第四章激光Q开关及锁模技术

1、1光电子技术基础光电子技术基础授课班级授课班级: 1006211: 1006211、10062211006221、20062312006231、10061311006131授课教师授课教师: : 左青卉左青卉2主要内容主要内容第四章：激光第四章：激光Q开关及锁模技术开关及锁模技术 激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论1 1 电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术2 2 声光声光Q Q开关原理及技术开关原理及技术3 3 锁模技术锁模技术4 43主要知识要点主要知识要点q脉冲激光器工作原理脉冲激光器工作原理qQ调制技术原理调制技术原理qQ调制技术调制技术激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论

2、4激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论按激光器运转方式按激光器运转方式连续激光器连续激光器脉冲激光器脉冲激光器连续激光器连续激光器长脉冲激光器长脉冲激光器:0t:s激励持续时间激励持续时间激光上能级寿命激光上能级寿命st0st05激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论连续激光器连续激光器脉冲激光器脉冲激光器以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器和半导体激光器均属于此类。连续激光器输出功率一般比较低，器和半导体激光器均属于此类。连续激光器输出功率一般比较低，适合于要求激光连续工作（激光通信、激光手术灯）场合。适合于

3、要求激光连续工作（激光通信、激光手术灯）场合。长脉冲激光器长脉冲激光器泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。具有较大的输出功率，适用于激光打标、切割、测距等。常见的脉具有较大的输出功率，适用于激光打标、切割、测距等。常见的脉冲激光器有钇铝石榴石激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、氮冲激光器有钇铝石榴石激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、氮分子激光器和准分子激光器等。分子激光器和准分子激光器等。6脉冲激光器工作原理脉冲激光器工作原理q脉冲激光器中，在泵浦激励过程中，当工作物质中反转粒子数密脉冲激光器中，在泵浦激励过程中，当工作物质中反转粒子数密度度

4、n 增加到阈值增加到阈值 nt时就产生激光，形成第一个激光尖峰；时就产生激光，形成第一个激光尖峰；q当当 n 超过超过 nt 时，随着受激辐射的增强，上能级粒子数大量消时，随着受激辐射的增强，上能级粒子数大量消耗，反转粒子数耗，反转粒子数 n 迅速下降，直到迅速下降，直到 n 低于阈值低于阈值 nt 时，激光时，激光振荡迅速衰减；振荡迅速衰减；q然后泵浦的抽运又使上能级逐渐积累粒子形成第二个激光尖峰；然后泵浦的抽运又使上能级逐渐积累粒子形成第二个激光尖峰；q如此不断重复，便产生一系列小的尖峰脉冲。如此不断重复，便产生一系列小的尖峰脉冲。激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论7脉冲激光器输出特点

5、脉冲激光器输出特点q由于每个激光脉冲都是在阈值附近产生的，所以输出脉冲的峰值由于每个激光脉冲都是在阈值附近产生的，所以输出脉冲的峰值功率较低，一般为几十千瓦数量级。增大输入能量时，只能使尖功率较低，一般为几十千瓦数量级。增大输入能量时，只能使尖峰脉冲的数目增多，而不能有效地提高峰值功率水平；峰脉冲的数目增多，而不能有效地提高峰值功率水平；q在泵浦灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间较早，结束较在泵浦灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间较早，结束较晚，整个激光脉冲宽度很宽；晚，整个激光脉冲宽度很宽；q激光脉冲不够平滑。激光脉冲不够平滑。激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论8调调Q技术原理技

6、术原理q通过某种方法使谐振腔的损耗通过某种方法使谐振腔的损耗 (或或Q值值)按照规定的程序变化，按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始时，先使光腔具有高损耗在泵浦激励刚开始时，先使光腔具有高损耗 ，激光器由于阈值，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平；高的水平；q然后在适当时刻，使腔的损耗突然降低到然后在适当时刻，使腔的损耗突然降低到 ，阈值也随之突然降，阈值也随之突然降低，此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强；低，此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强；q于是于是, 在极

