现代激光应用技术-激光束的变换课件

3.8激光束的变换绝大多数激光器发出的光束，在投入使用之前都要通过一定的光学系统变换成所需要的形式。如激光打孔——激光聚焦，激光测距——激光准直，激光全息摄影——激光扩束。多数激光器应用时输出的是高斯光束，因此高斯光束通过光学系统的变换特性是激光应用的一个重要的基本问题。高斯光束在自由空间中的传播与平面波和球面波不同，通过光学系统时存在和平面波以及球面波不同的特性。

3.8激光束的变换绝大多数激光器发出的光束，在13.8.1高斯光束通过薄透镜时的变换1.透镜的成像公式：，注意参数的正负。从波动光学的角度讲，薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径。透镜的变换（成像）特性推广至高斯光束中去。注意：1)由于薄透镜很薄，因此在透镜两边的入射光束和出射光束具有相同的光强分布，即入射光的光场分布为高斯型，出射光束的光场分布也为高斯型；2)出射光束在透镜处的截面半径与入射光束在透镜处的截面半径相等；3)入射、出射的高斯光束在透镜处的波面曲率半径满足以上的成像公式。

2.从光波的角度看，规定发散球面波的曲率半径为正，会聚球面波的曲率半径为负，则如图3-18所示，成像公式可改写为：图3-18球面波通过薄透镜的变换3.8.1高斯光束通过薄透镜时的变换1.透镜的成像公式：23.将透镜的变换应用到高斯光束上。如图3-19所示，有以下关系：①②图3-19高斯光束通过薄透镜的变换实际问题中，通常和是已知的，此时，则入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别为：3.将透镜的变换应用到高斯光束上。如图3-19所示，有以下34.由①和②式可求得出射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径。这样我们可以通过入射光束的、来确定出射光束的、了。图3-20高斯光束通过薄透镜的变换4.由①和②式可求得出射光束在镜面处的波阵面半径4(1)短焦距：即3.8.2高斯光束的聚焦1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形(2)短焦距时(3)在满足条件和的情况下，出射的光束聚焦于透镜的焦点附近。如图3-21所示，这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。图3-21短焦距透镜的聚焦(4)由前面的结论可得：(1)短焦距：即3.8.2高斯光束的聚焦1.高斯光束入射5(5)即缩短和加大都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的。3.8.2高斯光束的聚焦前一种方法就是要采用焦距小的透镜后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大；另一种办法就是加大入射光的发散角从而加大，加大入射光的发散角又可以有两种做法，如图3-22和图3-23图3-22用凹透镜增大ω后获得微小的ω’0图3-23用两个凸透镜聚焦(5)即缩短和加大都可以6(6)3.8.2高斯光束的聚焦这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。通过以上的讨论我们看到，不论是聚焦点的位置，还是求会聚光斑的大小，都可以在一定的条件下把高斯光束按照几何光学的规律来处理。(6)3.8.2高斯光束的聚焦这与几何光学中物、象的尺寸比73.8.2高斯光束的聚焦2.入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的情形(1)(2)同理有：(3)根据高斯光束的渐变性可以设想，只要和相差不大，高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。3.8.2高斯光束的聚焦2.入射高斯光束的腰到透镜的距离s83.8.3高斯光束的准直1.高斯光束的准直：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。2.可以看出，增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角。3.选用两个透镜，短焦距的凸透镜和焦距较长的凸透镜可以达到准直的目的。图3-24倒装望远镜系统压缩光束发散角M’是高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。M是倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。由于f2＞f1，所以M＞1。又由于＞0，因此有M’M＞13.8.3高斯光束的准直1.高斯光束的准直：改善光束的方向93.8.4高斯光束的扩束

扩束：扩大光束光斑的尺寸。通常有两种方法：1.扩大发散角进而扩大光斑尺寸，可用凹、凸透镜实现。要求在焦点处产生一个极小的束腰半径，得到发散角大的高斯光束，实现扩束。2.扩大光斑尺寸，但保持较小的发散角，可用倒置望远系统实现。3.8.4高斯光束的扩束

扩束：扩大光束光斑的尺寸。通常有101.造成线宽的原因(1)能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度(2)发光粒子之间的碰撞造成了谱线的碰撞宽度(或压力宽度)。(3)发光粒子的热运动造成了谱线的多普勒宽度。实际的谱线线型是以上三者共同作用的结果，我们把这样的谱线叫做发光物质的荧光谱线，其线宽叫做荧光线宽。2.激光器的线宽对一个激光器来说，当它在稳定工作时，其增益正好等于总损耗。这时的理想情况是：损耗的能量在腔内的受激过程中得到了补充，而且在受激过程中产生的光波与原来光波有相同的位相，所以新产生的光波与原来的光波相干叠加，使腔内光波的振幅始终保持恒定，相应的就有无限长的波列，故线宽应为“0”。如果激光器是单模输出的话，那么它输出的谱线应该是落在荧光线宽范围内的一条“线”(见图(3-16))。图(3-16)荧光谱线与理想的单色激光谱线3.9激光器的线宽极限1.造成线宽的原因(1)能级的有限寿命造成了谱线的自然宽113.造成激光器线宽的原因另一方面，腔内自发辐射又产生一列一列前后位相无关的波列，这些波列和相干的波列的光强相叠加，使腔内的光强保持稳定。而这样一些一段一段的互相独立的自发辐射的波列也要造成一定的线宽。首先是内部的原因：在理想的激光器中完全忽略了激活介质的自发辐射，而一个实际的激光器尽管它的自发辐射相对于受激辐射来说是极其微弱的，但它毕竟还是不可避免地存在着，而且在激光器的输出功率中也贡献它极其微小的一个份额。这样，激光器的增益就应该包括受激过程和自发过程两部分的贡献。在振荡达到平衡时，激光器内的能量平衡，应该是介质的受激辐射增益与自发辐射增益之和等于腔的总损耗，因而受激辐射的增益应略小于总损耗。这样，对于受激辐射的相干光来说，每一个波列都存在一定的衰减率，正是这种衰减造成了一定的线宽，这是问题的一面。以上两方面的因素就造成了由于存在自发辐射而引起的激光线宽。如图(3-17)所示，曲线1是衰减的相干光的谱线，曲线2是自发辐射本身的谱线，曲线3是总的谱线。图(3-17)激光的极限线宽3.造成激光器线宽的原因另一方面，腔内自发辐射又产124.激光线宽与激光器输出功率成反比增加激光器的输出功率可以减小由于自发辐射引起的激光线宽。理论计算表明激光线宽是和激光器输出功率成反比的。理论计算还指出，单纯由于腔内自发辐射而引起的激光谱线宽度远小于lHz。而实验测得的激光线宽却远远大于这个数值。这说明造成激光线宽还有其他的较自发辐射影响更大的因素。尽管如此，对于自发辐射造成激光线宽的分析还是十分有意义的。因为自发辐射是在任何激光器中都存在的，所以这种因素造成的激光线宽是无法排除的。也就是说这种线宽是消除了其他各种使激光线宽增加的因素后，最终可以达到的最小线宽，所以叫做线宽极限。4.激光线宽与激光器输出功率成反比增加激光器的输出13第四章激光器的基本技术第四章激光器的基本技术144.1激光模式的选取

