光dianzi学-第二章

1、 激光原理激光原理 II激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性由于激活腔内光强分布不均匀，精确计算腔内各点光强是个复杂的问题。本节由于激活腔内光强分布不均匀，精确计算腔内各点光强是个复杂的问题。本节由增益饱和效应出发由增益饱和效应出发估算估算稳态工作时的腔内平均光强，并在此基础上给出稳态工作时的腔内平均光强，并在此基础上给出粗略粗略估算输出功率估算输出功率的方法。的方法。连续激光器的输出功率连续激光器的输出功率n按照工作方式不同，激光器分为两类按照工作方式不同，激光器分为两类:连续激光器、脉冲激光器。连续激光器、脉冲激光器。 以不间断方式输出激光即为连续式，每间隔一

2、段时间才输出一次即为脉冲式以不间断方式输出激光即为连续式，每间隔一段时间才输出一次即为脉冲式n本章的内容：本章的内容：一、连续激光器的输出功率、振荡模式特性和模式选择一、连续激光器的输出功率、振荡模式特性和模式选择二、脉冲激光器的尖峰和驰豫振荡、调二、脉冲激光器的尖峰和驰豫振荡、调Q和锁模的基本原理和锁模的基本原理激光器的工作和输出特性如果腔内某一振荡模式的频率为如果腔内某一振荡模式的频率为n nq，开始时，开始时，G(n(nq,I ,In nq)Gt，腔内光强，腔内光强In nqh h。当当In nq增增至一定值时，出现增益至一定值时，出现增益饱和效应，随饱和效应，随Iqh h，G(n nq

3、,In nq)i i，直到降至，直到降至G(n nq,In nq)=Gt，增益，增益和损耗达到平衡，和损耗达到平衡，Iq不再增加。这时，激光器建立了稳定工作状态。不再增加。这时，激光器建立了稳定工作状态。连续激光器的输出功率连续激光器的输出功率但是，不管激发强或弱，稳态工作时激光器的信号增益系数总但是，不管激发强或弱，稳态工作时激光器的信号增益系数总是等于是等于Gt ！当外界激发作用增强时，小信号增益系数当外界激发作用增强时，小信号增益系数G0(n n)增大，即饱和光强增大，此时增大，即饱和光强增大，此时In nq必须必须增加到一个更大的值才能出现增益饱和效应，使增加到一个更大的值才能出现增益

4、饱和效应，使G(n nq,In nq)降低到降低到Gt并建立起稳定工作并建立起稳定工作状态，因此激光器的输出功率增加。状态，因此激光器的输出功率增加。n激光器的稳定输出状态是如何建立起来的激光器的稳定输出状态是如何建立起来的?n如何增大激光器的输出功率如何增大激光器的输出功率?激光器的工作和输出特性均匀加宽单模激光器的输出功率均匀加宽单模激光器的输出功率0()()1qqsqGlIInnnLT1=0T2=TqInqInn均匀加宽放大器的增益系数为：均匀加宽放大器的增益系数为：0()(,)1()qqqqsqGGIIlInnnnnn腔内均匀加宽介质中建立起的稳态光强为：腔内均匀加宽介质中建立起的稳态

5、光强为：2qqqqIIIInnnnn从激光器中输出的激光束光强为：从激光器中输出的激光束光强为：1()2qqoutqIITITnnn激光器的工作和输出特性均匀加宽单模激光器的输出功率均匀加宽单模激光器的输出功率0()11()2()()12qoutqqoutqsqGlPAAIATTIInnnnn0000()()()qqptqtptGlGlWnGlnWnnn1()()12poutqsqptWPATIWnnn从激光器中输出的激光束功率为：从激光器中输出的激光束功率为：A是输出截面积是输出截面积n激光器的激光输出功率与泵浦速率的关系：激光器的激光输出功率与泵浦速率的关系：LT1=0T2=TqInqIn

6、激光器的工作和输出特性非均匀加宽单模激光器的输出功率非均匀加宽单模激光器的输出功率n非均匀加宽单模激光器的非均匀加宽单模激光器的输出功率为：输出功率为：()qoutqPATInnn多普勒加宽放大器的增益双烧孔效应：多普勒加宽放大器的增益双烧孔效应：n腔内非均匀加宽介质中建立起的稳态光强为：腔内非均匀加宽介质中建立起的稳态光强为：200()()(,)()11()qqqDqDqDqsqsqGGlGIIIlIInnnnnnnn00qzVcnnn In nq分别与运动方向相反的两组原子相互作用，引起分别与运动方向相反的两组原子相互作用，引起增益饱和，出现增益饱和，出现“双烧孔双烧孔”。激光器的工作和输