7、短时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转变为激在极短时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转变为激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。q采用调采用调Q技术很容易获得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十毫微秒技术很容易获得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十毫微秒的激光巨脉冲。的激光巨脉冲。激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论9调调Q技术技术q凡能使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作凡能使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作Q开关；开关；q常用调常用调Q方法有方法有电光调电光调Q、声光调声光调Q和饱和吸收调和饱和吸收调Q等；等；q前两种方法中谐振腔损耗由外部驱动源控制，

8、称为主动调前两种方法中谐振腔损耗由外部驱动源控制，称为主动调Q。后一种方法中，谐振腔损耗取决于腔内激光光强，因。后一种方法中，谐振腔损耗取决于腔内激光光强，因此称为被动调此称为被动调Q。激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论10电光效应电光效应q某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体的某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体的不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变化的现象称为化的现象称为电光效应电光效应。q电光晶体中折射率的变化和电场成正比的效应称为电光晶体中折射率的变化和电场成正比的效应称

9、为普克尔效应普克尔效应，折射率的变化和电场强度平方成正比的效应称为折射率的变化和电场强度平方成正比的效应称为克尔效应克尔效应。电光。电光调调Q就是利用晶体的就是利用晶体的普克尔效应普克尔效应来实现来实现Q突变的方法突变的方法q最常用的电光晶体主要有最常用的电光晶体主要有KH2PO4、LiTaO3、LiNdO3等等电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术11电光电光Q Q开关原理开关原理电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术12电光电光Q Q开关原理开关原理q未加电场前晶体的折射率主轴未加电场前晶体的折射率主轴 x，y，z ；q沿晶体光轴方向沿晶体光轴方向 z 施加一外电场施加一外电场 E

10、 ，由于普克尔效应，主轴变为，由于普克尔效应，主轴变为x，y，z；q令光束沿令光束沿 z 轴方向传播，经偏振器后变为平行于轴方向传播，经偏振器后变为平行于 x 轴的线偏振光，轴的线偏振光，入射到晶体表面时分解为等幅的入射到晶体表面时分解为等幅的 x和和y方向的偏振光；在晶体中方向的偏振光；在晶体中二者具有不同的折射率二者具有不同的折射率 ；q经过晶体长度经过晶体长度 d 距离后，二偏振分量产生了相位差距离后，二偏振分量产生了相位差 ；电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术13电光电光Q Q开关原理开关原理q当当 = /2 时，所需电压称作四分之一波电压，记作时，所需电压称作四分之一波电压，

11、记作V /4；电光晶电光晶体上施以电压体上施以电压 V /4 时，从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后，时，从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后，沿沿 x和和 x方向的偏振分量产生了方向的偏振分量产生了 /2 位相延迟，经全反射镜反射位相延迟，经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又将产生后再次通过电光晶体后又将产生 = /2 延迟，合成后虽仍是线偏延迟，合成后虽仍是线偏振光，但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向，因此不能通过偏振振光，但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向，因此不能通过偏振器。器。q这种情况下谐振腔的损耗很大，处于低这种情况下谐振腔的损耗很大，处于低Q值状态，激光器不能振值状态，激光器不能振荡

12、，激光上能级不断积累粒子；荡，激光上能级不断积累粒子；q如果在某一时刻，突然撤去电光晶体两端的电压，则谐振腔突变如果在某一时刻，突然撤去电光晶体两端的电压，则谐振腔突变至低损耗、高至低损耗、高Q值状态，于是形成巨脉冲激光。值状态，于是形成巨脉冲激光。电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术14电光电光Q Q开关技术特点开关技术特点q开关时间短开关时间短(约约 10-9s )，属快开关类型，适用于脉冲激光器，是目，属快开关类型，适用于脉冲激光器，是目前使用最广泛的一种前使用最广泛的一种Q开关；开关；q可以获得脉宽窄、峰值功率高的巨脉冲。典型的可以获得脉宽窄、峰值功率高的巨脉冲。典型的 Nd3+

13、 :YAG 电电光调光调Q激光器的输出光脉冲宽度为激光器的输出光脉冲宽度为 10-20ns，峰值功率可达数兆瓦，峰值功率可达数兆瓦至数十兆瓦；而对于钕玻璃调至数十兆瓦；而对于钕玻璃调Q激光器，不难获得数百兆瓦的峰激光器，不难获得数百兆瓦的峰值功率。值功率。电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术15声光介质声光介质q当声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的、当声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期变化，形成等效的位相光栅。光束射经此介质时发生衍射，一部