从一台简单激光器出射的激光束，其性能往往不能满足应用的需要，因此不断地发展了旨在控制与改善激光器输出特件的各种单元技术。为了改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性，发展了模式选择、稳频及注入锁定技术。为了获得窄脉冲高峰值功率的激光束，发展了Q调制、锁模、增益开关等技术。4.1激光模式的选取从一台简单激光器出射的激光束，其性能154.1激光模式的选取

16理想激光器的输出光束应只具有一个模式，但不采取选模措施时，多数激光器的工作状态是多模的。选模的意义：基横模(TEM00)——发散角小，空间相干性好单纵模——单色性好，时间相干性好激光准直、激光加工、非线性光学研究、激光中远程测距等应用均需基横模激光束。而在精密干涉计量、光通信及大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的，同时要求光束仅含有一个纵模。4.1激光模式的选取16理想激光器的输出光束应只具有一个164.1.1激光单纵模的选取

1.均匀增宽型谱线的纵模竞争(1)当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。(2)多纵模的情况下，如图4-1所示，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件。随着腔内光强逐步增强，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光强继续增长，最后变为曲线3的情形。图4-1均匀增宽型谱线纵模竞争(3)若此时的光强为Iq，则有，于是振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模的振荡。这种现象叫做“纵模的竞争”，竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来。(4)在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较强时，也可能有比较弱的其他纵模出现，这种现象称为模的“空间竞争”。4.1.1激光单纵模的选取1.均匀增宽型谱线的纵模竞争174.1.1激光单纵模的选取

2.非均匀增宽型谱线的多纵模振荡(1)非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。

3.单纵模的选取(1)短腔法：

两相邻纵模间的频率差，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度。如：He-Ne激光器中，荧光谱线宽度约为1500MHz，若激光器的腔长为10cm，则纵模间隔约为1500MHz，因此，对He-Ne激光器，只要将腔长做到小于10cm就可获得单纵模输出。缺点：腔长短，则激活介质的长度将受到限制，影响激光器的输出功率，对于大功率激光器不适用；另外，有些激光器的荧光谱线很宽，若要得到足够宽的纵模间距，则需要腔长缩到很短，激活介质也被缩短，难以获得粒子数反转。如：Nd：YAG激光器的荧光谱线宽度约为200GHz，这就要求单纵模的腔长约为4mm，不可取。4.1.1激光单纵模的选取2.非均匀增宽型谱线的多纵模184.1.1激光单纵模的选取

(2)法布里-珀罗标准具法：

如图4-2所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里－珀罗标准具图(4-2)法布里-珀罗标准具法示意图由于多光束干涉的结果，对于满足下列条件的光具有极高的透射率产生激光振荡的频率不仅要满足谐振条件，还需要对标准具有最大的透射率能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为与比较，可知当选择d远小于L时，便可使vm远大于vq，从而获得频率为vm的单纵模输出。特点：插入标准具将引入损耗，对小功率激光器不适合，但对于高增益的激光器（如CO2激光器）则十分有效。4.1.1激光单纵模的选取

(2)法布里-珀罗标准具法194.1.1激光单纵模的选取

(3)三反射镜法：

如图4-3所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合图4-3三反射镜法两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)，只有同时满足这两个谐振条件的光才能形成振荡。所以，只要L2+L3足够小，就可获得单纵模输出。4.1.1激光单纵模的选取(3)三反射镜法：如图4-204.1.2激光单横模的选取

激光振荡条件：增益系数大于损耗系数。损耗分类：选择性损耗、非选择性损耗。选模的实质：使基横模达到振荡条件，使高阶横模振荡受到限制。控制高阶横模的损耗，达到选取横模的目的。一般只要能够抑制比基横模高一阶的TEM10和TEM01模的振荡，就能抑制其他高阶模的振荡。1.衍射损耗和菲涅耳数4.1.2激光单横模的选取激光振荡条件：增益系数大于损耗214.1.2激光单横模的选取

(1)由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。

(2)如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的基横模高斯光束光强分布可以表示为

(3)单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率与射向镜面的总光功率之比图4-4腔的衍射损耗1.反射镜面越大，衍射损耗越低，实际激光器中，反射镜面尺寸相对于光束足够大；2.镜面光斑尺寸越小，衍射损耗越小。横模阶次越高，光斑尺寸越大，损耗越高。4.1.2激光单横模的选取(1)由于衍射效应形成的光能22(4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的参量，它定义为

4.1.2激光单横模的选取

2.衍射损耗曲线(1)图4-5给出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的衍射损耗—菲涅尔数曲线。图4-5不同腔的衍射损耗曲线1.N越大，损耗越小；2.N一定，横模序数m，n越大，损耗越大；3.由于凹面镜的汇聚作用，共焦腔比平行平面腔损耗小，(4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的234.1.2激光单横模的选取

3.光阑法选取单横模思想：利用小孔光阑选取基横模(1)基本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑。

基模具有最小的光束半径，其他高阶横模的光束半径随模数的增加而增大。若光阑的半径与基模光束半径相当，基模可以顺利通过，而高阶模大部分被阻挡，不能顺利通过，从而达到选横模的目的。对于气体激光器（利用毛细管的结构），可适当的调节毛细管的粗度实现光阑的功能，而对于固体激光器则需要在谐振腔内另设置光阑。特点：结构简单，调整方便。但是，受小孔限制，工作物质的体积不能得到充分利用，输出激光功率比较低，并且由于腔内功率密度高，小孔容易损坏。4.1.2激光单横模的选取3.光阑法选取单横模244.聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模(1)聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率。(2)腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7所示。图4-6聚焦光阑法图4-7腔内望远镜法特点：该方法能够充分利用激光工作物质，获得较大功率输出；输出光斑大小适当，不会损伤光学元件。4.聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模(1)聚焦光阑法：如图4254.2激光器的稳频稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比