7、出特性多普勒加宽单模激光器的输出功率多普勒加宽单模激光器的输出功率兰姆凹陷兰姆凹陷()qqoutqPATIATInnnn当振荡模频率当振荡模频率n nqn n0时时, ,I+ +和和I- - 与同一类原子相互作用，与同一类原子相互作用，同时参与了该类原子的同时参与了该类原子的增益饱和，对增益饱和起作用的光强增益饱和，对增益饱和起作用的光强In n0 I+ + I- -= = 2I+ 。n当振荡模频率当振荡模频率n nqn n0时时,I+和和I- -两束光在增益曲线上分别烧两个孔，对每一个孔起两束光在增益曲线上分别烧两个孔，对每一个孔起饱和作用的分别是饱和作用的分别是I+或或I-，对增益饱和起作

8、用的光强，对增益饱和起作用的光强In nq I+ 。0001()2outPATIATInnn激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择激光器的纵模频谱分布激光器的纵模频谱分布osqMnnn激光器的可能起振的振荡纵模数：激光器的可能起振的振荡纵模数：n振荡阈值条件决定振荡频率范围振荡阈值条件决定振荡频率范围nnosn谐振腔的纵模频率：谐振腔的纵模频率：,22qqccqLLnnn增益曲线决定被放大光的频率范围增益曲线决定被放大光的频率范围nn0( )1osHGlnnn 激光器的工作和输出特性激光器中的模竞争激光器中的模竞争激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式

9、选择激光器的振荡模式和模式选择n增益曲线均匀饱和引起的自选模作用：多个满足阈值条件的纵模在振荡过程中增益曲线均匀饱和引起的自选模作用：多个满足阈值条件的纵模在振荡过程中互相竞争互相竞争,结果总是靠近中心频率结果总是靠近中心频率v0的一个纵模得胜的一个纵模得胜,形成稳定振荡形成稳定振荡,其他纵模都被其他纵模都被抑。抑。激光器的工作和输出特性均匀加宽激光器中的模竞争均匀加宽激光器中的模竞争激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择n增益的空间烧孔效应：由于谐振腔内的驻波增益的空间烧孔效应：由于谐振腔内的驻波场分布，使得增益系数沿轴向呈现出不均匀场分布，使得增益系数沿

10、轴向呈现出不均匀分布。分布。n若存在另一非优势纵模，其腔内光强波腹分布若存在另一非优势纵模，其腔内光强波腹分布与优势模的波节重合，而获得较高的增益与优势模的波节重合，而获得较高的增益,从而从而形成较弱的振荡。由于轴向空间烧孔效应形成较弱的振荡。由于轴向空间烧孔效应,不同不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡振荡,这一现象叫做纵模的空间竞争。这一现象叫做纵模的空间竞争。激光器的工作和输出特性非均匀加宽激光器多纵模振荡非均匀加宽激光器多纵模振荡激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择n在非均匀加宽激光器中在非均匀加

11、宽激光器中, 只要纵模间隔足够只要纵模间隔足够大大,各纵模基本上互不相关，所有小信号增益各纵模基本上互不相关，所有小信号增益系数大于系数大于Gt的纵模都能稳定振荡。因此，在非的纵模都能稳定振荡。因此，在非均匀加宽激光器中，一般都是多纵模振荡。均匀加宽激光器中，一般都是多纵模振荡。n当外界激发增强时，小信号增益系数增加当外界激发增强时，小信号增益系数增加,满足振荡条件的纵模个数增多，因而激光器满足振荡条件的纵模个数增多，因而激光器的振荡模式数目增加。的振荡模式数目增加。n在非均匀加宽激光器中也存在模竞争现象。在非均匀加宽激光器中也存在模竞争现象。当相邻纵模所形成的烧孔重叠时当相邻纵模所形成的烧孔