14、变化，形成等效的位相光栅。光束射经此介质时发生衍射，一部分光偏离原来方向。分光偏离原来方向。q常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。声光声光Q Q开关原理及技术开关原理及技术16布喇格衍射布喇格衍射声光声光Q Q开关原理及技术开关原理及技术现象现象：透射光束分裂为：透射光束分裂为0级与级与+1级或级或-1级衍射光，级衍射光，+1级或级或-1级衍射光与声波级衍射光与声波波面的夹角亦为波面的夹角亦为 。17布喇格衍射条件布喇格衍射条件q当声波频率较高；当声波频率较高；q声光作用长度声光作用长度 d 足够大足够大q入射光波与声波波面的夹角满入

15、射光波与声波波面的夹角满声光声光Q Q开关原理及技术开关原理及技术声波波长声波波长 光波波长光波波长获得高衍射效率的方法：提高超声驱动功获得高衍射效率的方法：提高超声驱动功18声光开关原理声光开关原理q声光声光Q开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成，换开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成，换能器的作用是将高频信号转换为超声波；能器的作用是将高频信号转换为超声波；q声光开关置于激光器中，在超声场作用下发生衍射，由于一级衍声光开关置于激光器中，在超声场作用下发生衍射，由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加，从而使激光振荡难以形成，激射光偏离谐振腔而导致损耗增加，从而使激光振荡难

16、以形成，激光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场，则衍射效应即光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场，则衍射效应即刻消失，谐振腔损耗突然下降，激光巨脉冲遂即形成。刻消失，谐振腔损耗突然下降，激光巨脉冲遂即形成。声光声光Q Q开关原理及技术开关原理及技术19声光声光Q Q开关技术特点开关技术特点q声光调声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间，属快开关类型；开关时间一般小于光脉冲建立时间，属快开关类型；q由于开关的调制电压只需由于开关的调制电压只需100多伏，所以可用于低增益的连续激多伏，所以可用于低增益的连续激光器，可获得峰值功率几百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率光器，可获得峰值功率几

17、百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲；巨脉冲；q声光开关对高能量激光器的开关能力差，不宜用于高能调声光开关对高能量激光器的开关能力差，不宜用于高能调Q激光激光器。器。声光声光Q Q开关原理及技术开关原理及技术20多纵模叠加特性多纵模叠加特性q一般一般非均匀加宽非均匀加宽激光器，如果不采取特殊选模措施，激光器，如果不采取特殊选模措施，总是得到总是得到多纵模输出多纵模输出，相邻两个纵模的角频率差，相邻两个纵模的角频率差Lcqqqq)(211锁模原理锁模原理第第n个纵模的角频率个纵模的角频率 ,其中其中 是中心纵模的角频率是中心纵模的角频率 n0则：第则：第n个纵模输出的电矢量为个纵模输出的电矢

18、量为0ntnineEtE00)(其中，各个模式的振幅其中，各个模式的振幅 、初位相、初位相 均无确定关系，各均无确定关系，各个模式互不相干，因而激光输出是它们的无规叠加的结果，个模式互不相干，因而激光输出是它们的无规叠加的结果，输出强度随时间无规则起伏。输出强度随时间无规则起伏。nEn21q设各模式的振幅相等，则设各模式的振幅相等，则n个纵模叠加后的电矢量个纵模叠加后的电矢量ntninntneEtEE00)(锁模原理锁模原理设光在腔内往复一周的时间设光在腔内往复一周的时间 ,cLT/2则：则：其中其中 是整数，则：是整数，则：n0nitniEaaaaaaaTtniETtEnnnn0000000

19、02expexpexp)(nnntEtniETtE)(exp)(000000因此，因此，E是一个以是一个以T为周期的函数。为周期的函数。 ,22q设各个纵模的初相位相同，设各个纵模的初相位相同，00n锁模原理锁模原理则：则：设纵模数目是奇数，则：设纵模数目是奇数，则：tiwtniettNEeEtENN0212102sin2sin)(00tnineEtE00)(23q光强为：光强为：2sin2sin)()()(2220ttNEtEtEtIL锁模原理锁模原理当当t=0, T, 2T, 时，时，NttN2sin2sin22得到：得到：202)(ENtIL24结论结论q由于各纵模的相位锁定，锁模激光器

