第七章-激光技术

第七章激光技术一、光波的调制

光调制：通过改变载波的振幅、强度、频率、

相位、偏振等参数来携带信息

光调制的分类：内腔调制（电光调制）

外腔调制（声光调制，磁光调制）

直接调制（电源调制）

1、等幅光频信号的频谱

沿一定方向传播的单色光频信号，数学表达式为考虑到信号是定域的，信号由多个正弦波构成图7.12、光频信号的幅度调制幅度调制（AM）：将幅度E用随时间变化的量代替，即光频信号的幅度按调制信号形式发生变化一般情况下

其中

分别为上边带分量和下边带分量，具有相等幅度，呈对称分布。调制系数多频调幅3、光频信号的频率和相位调制相位调制（PM）频率调制（FM）相位调制的峰值相移和调制信号幅度成正比，频率调制的频偏和调制信号幅度成正比，二者本质上是一样的图7.57.74、光频信号的强度调制强度调制是指光频载波的振幅平方受到调制，由于一般光探测器件都和光强有直接关系，所以被普遍应用MI强度调制系数对多种调制信号图7.9图7.85、光频信号的脉冲调制与脉冲编码调制脉冲调制是用一种断续的周期性脉冲序列作为载波，这种载波受到调制信号的控制，脉冲的幅度、位置、频率等随调制信号变化而传递信息脉冲调制分为脉冲调幅(PAM)、脉冲强度调制(PIM)、脉冲频率调制(PFM)、脉冲调位(PPM)、脉冲调宽(PWM)脉冲强度调制脉位调制脉冲调频脉冲编码调制脉冲编码调制包括三个过程：抽样、量化和编码抽样：把连续的信号波分割成不连续的脉冲序列量化：把抽样后的脉幅调制信号分级取整，用最接近的整数值代替实际值编码：通过量化变成用数字表示的信号，再把这种信号变换成相应的二进制代码图7.12二、电光调制电光调制的物理基础就是电光效应。电光效应：物质的折射率因外加电场而发生变化的一

种效应。

包括:线性电光效应（Pockel效应）和二次电

光效应(kerr效应)单轴晶体1.电光效应晶体在外电场的作用下，其极化率张量和折射率会发生变化。这种由于外电场引起的晶体介电和光学特性变化的现象就称为电光效应介质的折射率在电场作用下在E不太大的情况下，n(E)只包含E和E2项。把折射率随电场线性变化的称为普克尔效应（Pockel），把折射率包含二次项的称为克尔效应（Kerr）或二次电光效应。克尔效应对任何晶体都存在，普克尔效应在反演对称晶体中不存在。一般情况下普克尔效应要大于克尔效应，因此仅讨论普克尔效应在外电场的作用下，折射率椭球将发生变化，原来光轴沿Z方向的椭球方程不成立，应写为一般形式加电场后只考虑普克尔效应由于Δn较小i=1,2,…6写成矩阵形式电光张量电光系数折射率椭球方程为KDP晶体的位相延迟KDP晶体的电光张量KDP的折射率椭球方程为若电场取Z方向，则xyxyx’y’45XY与X’Y’之间的转换关系得到在X’Y’坐标系中的椭球方程或其中对KDP晶体，一般如果光波沿Z方向转播，则光波X’的偏振分量和Y’的偏振分量通过晶体后会产生位相差，设晶体厚度为l，则位相差为V为晶体二端所加电压当位相差为时，所加电压为称为半波电压根据半波电压，位相差又可写为一线偏光在X’Y’坐标中可以分解为通过晶体后合成后的偏振光的电矢量振动轨迹为图7。152.电光调制正交偏振片，放光电晶体和1/4波片，波片光轴和x交45度以x’y’为坐标系，入射光通过晶体和波片后，x’和y’方向的电场位相差为因此出射的光波电场为通过检偏镜后的电场为透过的光强透过率若外电压V为信号调制电压，即因此由于Vm很小，所以电压沿光传播方向，称为纵向调制外电场和光传播方向垂直，称为横向调制自偏置横向调制的优点：1.电极不会遮挡光路；2.无需波片；3.可增加长度减小d来降低电压，增加光电效应缺点：对温度敏感3、声光调制超声波在介质中传播时，引起介质密度交替变化，其折射率也发生相应变化。存在超声波的介质可以看作一个超声光栅，光栅常数等于波长。入射光被光栅衍射，衍射光的强度、频率和方向都随超声场而变化。声波在介质中传播分行波和驻波两种形式。行波所形成的超声光栅是空间移动的，介质折射率的增大减小是交替变化的，并以声速向前推进。折射率的瞬时空间变化可以表示为