12、重叠时,相邻纵模相邻纵模因共用一部分激活粒子而相互竞争。因共用一部分激活粒子而相互竞争。激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择激光器的模式选择激光器的模式选择模式选择的目的：减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。模式选择的目的：减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。n横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同。不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同。基横模光强是高斯形，光场分布均匀，发散角最小。基横模光强是高斯形，光场分布均匀，发散角

13、最小。随着横模序数的增加，光场的范围加大，分布不均匀，发散角越来越大。随着横模序数的增加，光场的范围加大，分布不均匀，发散角越来越大。一般激光器中有很多模式振荡，实际的光场分布是复合模。为了改善激光一般激光器中有很多模式振荡，实际的光场分布是复合模。为了改善激光的方向性，必须选出基横模。的方向性，必须选出基横模。n模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。n纵模：沿腔轴线方向电磁场的本征态。纵模：沿腔轴线方向电磁场的本征态。纵模数表示激光振荡频率数，纵模数多，单色性差。纵模数表示激光振荡频率数，纵模数多，单色性差。单一纵模单

14、色性最好。单一纵模单色性最好。激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择横模选择横模选择n选模原理：采取一定的办法加大基模和高阶横模选模原理：采取一定的办法加大基模和高阶横模衍射损耗的差别衍射损耗的差别，使高阶横，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，保存下来，达到选出基横模的损耗大于增益不能振荡，而基模满足阈值条件，保存下来，达到选出基横模的目的。模的目的。 n横模选择方法：横模选择方法：1.在谐振腔内加置限模光阑：在谐振腔内加置限模光阑：小孔小孔小孔光栏法小孔光栏法聚焦光栏法聚焦光栏法激光器的工作和输出特性激光器的工作和

15、输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择横模选择横模选择n横模选择方法：横模选择方法：3.腔参数选择法：利用衍射损耗来进行选模腔参数选择法：利用衍射损耗来进行选模2.腔镜微倾斜：腔镜微倾斜： 偏折损耗和透射损耗之比偏折损耗和透射损耗之比大则高阶模的损耗大，对选模有利。大则高阶模的损耗大，对选模有利。激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择纵模选择技术纵模选择技术n短腔法选纵模短腔法选纵模 原理原理:利用减少腔长的办法增加纵模频率间隔当利用减少腔长的办法增加纵模频率间隔当nnqnnos 时，实现单模振荡时，实现单模振荡。

16、( n0glnnngnoscn特点：特点：结构简单，无插入损耗，只需缩短腔长即可实现结构简单，无插入损耗，只需缩短腔长即可实现单模。单模。输出功率减小，输出功率减小，L小，工作物质尺寸小，模体积小，工作物质尺寸小，模体积小，输出功率小。小，输出功率小。只适用于增益介质线宽只适用于增益介质线宽nng窄的气体激光器中。窄的气体激光器中。激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择纵模选择技术纵模选择技术-法布里珀罗标准具选纵模法布里珀罗标准具选纵模nF-P透射带宽透射带宽 :12coscRndRn n选模原理：实现单一纵模的条件选模原理：实现单一

17、纵模的条件Ld激光工作物质jnnnnn( nTl( n0ga.标准具只有一个透射峰落在介质的标准具只有一个透射峰落在介质的增益线宽之内增益线宽之内nnm0.5nnos b.标准具一个透射峰内只包含一个纵标准具一个透射峰内只包含一个纵模，模，nnq 0.5nn 激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择纵模选择技术纵模选择技术-复合腔选纵模复合腔选纵模 n利用干涉仪的反射特性进行选模利用干涉仪的反射特性进行选模, 干涉仪既作选模又作激光器输出镜。干涉仪干涉仪既作选模又作激光器输出镜。干涉仪的反射率是频率的函数，不同频率的光反射率不同。的反射率

18、是频率的函数，不同频率的光反射率不同。LD激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性1.腔外调制：腔外调制：光开关或调制器置于连续激光器输出端，使光在短时间间隔内通过；光开关或调制器置于连续激光器输出端，使光在短时间间隔内通过； 效率低、脉冲光的峰值功率低于连续激光器本身的稳定值效率低、脉冲光的峰值功率低于连续激光器本身的稳定值2.腔内调制：腔内调制：光开关或调制器置于激光器腔内，调节能量的存储与输出，能够获得光开关或调制器置于激光器腔内，调节能量的存储与输出，能够获得 极高的峰值功率。极高的峰值功率。脉冲激光器脉冲激光器n脉冲激光器可以获得窄脉宽、高峰值功率