20、可以输出一周期由于各纵模的相位锁定，锁模激光器可以输出一周期2L/c 的光脉冲序列；的光脉冲序列；q峰值功率较未锁定时大峰值功率较未锁定时大 N倍，一般峰值功率达到几千兆瓦是不困倍，一般峰值功率达到几千兆瓦是不困难的。难的。锁模原理锁模原理25q为了得到锁模超短脉冲，须采取措施强制各纵模初位相保为了得到锁模超短脉冲，须采取措施强制各纵模初位相保持确定关系，并使相邻模频率间隔相等；持确定关系，并使相邻模频率间隔相等；q前采用的锁模方法可分为前采用的锁模方法可分为主动锁模主动锁模与与被动锁模被动锁模两类两类q主动锁模又可分为主动锁模又可分为振幅调制锁模振幅调制锁模和和相位调制锁模相位调制锁模锁模技

21、术锁模技术26q如果在腔内插入一个振幅调制器，其调制频率如果在腔内插入一个振幅调制器，其调制频率)2( Lc锁模技术锁模技术未加调制前，增益曲线中心附近的纵模电矢量可写为：未加调制前，增益曲线中心附近的纵模电矢量可写为： tEtEccos0加调制前，电矢量以频率加调制前，电矢量以频率 周期变化，设其按周期变化，设其按余弦函数变化，则：余弦函数变化，则：)2( Lc tftMEtEc2cos2cos10M为调制度，大小决定于调制信号的大小，将上式展开得：为调制度，大小决定于调制信号的大小，将上式展开得：振幅调制主动锁模振幅调制主动锁模27锁模技术锁模技术 tfMEtfMEtEtEcc2cos22

22、cos22cos0000振幅调制主动锁模振幅调制主动锁模q可见，调制的结果使中心纵模振荡不仅包含原有频率可见，调制的结果使中心纵模振荡不仅包含原有频率 的成的成分，还含有频率为分，还含有频率为 ，初位相不变的两个边带，边带，初位相不变的两个边带，边带的频率正好等于无源腔中的邻模频率。的频率正好等于无源腔中的邻模频率。q这就是说，在激光器中，一旦在增益曲线的某个频率这就是说，在激光器中，一旦在增益曲线的某个频率 形成形成振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡，这两个相邻模幅度振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡，这两个相邻模幅度调制的结果又将产生新的边频，因而激起频率为调制的结果又将产生新的边频，因而

23、激起频率为 模模式的振荡，如此继续下去，直至线宽范围内的纵模均以同样式的振荡，如此继续下去，直至线宽范围内的纵模均以同样的相位振动起来，也就是它们的相位同时被锁定。的相位振动起来，也就是它们的相位同时被锁定。0f00f2028q由于实际激光器为有源腔，有源腔中存在着由于实际激光器为有源腔，有源腔中存在着频率牵引频率牵引和和频率推斥频率推斥效应效应，所以自由振荡的各纵模频率和调制后产生的诸边带频率有，所以自由振荡的各纵模频率和调制后产生的诸边带频率有一微小的差别，自由振荡的相邻纵模间隔不相等，诸模式的初位一微小的差别，自由振荡的相邻纵模间隔不相等，诸模式的初位相也没有确定的关系。但当二者的频率差

24、别十分微小，边带振幅相也没有确定的关系。但当二者的频率差别十分微小，边带振幅足够强时，发生注入锁定效应，自由振荡模被抑制，或者说自由足够强时，发生注入锁定效应，自由振荡模被抑制，或者说自由振荡模被中心纵模的诸边带所俘获。振荡模被中心纵模的诸边带所俘获。q调由于调幅产生的相邻纵模间的能量耦合使所有纵模都调由于调幅产生的相邻纵模间的能量耦合使所有纵模都具有相同具有相同的初位相的初位相，即各，即各纵模的相位被锁定纵模的相位被锁定，且相邻纵模频率间隔均等于，且相邻纵模频率间隔均等于 f=c/2L ，于是各纵模相干叠加的结果产生超短脉冲，于是各纵模相干叠加的结果产生超短脉冲锁模技术锁模技术29q我们还可