复现性是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量

为什么稳频：由于内部和外部环境的变化，谐振频率会发生移动，该现象为“频率漂移”，导致激光器频率稳定性的问题。稳频意义：设法控制可控制的因素，使其对振荡频率的干扰减值最小值，提高频率的稳定性，减小频率的漂移。频率稳定性的描述：

根据实际需求与现实水平，一般希望稳定度和复现度能在10-8以上。目前稳定度一般在10-9左右，较高的可达10-13；复现度一般可达10-7，最高可达10-12。以He-Ne激光器为例，介绍稳频技术（这些方法对其他激光器也适用）4.2激光器的稳频稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频261.腔长变化的影响(1)温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架(2)机械振动：采取减震措施2.折射率变化的影响(1)内腔激光器:谐振腔封闭在放电管内，温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略。(2)外腔和半内腔激光器:腔的一部分处于大气之中，温度T、气压P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T、P、h的脉动。4.2.1影响频率稳定的因素对TEM00q模来说，谐振频率的公式可以简化为：当L的变化为L，m的变化为m时，引起的频率相对变化为：1.腔长变化的影响(1)温度变化：一般选用热膨胀系数小的274.2.2稳频方法概述1.被动式稳频利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，使热膨胀相互抵消，实现稳频，通常用于工程上对稳频精度要求不高的场合。例如：632.8nm氦氖激光器，频率变化可以小于20Hz，稳定度达10-13.把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。误差信号经过放大后通过反馈系统返回来控制腔长，是振荡频率回到参考频率，实现稳频。2.主动式稳频(1)把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。(2)把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如饱和吸收法。依据选择参考频率的不同：稳频方法可以分为两类：4.2.2稳频方法概述1.被动式稳频利用热膨胀系28一、兰姆凹陷稳频1.基本原理兰姆凹陷稳频法是以增益曲线中心频率n0作为参考标准频率，通过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控制激光器腔长的，它可使频率稳定于n0处，其稳频装如图一、兰姆凹陷稳频29激光管采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐振腔的两个反射镜安置在殷钢架上，其中一个贴在压电陶瓷环上。陶瓷环的长度约为几厘米，环的内外表面接有两个电极，加有频率为f的调制电压，当外表面为正电压,内表面为负电压时陶瓷环伸长,反之则缩短。改变陶瓷环上的电压即可调整谐振腔的长度，以补偿外界因素所造成的腔长变化。光电接收器一般采用硅光电三极管，它能将光信号转变成相应的电信号。激光管采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐振腔的两个反302.兰姆凹陷稳频的实质谱线的中心频率v0作为参考标准，当激光振荡频率偏离v0时，即输出一误差信息通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长把激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处2.兰姆凹陷稳频的实质313.

应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题稳频激光器不仅要求是单横模，而且还要求必须是单纵模频率稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率有关，斜率越大，误差信号就越大，因而灵敏度高，稳定性就越好兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性兰姆凹陷稳频以原子跃迁谱线中心频率v0作为参考标准3.应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题稳频激光器不仅要求是单横32二、饱和吸收稳频(反兰姆凹陷稳频)兰姆凹陷稳频是以增益曲线中心频率v0作为参考标准频率，v0易受放电条件的影响而变化，频率复现性差提高稳频精度提高兰姆凹陷锐度，但是激光管不能在过低的气压下工作，频率稳定性的进一步改善受到限制解决途径：饱和吸收稳频饱和吸收法稳频的示意装置如图所示。

二、饱和吸收稳频(反兰姆凹陷稳频)饱和吸收法稳频的33反兰姆凹陷稳频优点通常利用分子的基态与振转能级间的饱和吸收进行稳频，吸收较强，可在低气压下工作，碰撞线宽小；分子振转能级寿命长，自然线宽小——可得尖锐的反兰姆凹陷利用自基态的吸收跃迁，频率复现性好国际上规定甲烷和碘吸收稳频的He-Ne激光波长可作为长度基准和米定义反兰姆凹陷稳频优点国际上规定甲烷和碘吸收稳频的He-Ne激光344.3Q调制调Q技术是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。调Q技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级(峰值功率达106W以上)短脉冲技术4.3Q调制调Q技术是应人们对高峰值功率、窄脉宽激光脉冲354.3.1Q调制激光器的工作原理调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是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。现在，获得峰值功率在兆瓦级(106W)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已不困难。一、脉冲固体激光器的输出的驰豫振荡弛豫振荡效应:将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的。4.3.1Q调制激光器的工作原理调Q技术的出现和发展，是3637红宝石单模激光器输出波形弛豫振荡的特点：(1)峰值功率不高，只在阈值附近(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率原因:激光器的阈值始终保持不变37红宝石单模激光器输出波形弛豫振荡的特点：(1)峰值功率37二、谐振腔的品质因数Q谐振腔Q值的普遍定义为腔内振荡光束的体积为V，则储存在腔内的总能量为e=nhvV能量损耗率为品质因数Q为二、谐振腔的品质因数Q谐振腔Q值的普遍定义为腔内振荡光束的体38三、调Q的基本原理

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。——普通激光器峰值功率不能提高的原因激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制——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。三、调Q的基本原理通常的激光器谐振腔的损耗是不39当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。泵浦时令腔损耗很大(Q很小),突然减小损耗(增大Q),使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射,形成光脉冲。改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在40调Q过程t<0时，阈值很高，激励使反转集居数不断增t=0时刻，反转集居数密度增加到ni，由于

ni<

nt，不产生激光，腔内只有自发辐射产生的少量光子，Ni很小t=0时刻，损耗因子突然下降，阈值相应地下降，

ni比

nt大很多腔内光子数密度迅速增长，同时反转集居数密度急剧下降t=tp时刻，

n=

nt腔内光子数密度不再增长，t>tp时，

n<

nt，腔内光子数密度迅速减少。——工作物质储能调Q调Q过程t<0时，阈值很高，激励使反转集居数不断增414.3.2Q调制方法Q开关：使谐振腔损耗发生改变的元件。常用调Q方法：