19、的激光束。脉冲激光器可以获得窄脉宽、高峰值功率的激光束。锁模：将同时振荡的多个纵模相互间实现相位锁定并相互耦合锁模：将同时振荡的多个纵模相互间实现相位锁定并相互耦合n四种腔内调制脉冲激光器：四种腔内调制脉冲激光器：增益开关：通过开关泵浦源控制增益增益开关：通过开关泵浦源控制增益Q开关：腔内放置被调制的吸收体来控制腔内损耗，能量存储在反转原子中开关：腔内放置被调制的吸收体来控制腔内损耗，能量存储在反转原子中腔倒空：通过改变输出镜透射率控制腔内损耗，能量存储在腔内腔倒空：通过改变输出镜透射率控制腔内损耗，能量存储在腔内n获得脉冲激光束的方法：获得脉冲激光束的方法：激光器的工作和输出特性激光器的工作

20、和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性n激光的尖峰与驰豫振荡现象：激光的尖峰与驰豫振荡现象：脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性n大多数固体和半导体脉冲激光器能够观测到这种现象。大多数固体和半导体脉冲激光器能够观测到这种现象。当泵浦脉冲持续时间足够长时，输出光脉冲当泵浦脉冲持续时间足够长时，输出光脉冲将由刚开始的无规则尖峰过渡为小振幅的准将由刚开始的无规则尖峰过渡为小振幅的准正弦阻尼振荡并逐渐收敛于稳态值。正弦阻尼振荡并逐渐收敛于稳态值。当泵浦脉冲持续时间较短时，输出光脉冲是当泵浦脉冲持续时间较短时，输出光脉冲是由一系列无规则、不连续、尖锐且振幅较大的由一系列无规则、不连续、尖锐且振幅较大的尖

21、峰所组成；（原因：多模运转、腔不稳定性、尖峰所组成；（原因：多模运转、腔不稳定性、放大介质的不均匀变热）放大介质的不均匀变热）能级寿命远大于腔模驻腔寿命能级寿命远大于腔模驻腔寿命激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性n一个短脉冲的生成过程可以分成四个阶段。如图所示一个短脉冲的生成过程可以分成四个阶段。如图所示: : 激光尖峰形成的物理过程激光尖峰形成的物理过程t=t4, n(t)的消耗速率与累积速率平衡，达到极小值的消耗速率与累积速率平衡，达到极小值t=t1，激光开始产生，激光开始产生tt1,累积腔内光子数累积腔内光子数t=t2, n(t)的累积速率与消耗

22、速率平衡，达到极大值的累积速率与消耗速率平衡，达到极大值tt2,增益饱和，增益饱和， n(t)i it=t3,腔内光子数达到极大值腔内光子数达到极大值tt3,腔内光子数纯消耗，急剧减少腔内光子数纯消耗，急剧减少tt4, 光子数逐渐消耗至最小，反转粒子数开始累积光子数逐渐消耗至最小，反转粒子数开始累积激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性激光尖峰的弛豫振荡激光尖峰的弛豫振荡n激光腔内的光子数密度的变化速率方程为：激光腔内的光子数密度的变化速率方程为：n四能级均匀加宽激光器中的反转原子集居数密度变化速率方程为：四能级均匀加宽激光器中的反转原子集居数密度变化速率

23、方程为：1RtdNNndtn( ,RtLlLnl n2()ppqtRd nnn Nnn Wdtn002200,2ttRrrootrorororoititststnnnnneeneNNNnne n状态参量状态参量N(t)与与 n(t)的速率方程描述激光器的动力学过程：的速率方程描述激光器的动力学过程：2R221fqA激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性调调Q Q激光器的工作原理分析激光器的工作原理分析n调调Q Q原理：泵浦开始时，增大损耗，使振荡难以形成，从而使上能级的反转粒原理：泵浦开始时，增大损耗，使振荡难以形成，从而使上能级的反转粒子数密度增大，当积

