三、调Q方法电光调Q装置示意图待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去晶体上的 4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。电光调Q具有开关时间短，效率高，调Q时刻

5、可以精确控制，输出脉冲宽度窄，峰值功率高等优点。 调Q激光器与普通脉冲激光器相比，它具有超临界振荡的持点，因此，对Q开关器件、激光工作物质、光泵浦灯以及耦合输出条件等有一些新的要求。* 设计电光调Q激光器应考虑的问题a、调制晶体材料的选择 电光晶体的质量对调Q性能起着很重要的作用，目前能够获得较高光学质量的线性电光晶体材料还是有限的。1 消光比要高；2 透过率要高；3 半波电压要低；抗破坏阈值要高等。三、调方法4.6 激光调Q技术电光调Q装置示意图d、对光泵浦灯的要求 要求泵浦灯的发光时间（脉冲波形的半宽度）必须小于工作物质的荧光寿命（激光上能级寿命）。但是，灯光半波宽度太窄，灯的效率又会降低

6、，故应根据激光工作物质，选择二者匹配比较好的泵灯。e、对Q开关控制电路的要求 要获得最佳的调Q效果，要求Q开关速度要快，必须精确设计各部分电路，使其能很好地协调。三、调方法* 设计电光调Q激光器应考虑的问题4.6 激光调Q技术电光调Q装置示意图电极的结构形式及晶体接触的好坏直接影响晶体内电场的均匀性，一个极不均匀的电场可能导致器件失去调Q效应。因此，晶体内具有均匀的电场是设计电极结构的基本出发点。b、调制晶体的电极结构三、调方法 需要有高质量的激光工作物质，具备储能密度高的性能，还要求有较高的抗强光破坏阈值，能承受较高的激光功率密度。c、对激光工作物质的要求* 设计电光调Q激光器应考虑的问题电

7、光调Q装置示意图4.6 激光调Q技术试简单论述声光调Q如何得到一个强激光脉冲输出过程？2、声光 调Q4.6 激光调Q技术三、调Q方法图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。声光调Q装置示意图3、燃料调Q4.6 激光调Q技术三、调Q方法不论是转镜、电光还是声光调Q技术，Q开关开启的延迟时间都是可控的，因此，习惯上统称这一类技术为主动调Q技术；对于燃料调Q技术，它是利用某种材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性来达到调Q的目的。由于这类材料Q开关延迟时间是由材料特性决定（非人为控制），所以这一类技术称为被动调

8、Q技术；3、燃料调Q4.6 激光调Q技术三、调Q方法它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。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。011sII染料调Q装置示意图其吸收系数可以由下式表示：3、燃料调Q4.6 激光调Q技术三、调Q方法染料调Q装置示意图*选择染料要考虑的几个方面 1）燃料吸收峰的中心波长应和激光波长基本吻合； 2）燃料应有适当的饱和光强； 3）燃料应具有一定的稳定性和保存期，以利于实用。 调Q激光器的工作方式是多种多样的，且都具有各自的特点，在不同的应用中可以选用，现归纳如下：总结：三、调方法 (1)电光晶体调Q

9、由于其开关时间主要取决于电路的高压脉冲上升和退压时间，一般都能做到小于脉冲建立时间，故属于快开关类型。它能产生窄脉冲，且同步性能好，使用寿命长，输出巨脉冲稳定。可获得峰值功率为几十兆瓦以上、脉宽为十几纳秒的巨脉冲，故是目前应用最广泛的一种Q开关，其主要缺点是半波电压较高，需要几千伏的高压脉冲，对其他电子线路易造成干扰。4.6 激光调Q技术 (2)声光调Q 其开关时间小于脉冲建立时间，属于快开关类型。开关的调制电压只需一百多伏，易与连续激光器配合调Q，可获得kHz高重复频率的巨脉冲，且脉冲的重复性好，可获得峰值功率为几百千瓦，脉宽约为几十纳秒的巨脉冲。但由于它对高能量激光器的开关能力较差，所以，