转镜调Q电光调Q声光调Q饱和吸收调Q4.3.2Q调制方法Q开关：使谐振腔损耗发生改变的元件。421.电光调Q电光效应：晶体在外加电场作用下，折射率发生变化，是通过晶体的不同偏振光之间产生相位差，从而改变光的偏振状态的现象电光调Q利用了波克尔效应实现Q突变常用的电光晶体有KDP(KH2PO4)、KD*P(KD2PO4)、LiNbO3、BSO(Bi12SiO20)1.电光调Q43电光晶体调Q工作原理:在开始泵浦时，电光晶体通电，检偏器和起偏器同向放置，沿轴向传播的光不能通过，所以腔内损耗很大。在泵浦一段时间后，突然撤掉电光晶体的电压，腔内损耗突然下降，达到调Q目的，激光振荡迅速建立并加强，获得调Q巨脉冲输出。起偏器检偏器电光晶体电光晶体调Q工作原理:在开始泵浦时，电光晶体通电，检偏器和起442.声光偏转1.图(4－25)所示为一块均匀的透明介质如熔融石英，其一端为超声发生器(作正弦振动)。当在透明介质的另一端为声波的反射介质时，满足一定的几何要求就会在介质内产生驻波。驻波按照正弦规律变化，所以介质的折射率以空间周期在空间呈正弦变化。

图(4-25)超声波在透明介质中的传播2.如图(4－26)所示，当光线在满足布拉格条件的衍射角入射到光栅上时，衍射光也与衍射体光栅的等折射率面成出射

图(4-26)布拉格条件下的衍射2.声光偏转1.图(4－25)所示为一块均匀的透明介质如熔45利用声光介质中超声场产生衍射使损耗增加，不能形成激光振荡当粒子反转数积累达到饱和时，突然撤掉超声场，激光振荡迅速建立，获得巨脉冲输出声光调制器通常包括换能器声光介质吸声介质驱动器声光调Q器件利用声光介质中超声场产生衍射使损耗增加，不能形成激光振荡声光46将具有饱和吸收性能的染料(溶液或固态片)置于谐振腔内开始泵浦腔内荧光弱吸收系数大Q值低不能形成激光继续泵浦腔内荧光变强吸收系数变小荧光达到一定值时，吸收系数饱和燃料被漂白Q值突增，形成激光脉冲激光介质染料盒

激光全反镜输出镜氙灯染料饱和吸收调Q是最早出现的被动调Q3.染料饱和吸收调Q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。其吸收系数可以由下式表示：

将具有饱和吸收性能的染料(溶液或固态片)置于谐振腔内激光介质47选择染料要顾及几个方面：染料吸收峰波长与激光波长基本吻合；染料应有适当的饱和光强以便得到合适的开关速度；染料应有一定的稳定性和保存期，以利于实用。选择染料要顾及几个方面：484.4激光锁模技术调Q技术：压缩激光脉冲，得到脉宽毫秒量级、峰值功率千兆瓦量级激光巨脉冲。锁模技术：对激光进行特殊的调制，强迫激光器中振荡的各纵模相位固定，使各模式相干叠加以得到超短激光脉冲。4.4.1锁模原理1.非均匀增宽激光器中某一纵模电矢量大小可写成

2.锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。则总的输出为，各纵模为非相干叠加。3.设腔内有q＝-N，-(N-1)，……0，……(N-1)，N共(2N+1)个模式，又设相邻模式的圆频率之差，则4.如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0，则

4.4激光锁模技术调Q技术：压缩激光脉冲，得到脉宽毫秒量级494.4.1锁模原理5.图4-30是2N+1＝9个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。

当时，m=0，1，2……光强最大图4-30锁模光强脉冲相邻脉冲峰值间的时间间隔一个脉冲在腔内往返，每当次脉冲运动到输出镜时，边有一个脉冲输出。

脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔2N+1个模式相干叠加结果光强峰值与(2N+1)2成正比，是未被锁定前的2N+1倍。腔长越长，荧光线宽越宽，纵模数越多，脉冲峰值功率越高。4.4.1锁模原理5.图4-30是2N+1＝9个纵模经锁模504.4.2主动锁模1.损耗内调制锁模

图(4-31)锁模调制示意图图(4-32)中心频率及两边频如图(4-31)所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。设调制周期为，调制频率(恰为纵模频率间隔)

只有通过调制器时损耗为零的光，才能不断地被放大而增长起来，如此得到周期为T的窄脉冲输出，如图(4－30)所示。

从模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心频率处的模首先振荡，其调制后的电矢量为：即在激光器中，一旦形成的振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡，如图（4－32）。两个相邻模式的振荡又将产生新的边频振荡，直到增益曲线内所有可能的纵模都激发起来，相干叠加，最终形成超短脉冲输出。4.4.2主动锁模1.损耗内调制锁模图(4-31)锁514.4.2主动锁模2.相位内调制锁模

如果在谐振腔中插入一个电光位相调制器，也可达到锁模的目的。设光振幅不变，位相以频率变化，即

位相调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模。4.4.3被动锁模被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸收染料的“盒”即可。某些纵模偶然地得到相干加强，出现光场较强的部分，其他部分较弱，被逐渐吸收，最终较强的光场以窄脉冲形式被选择出来。

染料必须具备以下几个条件：第一，染料的吸收线应和激光波长很接近；第二，吸收线的线宽要大于或等于激光线宽；第三，其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次的时间，否则就成为被动调Q激光器了。

4.4.2主动锁模2.相位内调制锁模如果在谐振腔中插入52第五章典型激光器介绍第五章典型激光器介绍535.1固体激光器固体激光器：绝缘晶体或玻璃掺杂金属发光离子构成工作物质。常用固体工作物质：红宝石，钕玻璃，钕YAG。特点：输出能量大（可达数万焦耳），峰值功率高（连续输出功率可达数千瓦，脉冲输出可达太瓦量级），结构紧凑。应用：工业，国防，科研，医疗。如：打孔，焊接，划片，测距，雷达，全息照相，激光存储等。5.1固体激光器固体激光器：绝缘晶体或玻璃掺杂金属发光离子545.1.1固体激光器的基本结构与工作物质1.固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。图5-1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。

图5-1固体激光器的基本结构示意图红宝石激光器的优点和主要缺点

：优点：机械强度高，容易生长大尺寸晶体，获得大能量的单模输出，红色激光适用于硅探测器进行探测；缺点：阈值高，温度效应严重。5.1固体激光器5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质1.固体激光器基本55红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2O3)生长成的晶体。它的吸收光谱特性主要取决于铬离子(Cr3＋)，如图5-2所示。它属于三能级系统，相应于图5-3的简化能级模型。激发态、激光上下能级。两条荧光谱线，R1，R2。R1>R2，红宝石激光器产生激光谱线均为R1线（694.3nm）。2.红宝石激光器图(5-2)红宝石中铬离子的吸收光谱图(5-3)红宝石中铬离子的能级结构红宝石是在三氧化二铝(A12O3)中掺入少量的氧化铬(Cr2565.1.1固体激光器的基本结构与工作物质3.掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG)工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)，其吸收光谱如图(5-4)所示图(5-4)Nd3＋:YAG晶体的吸收光谱图(5-5)Nd3＋:YAG的能级结构YAG中Nd3＋与激光产生有关的能级结构如图(5-5)所示。它属于四能级系统。