24、累达到最大值时，突然使谐振腔损耗变小，于是子数密度增大，当积累达到最大值时，突然使谐振腔损耗变小，于是Q Q值突增，值突增，在腔内以极快的速度建立极强的振荡，输出极强的激光脉冲，称为激光巨脉冲在腔内以极快的速度建立极强的振荡，输出极强的激光脉冲，称为激光巨脉冲或调或调Q Q脉冲。脉冲。激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性主动调主动调Q Q的速率方程分析的速率方程分析-三能级系统模型三能级系统模型022pnRn222( )pd nnnRnNdt n 0222tRnndnn Ndtnn三能级系统放大介质中的反转原子集居数密度变化速率方程为：三能级系统放大介质

25、中的反转原子集居数密度变化速率方程为：n激光腔内的光子数密度的变化速率方程为：激光腔内的光子数密度的变化速率方程为：1RtdNNndtn112tndNd nn( )1121( )ln2iintniN titiNndNd nnnN tnnnnN 脉冲开始时刻脉冲开始时刻t=0, n= ni，N=Ni=0激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性主动调主动调Q Q的速率方程分析的速率方程分析-三能级系统模型三能级系统模型n激光腔内的光子数密度的变化激光腔内的光子数密度的变化1( )ln2iitinN tnnnnN (maxmaxmax0max0()11()ln1l

26、n 221111ln24itptnrntpitttiin tnnNN tnnnNn rrnPhNAThATnrrrnnn n n脉冲峰值功率：脉冲峰值脉冲峰值功率：脉冲峰值t=tp峰值功率随峰值功率随r的增大而增大的增大而增大r为泵浦超阈度为泵浦超阈度激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性主动调主动调Q Q的速率方程分析的速率方程分析-三能级系统模型三能级系统模型n激光腔内的光子数密度的变化激光腔内的光子数密度的变化1( )ln2iitinN tnnnnN n腔内储能利用率腔内储能利用率m m(012inififEhnnVEEn腔内储能利用率随腔内储能利用

27、率随r的增大而迅速增大的增大而迅速增大11expfiniinErEnmm 激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性主动调主动调Q Q的速率方程分析的速率方程分析-三能级系统模型三能级系统模型n激光腔内的光子数密度的变化激光腔内的光子数密度的变化1( )ln2iitinN tnnnnN 11ln2outRinoutpRRmBEEErTPrrm n脉宽脉宽脉宽随脉宽随r增大而减小并趋于极限值增大而减小并趋于极限值 R激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性主动调主动调Q Q的速率方程分析的速率方程分析-三能级系统模型三能级系统

28、模型n激光腔内的光子数密度的变化激光腔内的光子数密度的变化1( )ln2iitinN tnnnnN n调调Q光脉冲波形光脉冲波形脉冲前沿随脉冲前沿随r值的增大而迅速变得陡峭值的增大而迅速变得陡峭脉冲后沿主要由腔模光子的平均寿命决定脉冲后沿主要由腔模光子的平均寿命决定r越大，脉冲前后沿越对称越大，脉冲前后沿越对称激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性调调Q Q技术的过程技术的过程a.激活介质贮能激活介质贮能 满足条件满足条件Gl 。由于由于 很大很大, ,振荡振荡阈值很高，不能产生激光振荡阈值很高，不能产生激光振荡能量贮存在激活介质能量贮存在激活介质b.b.

29、激活介质谐振腔组合贮能激活介质谐振腔组合贮能先使反转粒子数达到最大值，但满足先使反转粒子数达到最大值，但满足Gmaxl ，产生激光振荡，能量以光子的形式贮存在腔内。，产生激光振荡，能量以光子的形式贮存在腔内。条件：条件：Gl , 减小到减小到 min, 因为增益最大，所以因为增益最大，所以 min小时，激光迅速建立，在极短的时间内，小时，激光迅速建立，在极短的时间内，工作物质贮能通过光子的受激辐射过程释放出来，形成巨脉冲。工作物质贮能通过光子的受激辐射过程释放出来，形成巨脉冲。n能量贮存过程能量贮存过程n激光产生与输出过程激光产生与输出过程 调调Q的过程：调节的过程：调节 ，相当于，相当于Q是

30、一个门，关上门，是一个门，关上门，Q低贮能，打开门产生激光。低贮能，打开门产生激光。激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性实现调实现调Q的方法的方法电光调电光调n反射式反射式Q Q开关原理：利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，改变开关原理：利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，改变Q Q值。值。 第一阶段第一阶段:在晶体上加在晶体上加Vl/2l/2, ,偏振光通过偏振光通过KDP晶体后振动方向旋转晶体后振动方向旋转90度，不能通过度，不能通过P，称，称为为“关门关门”状态。状态。 P1/P2第二阶段：在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值时