驻波形成的相位光栅是固定在空间的，可以认为是两个相向行波叠加的结果，介质折射率随时间变化的规律为声光相互作用按照各级衍射光动量失配程度的不同，分为拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射。为了界定两种类型的衍射，引入参Q，当Q<0.3时为拉曼-奈斯衍射，当Q>4π时为布拉格衍射。拉曼-奈斯衍射：超声频率较低，声光作用长度较短，超声光栅与普通平面光栅类似，因此光通过光栅后将产生多级衍射，各级衍射对称的分布在零级光两侧布拉格衍射：声波频率较高，声光作用长度L较大，而且光线与声波面之间的角度满足布拉格条件。布拉格声光调制器的效率较高。

布喇格衍射光通过声光效应产生的光栅后会产生二种衍射：布喇格衍射和喇曼-奈斯衍射布喇格衍射是指声频很高，声光作用距离较长，入射光和声波有一定夹角，只产生一个衍射级次的衍射布喇格衍射中入射光穿过多层的高低折射率层，衍射光在反射方向形成相干极大5.26a设声波长为s，根据相干叠加原理，相干极大满足称为布喇格角，等式称为布喇格条件要满足布喇格衍射，光应至少穿过二层波阵面，则从量子力学理论来看，声光作用是光子和声子的结合图5.26b因此衍射光相对入射光有一频移布喇格衍射的衍射光强0级光强衍射光强其中Is超声强度因此衍射光强可写为品质因素一级衍射效率为令喇曼-奈斯衍射L较小，声频较低，满足喇曼-奈斯衍射满足普通光栅衍射的特性喇曼-奈斯衍射也存在频率漂移衍射光光强Jm一类贝塞尔函数5.27声光调制器声光调制器：应用声光相互作用，对光波的强度、相位、传播方向和频率等进行调制。

声光调制器一般由声光晶体、压电换能器、吸声装置、驱动电源组成。驱动电源产生高频功率信号，由电极加到压电换能器两端，再将电功率信号转换成超声波，通过耦合层耦合到声光介质中，介质在超声波的作用下，折射率发生变化，形成相位光栅，对入射光进行调制。键合层电极电极引线压电换能器声光晶体法拉第效应光学介质的折射率随波长的变化称为色散折射率的变化在介质吸收谱附近会发生突变，称为反常色散区在外磁场的作用下，物质的吸收谱会发生分裂，分裂出二条对称于原光谱的吸收谱，分别对应于左旋光和右旋光浦线分裂导致反常色散区的分裂，使得对某一频率的光谱左旋光和右旋光产生不同的折射率图5.294、磁光效应与磁光隔离器设左旋光和右旋光的折射率分别为n左和n右，通过介质长度l，则位相差合成后线偏光的转角其中和H成正比因此线偏振光的转角其中K称为范德特常数图5.30磁光调制可用于光纤通信中做光隔离器、光开关等。线性磁光调制：利用法拉第旋光效应完成的一种磁光调制。将一磁光介质（YIG棒）置于恒磁场中，棒的两侧分别放置起偏器和检偏器。输入光经过起偏器后为线偏光，再通过电磁场发生法拉第效应。旋转的角度满足下面公式：由此可知，输出光的偏振方向或旋转角受到射频信号的调制，且是线性调制。

射频激励源YIG棒检偏器输出光磁光隔离器：由于法拉第效应的不可逆性，使得它在激光系统中有着重要的应用。例如在激光系统中，为了避免光路中各光学界面的反射光对激光源产生干扰。可利用法拉第效应制成光隔离器，只允许光从一个方向通过，不允许反向通过。