钕离子激光器特点：阈值低，热学性质优良。5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质3.掺钕钇铝石榴石575.1.2

固体激光器的泵浦系统1.固体激光工作物质是绝缘晶体，一般都采用光泵浦激励。目前的泵浦光源多为工作于弧光放电状态的惰性气体放电灯。泵浦光源应当满足两个基本条件：效率与发射波长。2.常用的泵浦灯在空间的辐射都是全方位的，因而固体工作物质一般都加工成圆柱棒形状，所以为了将泵浦灯发出的光能完全聚到工作物质上，必须采用聚光腔。

3.图(5-6)所示的椭圆柱聚光腔是小型固体激光器中最常采用的聚光腔，它的内表面被抛光成镜面，其横截面是一个椭圆。

图(5-6)椭圆柱聚光腔4.固体激光器的泵浦系统还要冷却和滤光。常用的冷却方式有液体冷却、气体冷却和传导冷却等，其中以液冷最为普遍。

5.1.2固体激光器的泵浦系统1.固体激光工作物质是绝缘585.2气体激光器气体激光器：气体或蒸汽为工作物质。气体原子，分子，离子能级丰富，谱线范围宽，激光波长遍布紫外至远红外。特点：光束质量好，在工业，国防，科学研究中广泛使用。5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器的结构和激发机理

图(5-9)He-Ne激光器的基本结构形式

He-Ne激光器可以分为内腔式、外腔式和半内腔式三种，如图(5-9)所示。

5.2气体激光器气体激光器：气体或蒸汽为工作物质。5.2.59图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图1.He-Ne激光器的结构和激发机理

He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条:3S2P0.63282S2P1.153S3P3.39

5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器图(5-10)是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。

图(5-10)与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图1.H602.He-Ne激光器的输出特性

(1)谱线竞争:

He-Ne激光器三条强的激光谱线(0.6328m，1.15m，3.39m)中哪一条谱线起振完全取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。见图(5-10)

(2)输出功率特性:

He-Ne激光器的放电电流对输出功率影响很大。图(5-11)是实验测得的输出功率与放电电流的关系曲线

图(5-11)输出功率与放电电流的关系曲线在最佳充气条件下，使输出功率最大的放电电流叫最佳放电电流

He-Ne激光器存在着最佳混合比和最佳充气总压强，即存在最佳充气条件。

若放电毛细管的直径为d，充气压强为p，则存在一个使输出功率最大的最佳pd值。在最佳放电条件下，工作物质的增益系数和毛细管直径d成反比。

5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器He-Ne激光器特点：结构简单，使用方便，光束质量好，制造工艺简单。2.He-Ne激光器的输出特性(1)谱线竞争:He611.CO2激光器的结构和激发过程

图(5-12)封离式CO2激光器结构示意图5.2.2二氧化碳激光器图(5-12)是一种典型的结构示意图。构成CO2激光器谐振腔的两个反射镜放置在可供调节的腔片架上，最简单的方法是将反射镜直接贴在放电管的两端。

1.CO2激光器的结构和激发过程图(5-12)封离式C621.CO2激光器的结构和激发过程

5.2.2二氧化碳激光器CO2激光器中与产生激光有关的CO2分子能级图如图(5-13)所示。

图(5-13)与产生激光有关的CO2分子能级图1.CO2激光器的结构和激发过程5.2.2二氧化碳激光631.CO2激光器的输出特性5.2.2二氧化碳激光器相应于CO2激光器的输出功率，其放电电流有一个最佳值。CO2激光器的最佳放电电流与放电管的直径，管内总气压，以及气体混合比有关。

(1)放电特性

CO2激光器的转换效率是很高的，但最高也不会超过40％，这就是说，将有60％以上的能量转换为气体的热能，使温度升高。而气体温度的升高，将引起激光上能级的消激发和激光下能级的热激发，这都会使粒子的反转数减少。并且，气体温度的升高，将使谱线展宽，导致增益系数下降。特别是，气体温度的升高，还将引起CO2分子的分解，降低放电管内的CO2分子浓度。

(2)温度效应CO2激光器的特点：可连续输出，又能脉冲输出，功率大，效率高，能量转换效率高达20%-25%，连续输出功率可达104瓦量级，脉冲输出能量可达104焦耳量级，脉冲宽度可压缩至纳秒量级；CO2激光器波长窗口处于大气窗口，广泛应用于材料加工、通讯，雷达，外科手术等。1.CO2激光器的输出特性5.2.2二氧化碳激光器相应645.2.3Ar+离子激光器Ar＋激光器的结构

气态离子不同激发态之间的激发跃迁实现的激光器。Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组成。如图(5-14)所示为石墨放电管的分段结构。

图(5-14)分段石墨结构Ar+激光器示意图5.2.3Ar+离子激光器Ar＋激光器的结构Ar＋激光器655.2.3Ar+离子激光器2.Ar＋激光器的激发机理

Ar＋激光器与激光辐射有关的能级结构如图(5-15)所示

图(5-15)与产生激光有关的Ar+的能级结构5.2.3Ar+离子激光器2.Ar＋激光器的激发机理A665.2.3Ar+离子激光器2.Ar＋激光器的工作持性Ar＋激光器可以产生多条激光谱线，对应每条谱线都有一个阈值电流

(1)多谱线工作(2)输出功率与放电电流的关系由于Ar＋激光器特殊的激发机制，其输出功率随放电电流的变化规律与其它激光器有所不同，图(5-16)示出了其间的关系曲线。