31、，突然退去晶体上的电压，第二阶段：在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值时，突然退去晶体上的电压，光在腔内形成振荡光在腔内形成振荡 。u由于激光的形成和输出同时进行，因此脉冲宽度的压缩受了限制。由于激光的形成和输出同时进行，因此脉冲宽度的压缩受了限制。激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性实现调实现调Q的方法的方法声光调声光调n晶体的声光原理：声光介质在超声波的作用下，折射率发生周期性的变化，晶体的声光原理：声光介质在超声波的作用下，折射率发生周期性的变化，使介质变成正弦相位光栅，当光束通过声光介质时会产生布喇格衍射，衍射光使介质变成正弦相位光栅，当光束

32、通过声光介质时会产生布喇格衍射，衍射光相对于级光有相对于级光有 角的偏离。角的偏离。n声光调声光调Q原理原理工作物质反射镜反射镜反射镜反射镜声光介质激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性nQ开关激光器一般脉宽达开关激光器一般脉宽达10-8s-10-9s量级量级短脉冲短脉冲n锁模技术一般脉宽达锁模技术一般脉宽达10-12s-10-13s量级量级超短脉冲超短脉冲 想要更短的脉冲想要更短的脉冲激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性多模激光器的输出特性多模激光器的输出特性各振荡模的振幅和相位无规则分布各振荡模的振幅和相位无规则

33、分布( ( (1222222201cos()cos2cos.cos11( )( )( )2NqqqqNqqqqqqqqqqq qNtqqNI tEtEtEtE EttI tEtEt dtEt输出的光强是各个纵模无规叠加输出的光强是各个纵模无规叠加,总光强的平均值是各纵模光强之和的总光强的平均值是各纵模光强之和的1/2。 Eq-中心频率处的振幅大，远离中心频率处的振幅小，且它们之间变化无规律中心频率处的振幅大，远离中心频率处的振幅小，且它们之间变化无规律。f fq-各模的初相位，在各模的初相位，在- 到到 之间分布。之间分布。对于不同的时间，每个模的振幅和相位也有变化，对于不同的时间，每个模的振

34、幅和相位也有变化，f fq随时间漂移。随时间漂移。( )cos()qqqqE tEt激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性锁模锁模原理原理n锁模锁模:使各相邻模之间的相位固定，使各模变成时间相干波。使各相邻模之间的相位固定，使各模变成时间相干波。各纵模频率间隔相等并固定各纵模频率间隔相等并固定nnq=c/2L各模振动方向或方式相同各模振动方向或方式相同-激光器的固有性质激光器的固有性质设法设法使各模之间的相差固定使各模之间的相差固定f fq+1-f fq=常数常数n多纵模锁定后的激光输出：多纵模锁定后的激光输出：u定义中心频率的纵模定义中心频率的纵模q0，

35、在腔内参与振荡的模式个数共，在腔内参与振荡的模式个数共2N1个个0010222qqqqqqqccqqLLqn 各模间隔相同，锁模后有各模间隔相同，锁模后有f fq+1-f fq 激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性设各纵模的振幅相等，则激光器输出的总光波场是设各纵模的振幅相等，则激光器输出的总光波场是2N1个纵模相干迭加的结果：个纵模相干迭加的结果：00000( )( )cos ()1sin (21)()2cos( )cos1sin ()2NNqNNE tE tEqtqNtEtA ttt n多纵模锁定后的激光输出：多纵模锁定后的激光输出：(a)2N+1个

36、模式经过锁定以后，总的光波场变为频率为个模式经过锁定以后，总的光波场变为频率为 0的单色调幅波，振幅的单色调幅波，振幅A(t)是随时间变化的周期函数，即总光波场受到振幅调制。是随时间变化的周期函数，即总光波场受到振幅调制。(b)光强光强I(t)正比于正比于A(t)2 ,是时间的函数，光强受到调制。是时间的函数，光强受到调制。(c) 光脉冲包括光脉冲包括2N+1个纵模。个纵模。锁模输出的光强锁模输出的光强激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性锁模输出的光强锁模输出的光强nA(t)的变化规律的变化规律: 只要得到只要得到A(t)的周期、极值、零点。的周期、极值