10、只能用于低增益的连续激光器上。 (3)可饱和吸收体调Q 这是一种被动式的快开关类型，这种Q开关结构简单，使用方便，没有电的干扰，可获得峰值功率为几兆瓦、脉宽为十几纳秒的巨脉冲。其主要缺点是，由于它是一种被动式Q开关，产生调Q脉冲的时刻有一定的随机性，不能人为地控制。另外，染料易变质，需经常更换，输出不稳定。总结：三、调方法4.6 激光调Q技术4.6 激光调Q技术 激光调Q概念 调Q原理 调Q方法主要讲以下几个问题：1、自由运转多模激光器的输出特性2、锁模原理3、锁模方法4.7 激光锁模技术 本节目标本节目标：掌握激光锁模的概念、分类，理解其原理。：掌握激光锁模的概念、分类，理解其原理。 本节任

11、务本节任务：会叙述锁模技术的目的、分类、结果。：会叙述锁模技术的目的、分类、结果。4.7 激光锁模技术 每个纵模的电场表达式 相邻纵模间的频率间隔 qqqqtEtEcosLvLvqq2 qqtiqqeEtE总的输出aqq1tE一、自由运转（非锁模）多模激光器的输出特性各纵模建立时间不同，Eq, wq和位相不同，输出为多个纵模无规叠加的结果4.7 激光锁模技术二、锁模原理 多纵模相位锁定aqq1锁模物理机制：采取措施使腔内各个纵模的初始相位保持一致或各纵模间有确定的相位关系, 输出为等间隔短脉冲序列。举例: 三个纵模锁定后的光波叠加tEEtEEtEE1031021016cos4cos2cos（振

12、幅相等）（初始相位为0）4.7 激光锁模技术n1 , n2 , n3 n2 = 2n1, n3 = 3n1 E1 = E2 = E3 = E0 , 1 = 2 = 3 = 0tEEtEEtEE1031021016cos4cos2cos202003211030211030211202003219310,21320,2131930EEEEEEEEtEEEEEEtEEEEEEtEEEEEEEEt极大值极大值极大值极大值极小值极小值极小值极小值0.00.30.60.91.21.51.8-101E(t)t讨论: 假设 2N+1 个模振荡, 振幅相同 (E0)qqqq01Lcq相邻纵模间相位差相邻纵模角频

13、率间隔 0000coscoscosNNqNqNE tEqtqEtqt 锁定时q-N-(N-1)-2-1012(N-1)Nq0-N0-(N-1)0- 00+0+(N-1)0+Nq-N-(N-1) -0(N-1) N ttNEtA21sin1221sin0 001sin212cos1sin2NtE tEtt .振幅调制包络振幅讨论: 假设 2N+1 个模振荡, 振幅相同 (E0) 0000coscoscosNNqNqNE tEqtqEtqt 锁定时 ttNEtA21sin1221sin0 001sin212cos1sin2NtE tEtt 振幅0.00.30.60.91.21.51.8-101E(

14、t)t0.00.30.60.91.21.51.80246810I(t)t三、锁模脉冲特性 (1) 峰值功率 Im (光强极大值) 20212102ENI.,mmtm极大值 锁模后脉冲峰值功率是未锁模时的（2N1）倍 模式个数多有利于锁模脉冲峰值功率的提高 振荡模式增多的途径：模式个数(2) 锁模脉冲间隔相邻脉冲极大值之间间隔 (T0) tsintNsinEtAtI211221222022012ENI未锁定时qcLT1220Lq F（荧光线宽宽）FoscqNNcLN111211212122(3) 脉冲宽度 (t) 可通过DnF 估算锁模脉宽 钕玻璃 DnF 7.51012 ps激光器类型激光器类