图(5-16)Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线Ar+离子激光器特点：可连续工作，也可以脉冲状态运转，连续功率可达几瓦到几十瓦，最高可达百瓦，是目前在可见去连续输出功率最高的气体激光器，广泛应用于全息照相，光谱分析等领域。5.2.3Ar+离子激光器2.Ar＋激光器的工作持性A675.3.1准分子激光器1.准分子激光器的特点图(5-33)准分子的能级结构能级结构有明显的特点。如图(5-33)所示，A表示较高激发态，B表示激光上能级，C表示基态。由于基态寿命很短，即使是超短脉冲情况下，基态也可认为是空的，因此准分子体系对产生巨脉冲特别有利。激光下能级是基态，基本上没有无辐射损耗。因此量子效率很高，这是准分子激光器可能达到高效率的主要原因。由于激光下能级的离子迅速离解，因而拉长脉宽和高重复率工作都没有困难。由于准分子的荧光光谱为一连续带，故可做成频率可调谐器件。2.准分子激光器的泵浦方式电子束泵浦:①横向泵浦②纵向泵浦快速放电泵浦:快速放电泵浦方式多采用所谓布鲁姆莱(Blumlein)电路5.3其他激光器5.3.1准分子激光器1.准分子激光器的特点图(5-33685.3.2自由电子激光器1.自由电子激光器的工作物质是自由电子束，它和普通激光器的根本区别在于：辐射不是基于原子、分子或离子的束缚电子能级间的跃迁。自由电子激光器是一种把电子束动能转变为相干辐射能的装置。2.自由电子激光的特点：1）输出激光波长连续可调；2）不是具体形态物质，不会出现自聚焦等非线性光学损伤；3）能量转换效率高，可达50%以上。将化学能直接转换成激光。3.目前，自由电子激光器仍处于试验阶段，离实际应用尚有相当一段距离。5.3.3化学激光器1.化学激光器是指基于化学反应来建立粒子数反转而产生受激辐射的一类激光器。化学激光器的工作物质可以是气体或液体，但目前大多数是用气体。2.化学激光器具有如下三方面的特点输出的激光波长丰富。高功率、高能量激光输出。5.3.2自由电子激光器1.自由电子激光器的工作物质是自由693.8激光束的变换绝大多数激光器发出的光束，在投入使用之前都要通过一定的光学系统变换成所需要的形式。如激光打孔——激光聚焦，激光测距——激光准直，激光全息摄影——激光扩束。多数激光器应用时输出的是高斯光束，因此高斯光束通过光学系统的变换特性是激光应用的一个重要的基本问题。高斯光束在自由空间中的传播与平面波和球面波不同，通过光学系统时存在和平面波以及球面波不同的特性。

3.8激光束的变换绝大多数激光器发出的光束，在703.8.1高斯光束通过薄透镜时的变换1.透镜的成像公式：，注意参数的正负。从波动光学的角度讲，薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径。透镜的变换（成像）特性推广至高斯光束中去。注意：1)由于薄透镜很薄，因此在透镜两边的入射光束和出射光束具有相同的光强分布，即入射光的光场分布为高斯型，出射光束的光场分布也为高斯型；2)出射光束在透镜处的截面半径与入射光束在透镜处的截面半径相等；3)入射、出射的高斯光束在透镜处的波面曲率半径满足以上的成像公式。

2.从光波的角度看，规定发散球面波的曲率半径为正，会聚球面波的曲率半径为负，则如图3-18所示，成像公式可改写为：图3-18球面波通过薄透镜的变换3.8.1高斯光束通过薄透镜时的变换1.透镜的成像公式：713.将透镜的变换应用到高斯光束上。如图3-19所示，有以下关系：①②图3-19高斯光束通过薄透镜的变换实际问题中，通常和是已知的，此时，则入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别为：3.将透镜的变换应用到高斯光束上。如图3-19所示，有以下724.由①和②式可求得出射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径。这样我们可以通过入射光束的、来确定出射光束的、了。图3-20高斯光束通过薄透镜的变换4.由①和②式可求得出射光束在镜面处的波阵面半径73(1)短焦距：即3.8.2高斯光束的聚焦1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形(2)短焦距时(3)在满足条件和的情况下，出射的光束聚焦于透镜的焦点附近。如图3-21所示，这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。图3-21短焦距透镜的聚焦(4)由前面的结论可得：(1)短焦距：即3.8.2高斯光束的聚焦1.高斯光束入射74(5)即缩短和加大都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的。3.8.2高斯光束的聚焦前一种方法就是要采用焦距小的透镜后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大；另一种办法就是加大入射光的发散角从而加大，加大入射光的发散角又可以有两种做法，如图3-22和图3-23图3-22用凹透镜增大ω后获得微小的ω’0图3-23用两个凸透镜聚焦(5)即缩短和加大都可以75(6)3.8.2高斯光束的聚焦这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。通过以上的讨论我们看到，不论是聚焦点的位置，还是求会聚光斑的大小，都可以在一定的条件下把高斯光束按照几何光学的规律来处理。(6)3.8.2高斯光束的聚焦这与几何光学中物、象的尺寸比763.8.2高斯光束的聚焦2.入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的情形(1)(2)同理有：(3)根据高斯光束的渐变性可以设想，只要和相差不大，高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。3.8.2高斯光束的聚焦2.入射高斯光束的腰到透镜的距离s773.8.3高斯光束的准直1.高斯光束的准直：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。2.可以看出，增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角。3.选用两个透镜，短焦距的凸透镜和焦距较长的凸透镜可以达到准直的目的。图3-24倒装望远镜系统压缩光束发散角M’是高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。M是倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。由于f2＞f1，所以M＞1。又由于＞0，因此有M’M＞13.8.3高斯光束的准直1.高斯光束的准直：改善光束的方向783.8.4高斯光束的扩束

扩束：扩大光束光斑的尺寸。通常有两种方法：1.扩大发散角进而扩大光斑尺寸，可用凹、凸透镜实现。要求在焦点处产生一个极小的束腰半径，得到发散角大的高斯光束，实现扩束。2.扩大光斑尺寸，但保持较小的发散角，可用倒置望远系统实现。3.8.4高斯光束的扩束