37、、零点。 变化周期为变化周期为T=2L/c，在一个周期内有，在一个周期内有2N个零点和个零点和2N+1个极值点个极值点2N-2个介于个介于Amax与与Amin之间的次极大之间的次极大值。值。t=0 和和t=2L/c时，时，Amax=(2N+1)E0000( )( )cos1sin (21)()2( )1sin ()21sin (21)21sin2E tA ttNtA tEtcNtLEctL vL2激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性锁模激光器的输出特性锁模激光器的输出特性激光器的输出是脉冲间隔激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。固定的规则脉

38、冲序列。 2L/c 光在腔内往返一次的时间光在腔内往返一次的时间,相当于在腔内只有一个脉冲在振荡相当于在腔内只有一个脉冲在振荡每个脉冲宽度近似等于振荡线宽的倒数，每个脉冲宽度近似等于振荡线宽的倒数， 增益线宽越宽，锁模脉宽越窄。被锁定的纵模数越多增益线宽越宽，锁模脉宽越窄。被锁定的纵模数越多2N1 1(21)qNn 脉冲的峰值功率脉冲的峰值功率 输出脉冲的峰值功率输出脉冲的峰值功率P正比于正比于(2N+1)2E02在锁模过程中，各模之间发生功率耦合，不再独立。在锁模过程中，各模之间发生功率耦合，不再独立。 锁模的结果是输出序列的脉冲，脉宽窄，峰值功率高，脉冲的能量是所有相位固定的锁模的结果是输

39、出序列的脉冲，脉宽窄，峰值功率高，脉冲的能量是所有相位固定的纵模提供的纵模提供的.激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性n纵模锁定的方法主要有主动锁模，被动锁模，自锁模纵模锁定的方法主要有主动锁模，被动锁模，自锁模锁模的方法锁模的方法n主动锁模：在激光腔内插入一个调制器，用一定的调制频率周期性地改变谐振腔主动锁模：在激光腔内插入一个调制器，用一定的调制频率周期性地改变谐振腔内振荡模的振幅或相位。当调制器的调制频率精确地等于纵模间隔时，对各个模的内振荡模的振幅或相位。当调制器的调制频率精确地等于纵模间隔时，对各个模的调制会产生边频，其频率与两个相邻纵模的频率

40、一致。调制会产生边频，其频率与两个相邻纵模的频率一致。n以声光调制器的振幅调制锁模为例：以声光调制器的振幅调制锁模为例：1( )sin2ma tAt设调制信号：设调制信号：损耗变化的频率为调制信号频率的两倍损耗变化的频率为调制信号频率的两倍,调制器的透过率：调制器的透过率：( (00cosT tTTt 假定调制前腔内光场假定调制前腔内光场( (000sinE tEt通过调制器后的光场变为通过调制器后的光场变为( (0000000000cossin1cossin( )sinE tETTttAmttA tt 激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性锁模的方法锁模

41、的方法(000000000000( )1cossin1sinsin21sin2E tAmttAtmAtmAt n中心频率调制的结果是使与它相邻的两个纵模中心频率调制的结果是使与它相邻的两个纵模振荡。振荡。n锁模的关键，必须使腔内损耗的变化频率和锁模的关键，必须使腔内损耗的变化频率和腔内纵模频率间隔相等腔内纵模频率间隔相等。n调制频率调制频率 等于激光振荡纵模的频率间隔等于激光振荡纵模的频率间隔n调制的过程继续下去，直到在激光线宽内所有调制的过程继续下去，直到在激光线宽内所有纵模振荡为止。这些模式的相位相同纵模振荡为止。这些模式的相位相同符合符合锁模条件。锁模条件。激光器的工作和输出特性激光器的

42、工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性锁模的方法锁模的方法n锁模的关键，必须使腔内损耗的变化频率和腔内纵模频率间隔相等锁模的关键，必须使腔内损耗的变化频率和腔内纵模频率间隔相等。9E029E02321 t1/v102/(3v1)1/(3v1)-E0E00I(t)E(t)v3=3v1, v2=2v1， 初位 相 相 同(0)v3v2v1三个光波 的相 位 锁 定 激光器的分类激光器的分类按工作物质分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、按工作物质分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、 自由电子激光器。自由电子激光器。按运转方式分类：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、稳频激光器、按运转方式分类：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、稳频激光器、 可调谐激光