15、型荧光线宽荧光线宽（s s-1-1）荧光线宽的倒数荧光线宽的倒数(s)(s)脉冲宽度脉冲宽度（测量值）（测量值）(s)(s)氦氖1.51096.6610-10610-10Nd:YAG1.9510115.210-127.610-12钕玻璃7.510121.3310-13410-13若丹明 6G5101231013210-13310-14310-14GaAlAs (0.85m)101310-130.53010-12InGaAsP (1.55m)1012101310-1210-1345010-12钛宝石 (900nm) 1014fs(1) 振幅调制 (AM)法锁模 （损耗调制锁模）损耗调制器工作物质

16、E1(t)E2(t)E3(t) 0000coscosttEEtEm 0000coscos1ttMEtEa .cos2cos2cos0000000000tEMtEMtEtEaa0EEMma其中(调幅系数)LLqq2四、锁模方法 主动锁模(Actively mode locked)* 振幅调制 相位调制 被动锁模(Passive mode locking) 可饱和吸收体 4.7 激光锁模技术损耗调制频率损耗调制周期 Lc2cLT 20周期为T0，宽度极窄的光开关 0011Ttt此刻光信号可无损通过，经 t1NT0，此信号将再次无损通过； 02tt2时刻光信号 每次经过调制器则损失一部分能量；结果：

17、 的光信号，能形成光振荡，其余光信号 01ttt1t2t损耗调制器（光开关）工作物质LcLcqq2tcL4cL2)(tA从时域角度解释AM锁模000202003030从频域角度（均匀加宽）000Lvq(2) 相位调制锁模 (频率调制)随外加电压变化lEcclzxx26330tEEzcos001122 ttcos相位调制函数 相位调制幅度.脉冲在时域上被压窄的同时，在频域上被加宽 ttEtEcoscos0000t= t0 , t1, t2, t3 . 0tt= t0 , t1, t2, t3 .每经过调制器一次会产生频移, 使频移增大，最终导致光频移出增益曲线外，不再被放大.频率偏移 dttdt

18、 ttsin0故相位调制器的作用类似损耗调制器。相位调制器工作物质 ttcosLcLcqq2(2) 相位调制锁模 (频率调制)随外加电压变化4.7 激光锁模技术Saturable absorber锁模机理：利用其快速饱和特性来压缩脉冲。脉冲两翼较脉冲中部经历更多损耗，足够强的脉冲中部光强可使吸收饱和，最终使两翼光强越来越低，脉冲顶部越来越高，脉冲被压窄。1102I/IsT0.40.60.81.0 半导体吸收介质：单层或许多量子阱层堆叠；超晶格结构3)饱和吸收体被动锁模4.7 激光锁模技术被动锁模条件：1、燃料的吸收线应和激光波长很接近；2、吸收线的线宽要大于或等于激光线宽；3、驰豫时间应短于脉

19、冲在腔内往返一次的时间。3)饱和吸收体被动锁模4.7 激光锁模技术4.7 激光锁模技术0102030-10-8-6-4-20246810Et主要讲以下几个问题：1、自由运转多模激光器的输出特性2、锁模原理3、锁模方法4.7 激光锁模技术4.8 激光器的泵浦技术 直接泵浦 间接泵浦泵浦源将粒子由基态直接泵浦到激发态。直接泵浦4.8 激光器的泵浦技术泵浦源不是粒子由基态直接泵浦到激发态，而是通过一中间态能级Ei做一个中间转移过程，最后使粒子达到激发态的过程叫间接泵浦。间接泵浦对粒子泵浦：一、直接泵浦4.8 激光器的泵浦技术131313BBcIW1.8931333113138AhcBggB1313KNWp1. 9013113pK13113ppNW eeeNW13131. 91缺点（三能级系统）一、直接泵浦 4.8 激光器的泵浦技术1、从基态到激发态泵浦效率低；粒子泵浦的13光泵浦的B13太小2、即使泵浦效率足够，但同一过程也可能发生在E1和E2之间，使得粒子数反转难以形成。依照中间态Ei相对激发态Eu的 高低，