扩束：扩大光束光斑的尺寸。通常有791.造成线宽的原因(1)能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度(2)发光粒子之间的碰撞造成了谱线的碰撞宽度(或压力宽度)。(3)发光粒子的热运动造成了谱线的多普勒宽度。实际的谱线线型是以上三者共同作用的结果，我们把这样的谱线叫做发光物质的荧光谱线，其线宽叫做荧光线宽。2.激光器的线宽对一个激光器来说，当它在稳定工作时，其增益正好等于总损耗。这时的理想情况是：损耗的能量在腔内的受激过程中得到了补充，而且在受激过程中产生的光波与原来光波有相同的位相，所以新产生的光波与原来的光波相干叠加，使腔内光波的振幅始终保持恒定，相应的就有无限长的波列，故线宽应为“0”。如果激光器是单模输出的话，那么它输出的谱线应该是落在荧光线宽范围内的一条“线”(见图(3-16))。图(3-16)荧光谱线与理想的单色激光谱线3.9激光器的线宽极限1.造成线宽的原因(1)能级的有限寿命造成了谱线的自然宽803.造成激光器线宽的原因另一方面，腔内自发辐射又产生一列一列前后位相无关的波列，这些波列和相干的波列的光强相叠加，使腔内的光强保持稳定。而这样一些一段一段的互相独立的自发辐射的波列也要造成一定的线宽。首先是内部的原因：在理想的激光器中完全忽略了激活介质的自发辐射，而一个实际的激光器尽管它的自发辐射相对于受激辐射来说是极其微弱的，但它毕竟还是不可避免地存在着，而且在激光器的输出功率中也贡献它极其微小的一个份额。这样，激光器的增益就应该包括受激过程和自发过程两部分的贡献。在振荡达到平衡时，激光器内的能量平衡，应该是介质的受激辐射增益与自发辐射增益之和等于腔的总损耗，因而受激辐射的增益应略小于总损耗。这样，对于受激辐射的相干光来说，每一个波列都存在一定的衰减率，正是这种衰减造成了一定的线宽，这是问题的一面。以上两方面的因素就造成了由于存在自发辐射而引起的激光线宽。如图(3-17)所示，曲线1是衰减的相干光的谱线，曲线2是自发辐射本身的谱线，曲线3是总的谱线。图(3-17)激光的极限线宽3.造成激光器线宽的原因另一方面，腔内自发辐射又产814.激光线宽与激光器输出功率成反比增加激光器的输出功率可以减小由于自发辐射引起的激光线宽。理论计算表明激光线宽是和激光器输出功率成反比的。理论计算还指出，单纯由于腔内自发辐射而引起的激光谱线宽度远小于lHz。而实验测得的激光线宽却远远大于这个数值。这说明造成激光线宽还有其他的较自发辐射影响更大的因素。尽管如此，对于自发辐射造成激光线宽的分析还是十分有意义的。因为自发辐射是在任何激光器中都存在的，所以这种因素造成的激光线宽是无法排除的。也就是说这种线宽是消除了其他各种使激光线宽增加的因素后，最终可以达到的最小线宽，所以叫做线宽极限。4.激光线宽与激光器输出功率成反比增加激光器的输出82第四章激光器的基本技术第四章激光器的基本技术834.1激光模式的选取

从一台简单激光器出射的激光束，其性能往往不能满足应用的需要，因此不断地发展了旨在控制与改善激光器输出特件的各种单元技术。为了改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性，发展了模式选择、稳频及注入锁定技术。为了获得窄脉冲高峰值功率的激光束，发展了Q调制、锁模、增益开关等技术。4.1激光模式的选取从一台简单激光器出射的激光束，其性能844.1激光模式的选取

85理想激光器的输出光束应只具有一个模式，但不采取选模措施时，多数激光器的工作状态是多模的。选模的意义：基横模(TEM00)——发散角小，空间相干性好单纵模——单色性好，时间相干性好激光准直、激光加工、非线性光学研究、激光中远程测距等应用均需基横模激光束。而在精密干涉计量、光通信及大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的，同时要求光束仅含有一个纵模。4.1激光模式的选取16理想激光器的输出光束应只具有一个854.1.1激光单纵模的选取

1.均匀增宽型谱线的纵模竞争(1)当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。(2)多纵模的情况下，如图4-1所示，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件。随着腔内光强逐步增强，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光强继续增长，最后变为曲线3的情形。图4-1均匀增宽型谱线纵模竞争(3)若此时的光强为Iq，则有，于是振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模的振荡。这种现象叫做“纵模的竞争”，竞争的结果总是最靠近谱线中心频率的那个纵模被保持下来。(4)在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较强时，也可能有比较弱的其他纵模出现，这种现象称为模的“空间竞争”。4.1.1激光单纵模的选取1.均匀增宽型谱线的纵模竞争864.1.1激光单纵模的选取

2.非均匀增宽型谱线的多纵模振荡(1)非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。

3.单纵模的选取(1)短腔法：

两相邻纵模间的频率差，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度。如：He-Ne激光器中，荧光谱线宽度约为1500MHz，若激光器的腔长为10cm，则纵模间隔约为1500MHz，因此，对He-Ne激光器，只要将腔长做到小于10cm就可获得单纵模输出。缺点：腔长短，则激活介质的长度将受到限制，影响激光器的输出功率，对于大功率激光器不适用；另外，有些激光器的荧光谱线很宽，若要得到足够宽的纵模间距，则需要腔长缩到很短，激活介质也被缩短，难以获得粒子数反转。如：Nd：YAG激光器的荧光谱线宽度约为200GHz，这就要求单纵模的腔长约为4mm，不可取。4.1.1激光单纵模的选取2.非均匀增宽型谱线的多纵模874.1.1激光单纵模的选取

(2)法布里-珀罗标准具法：

如图4-2所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里－珀罗标准具图(4-2)法布里-珀罗标准具法示意图由于多光束干涉的结果，对于满足下列条件的光具有极高的透射率产生激光振荡的频率不仅要满足谐振条件，还需要对标准具有最大的透射率能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为与比较，可知当选择d远小于L时，便可使vm远大于vq，从而获得频率为vm的单纵模输出。特点：插入标准具将引入损耗，对小功率激光器不适合，但对于高增益的激光器（如CO2激光器）则十分有效。4.1.1激光单纵模的选取

(2)法布里-珀罗标准具法884.1.1激光单纵模的选取

(3)三反射镜法：

如图4-3所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合图4-3三反射镜法两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)，只有同时满足这两个谐振条件的光才能形成振荡。所以，只要L2+L3足够小，就可获得单纵模输出。4.1.1激光单纵模的选取(3)三反射镜法：如图4-894.1.2激光单横模的选取

激光振荡条件：增益系数大于损耗系数。损耗分类：选择性损耗、非选择性损耗。选模的实质：使基横模达到振荡条件，使高阶横模振荡受到限制。控制高阶横模的损耗，达到选取横模的目的。一般只要能够抑制比基横模高一阶的TEM10和TEM01模的振荡，就能抑制其他高阶模的振荡。1.衍射损耗和菲涅耳数4.1.2激光单横模的选取激光振荡条件：增益系数大于损耗904.1.2激光单横模的选取

(1)由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。

(2)如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的基横模高斯光束光强分布可以表示为

(3)单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率与射向镜面的总光功率之比图4-4腔的衍射损耗1.反射镜面越大，衍射损耗越低，实际激光器中，反射镜面尺寸相对于光束足够大；2.镜面光斑尺寸越小，衍射损耗越小。横模阶次越高，光斑尺寸越大，损耗越高。4.1.2激光单横模的选取(1)由于衍射效应形成的光能91(4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的参量，它定义为

4.1.2激光单横模的选取

2.衍射损耗曲线(1)图4-5给出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的衍射损耗—菲涅尔数曲线。图4-5不同腔的衍射损耗曲线1.N越大，损耗越小；2.N一定，横模序数m，n越大，损耗越大；3.由于凹面镜的汇聚作用，共焦腔比平行平面腔损耗小，(4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的924.1.2激光单横模的选取