25、以从另一角度来理解超短脉冲的形成。由于损耗调制的频我们还可以从另一角度来理解超短脉冲的形成。由于损耗调制的频率正好是率正好是 c/2L，损耗调制的周期正好是脉冲在腔内往返一次所需，损耗调制的周期正好是脉冲在腔内往返一次所需的时间的时间 T0 ( T0=2L /c )。则调制器损耗。则调制器损耗 是周期为是周期为T0 的函数：的函数：q设光信号在设光信号在 t1 时刻通过调制器，并且时刻通过调制器，并且 ，则在，则在t+T0 时刻时刻此信号将再次无损地通过调制器。对于此信号将再次无损地通过调制器。对于 t2 时刻通过调制器的光信时刻通过调制器的光信号而言，若号而言，若 ，则每次经过调制器时都要损

26、失一部分能，则每次经过调制器时都要损失一部分能量。这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那部分光信量。这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那部分光信号能形成振荡，而光信号的其余部分因损耗大而被抑制，因此形号能形成振荡，而光信号的其余部分因损耗大而被抑制，因此形成周期为成周期为 2L/c 的窄脉冲输出。的窄脉冲输出。锁模技术锁模技术振幅调制主动锁模振幅调制主动锁模30相位调制主动锁模相位调制主动锁模q相位调制又称频率调制。在激光器谐振腔内插入一电光晶相位调制又称频率调制。在激光器谐振腔内插入一电光晶体，利用晶体折射率随外加电压的变化，产生相位调制。体，利用晶体折射率随外加电压的变化，产

27、生相位调制。 设调制器在光通过的方向上长度设调制器在光通过的方向上长度L，外加调制信号电压以，外加调制信号电压以角频率角频率 周期变化，即：周期变化，即：tUumcos0m 则折射率的变化量为：则折射率的变化量为： tkUtn00cos 其中，其中，k表示比例系数，由调制器性质决定。表示比例系数，由调制器性质决定。锁模技术锁模技术31q则光通过调制器时产生的相位延迟则光通过调制器时产生的相位延迟 ，其值为：，其值为：q上式表明，除了在相位调制函数极值时通过调制器的那部分上式表明，除了在相位调制函数极值时通过调制器的那部分光信号不产生频移外，其他时刻通过调制器的光信号均经受光信号不产生频移外，其

28、他时刻通过调制器的光信号均经受不同程度的频移；不同程度的频移；q如果调制相位的周期与光在腔内运行的周期一致，则经受频如果调制相位的周期与光在腔内运行的周期一致，则经受频移的光信号每经过调制器一次都要再次经受频移，最后因移移的光信号每经过调制器一次都要再次经受频移，最后因移出增益曲线以外而猝灭。出增益曲线以外而猝灭。q只有那些在相位调制函数极值时通过调制器的光信号才能形只有那些在相位调制函数极值时通过调制器的光信号才能形成振荡，因而产生超短光脉冲序列。成振荡，因而产生超短光脉冲序列。 t tkdttdtdmsin锁模技术锁模技术32q在谐振腔中插入一薄层饱和吸收体在谐振腔中插入一薄层饱和吸收体(如染料盒如染料盒)可构成被动锁模激可构成被动锁模激光器。饱和吸收体的透过率与光强有关，如图所示。光器。饱和吸收体的透过率与光强有关，如图所示。被动锁模被动锁模锁模技术锁模技术q 将饱和吸收体放在谐振腔中，泵浦过程开始时，由于其吸收系数大，将饱和吸收体放在谐振腔中，泵浦过程开始时，由于其吸收系数大，谐振腔损耗很大，激光器不能起振。谐振腔损耗很大，激光器不能起振。q随着激光工作物质中反转集居数的积累，放大的自发辐射逐渐增加，随着激光工作物质中反转集居数的积累，放大的自发辐射逐渐增加，当光强与饱和吸收体的当光强与饱和吸收体的 Is