3.光阑法选取单横模思想：利用小孔光阑选取基横模(1)基本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑。

基模具有最小的光束半径，其他高阶横模的光束半径随模数的增加而增大。若光阑的半径与基模光束半径相当，基模可以顺利通过，而高阶模大部分被阻挡，不能顺利通过，从而达到选横模的目的。对于气体激光器（利用毛细管的结构），可适当的调节毛细管的粗度实现光阑的功能，而对于固体激光器则需要在谐振腔内另设置光阑。特点：结构简单，调整方便。但是，受小孔限制，工作物质的体积不能得到充分利用，输出激光功率比较低，并且由于腔内功率密度高，小孔容易损坏。4.1.2激光单横模的选取3.光阑法选取单横模934.聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模(1)聚焦光阑法：如图4-6所示，在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率。(2)腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-7所示。图4-6聚焦光阑法图4-7腔内望远镜法特点：该方法能够充分利用激光工作物质，获得较大功率输出；输出光斑大小适当，不会损伤光学元件。4.聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模(1)聚焦光阑法：如图4944.2激光器的稳频稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比

复现性是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量

为什么稳频：由于内部和外部环境的变化，谐振频率会发生移动，该现象为“频率漂移”，导致激光器频率稳定性的问题。稳频意义：设法控制可控制的因素，使其对振荡频率的干扰减值最小值，提高频率的稳定性，减小频率的漂移。频率稳定性的描述：

根据实际需求与现实水平，一般希望稳定度和复现度能在10-8以上。目前稳定度一般在10-9左右，较高的可达10-13；复现度一般可达10-7，最高可达10-12。以He-Ne激光器为例，介绍稳频技术（这些方法对其他激光器也适用）4.2激光器的稳频稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频951.腔长变化的影响(1)温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架(2)机械振动：采取减震措施2.折射率变化的影响(1)内腔激光器:谐振腔封闭在放电管内，温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略。(2)外腔和半内腔激光器:腔的一部分处于大气之中，温度T、气压P、湿度h的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减小T、P、h的脉动。4.2.1影响频率稳定的因素对TEM00q模来说，谐振频率的公式可以简化为：当L的变化为L，m的变化为m时，引起的频率相对变化为：1.腔长变化的影响(1)温度变化：一般选用热膨胀系数小的964.2.2稳频方法概述1.被动式稳频利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合，使热膨胀相互抵消，实现稳频，通常用于工程上对稳频精度要求不高的场合。例如：632.8nm氦氖激光器，频率变化可以小于20Hz，稳定度达10-13.把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。误差信号经过放大后通过反馈系统返回来控制腔长，是振荡频率回到参考频率，实现稳频。2.主动式稳频(1)把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。(2)把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如饱和吸收法。依据选择参考频率的不同：稳频方法可以分为两类：4.2.2稳频方法概述1.被动式稳频利用热膨胀系97一、兰姆凹陷稳频1.基本原理兰姆凹陷稳频法是以增益曲线中心频率n0作为参考标准频率，通过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控制激光器腔长的，它可使频率稳定于n0处，其稳频装如图一、兰姆凹陷稳频98激光管采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐振腔的两个反射镜安置在殷钢架上，其中一个贴在压电陶瓷环上。陶瓷环的长度约为几厘米，环的内外表面接有两个电极，加有频率为f的调制电压，当外表面为正电压,内表面为负电压时陶瓷环伸长,反之则缩短。改变陶瓷环上的电压即可调整谐振腔的长度，以补偿外界因素所造成的腔长变化。光电接收器一般采用硅光电三极管，它能将光信号转变成相应的电信号。激光管采用热膨胀系数很小的石英做成外腔式结构，谐振腔的两个反992.兰姆凹陷稳频的实质谱线的中心频率v0作为参考标准，当激光振荡频率偏离v0时，即输出一误差信息通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长把激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处2.兰姆凹陷稳频的实质1003.

应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题稳频激光器不仅要求是单横模，而且还要求必须是单纵模频率稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率有关，斜率越大，误差信号就越大，因而灵敏度高，稳定性就越好兰姆凹陷线型的对称性也影响频率的稳定性兰姆凹陷稳频以原子跃迁谱线中心频率v0作为参考标准3.应用兰姆凹陷稳频时应注意的问题稳频激光器不仅要求是单横101二、饱和吸收稳频(反兰姆凹陷稳频)兰姆凹陷稳频是以增益曲线中心频率v0作为参考标准频率，v0易受放电条件的影响而变化，频率复现性差提高稳频精度提高兰姆凹陷锐度，但是激光管不能在过低的气压下工作，频率稳定性的进一步改善受到限制解决途径：饱和吸收稳频饱和吸收法稳频的示意装置如图所示。

二、饱和吸收稳频(反兰姆凹陷稳频)饱和吸收法稳频的102反兰姆凹陷稳频优点通常利用分子的基态与振转能级间的饱和吸收进行稳频，吸收较强，可在低气压下工作，碰撞线宽小；分子振转能级寿命长，自然线宽小——可得尖锐的反兰姆凹陷利用自基态的吸收跃迁，频率复现性好国际上规定甲烷和碘吸收稳频的He-Ne激光波长可作为长度基准和米定义反兰姆凹陷稳频优点国际上规定甲烷和碘吸收稳频的He-Ne激光1034.3Q调制调Q技术是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。调Q技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级(峰值功率达106W以上)短脉冲技术4.3Q调制调Q技术是应人们对高峰值功率、窄脉宽激光脉冲1044.3.1Q调制激光器的工作原理调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是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。现在，获得峰值功率在兆瓦级(106W)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已不困难。一、脉冲固体激光器的输出的驰豫振荡弛豫振荡效应:将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的。4.3.1Q调制激光器的工作原理调Q技术的出现和发展，是105106红宝石单模激光器输出波形弛豫振荡的特点：(1)峰值功率不高，只在阈值附近(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率原因:激光器的阈值始终保持不变37红宝石单模激光器输出波形弛豫振荡的特点：(1)峰值功率106二、谐振腔的品质因数Q谐振腔Q值的普遍定义为腔内振荡光束的体积为V，则储存在腔内的总能量为e=nhvV能量损耗率为品质因数Q为二、谐振腔的品质因数Q谐振腔Q值的普遍定义为腔内振荡光束的体107三、调Q的基本原理

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。——普通激光器峰值功率不能提高的原因激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制——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