法拉第光旋转器/光隔离器广泛应用于各种激光系统中，如多级激光放大器，光参量振荡器，环形激光器，掺饵光纤放大器，种子注入型激光器等激光放大器P1改进型葛—汤棱镜螺线管磁光材料与P1成45度的葛—汤棱镜激光放大器调Q技术调Q技术：适用于脉冲激光器，压缩脉宽，提高峰值功率品质因数：调Q技术又称Q突变技术或Q开关技术，根据储能方式不同可分为工作物质储能方式和谐振腔储能方式。工作物质调Q：能量以激活粒子的形式储存在工作物质中，由上面的公式可知，单程损耗率与谐振腔Q值成反比，只要控制单程损耗率从高到低的阶跃变化，就可实现Q值由低到高阶跃变化。（图在下页）

谐振腔的损耗包括反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗、输出损耗。控制反射损耗：转镜调Q技术和电光调Q技术控制吸收损耗：可饱和染料调Q技术控制衍射损耗：声光调Q技术控制输出损耗：透射式调Q技术和破坏全反射调Q技术谐振腔储能调Q:使能量以光子形式储存在谐振腔中，当腔内光子积累足够多时，使之快速释放到腔外，获得强激光脉冲。由图可知，谐振腔的Q值实现阶跃变化时，腔内才开始有微弱的激光振荡，经历时间td后，激光的强度才达到峰值。对于典型的阶跃变化时，形成激光脉冲需要一定的时间，巨脉冲的宽度一般达10ns-20ns。由于这种调Q激光器是一边形成激光巨脉冲，一边从部分反射镜端输出。因此，所得输出脉冲的形状与腔内光强增减变化状况一样。另外，由于存在Nf,工作物质中有一部分能量未能取出，影响了激光器效率。而谐振腔储能调Q可以很好的解决上述弊病。如下图，把腔的部分反射镜改为可控的全反射镜，即可达到谐振腔储能调Q目的全反镜工作物质起偏器1电光晶体起偏器2全反镜电光调Q激光器带偏振器的Pockels电光调Q激光器：利用一个起偏棱镜同时作为起偏器和检偏器。如下图，YAG为工作物质，用Z切割KDP晶体作调制晶体，利用其纵向电光效应，相当于1/4玻片。当线偏光通过晶体后产生相位差，或者说偏振面旋转45度，往返晶体后，产生90度旋转，此时偏振光不能在通过检偏器。输出腔镜YAG偏振棱镜KDP全反镜可饱和吸收调Q激光器可饱和吸收调Q：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Q,目前可用于可饱和吸收物质有两类：可饱和吸收晶体和可饱和吸收染料。调Q染料需要同时满足以下要求：

1.染料对激光波长有强烈的可饱和吸收特性；

2.染料吸收带宽尽量窄；

3.染料要有良好的光化学稳定性适用于红宝石激光器的调Q染料有隐花青、钒钛菁及叶绿素D染料，而对于汝玻璃和YAG激光器，有BDN和五甲川及十一甲川。染料调Q机理腔内插入可饱和吸收染料，开始时由于只吸收工作物质发出的较弱的荧光，吸收很强，透过率很低，相当于在腔内引入很大的损耗，Q值很低，腔内不能形成激光振荡，工作物质处在储能状态。随着工作物质的反转粒子数密度提高，当反转粒子数密度超过阈值后，腔内吸收迅速减小，形成激光巨脉冲。如果继续光泵，则有可能形成第二个激光脉冲，甚至第三个脉冲。要得到单脉冲激光，则泵浦光的持续时间必须很短且强度不能太高。声光调Q声光调Q：利用激光通过声光介质中的超声场时产生衍射，使光束偏离出谐振腔，造成谐振腔的损耗增大，Q值下降，激光振荡不能形成，从而在光泵激励下其上能级反转粒子数将不断积累并达到饱和值，若此时突然撤出超声场，则衍射效应立即消失，损耗值减小，Q值猛增，激光振荡迅速恢复，其能量以巨脉冲形式输出。如下图氪灯高频振荡器脉冲振荡器声光介质吸声材料输出镜换能器全反镜YAG锁模技术通过调Q技术所能获得的最窄脉冲约为ns量级，要想获得ps甚至fs量级的脉冲，则需要锁模技术。锁模原理：一般自由运转的激光器，其输出包含有若干超过阈值的纵模，这些模的振幅和相位均随机变化。激光输出随时间的变化是各纵模无规则叠加的结果，是时间的平均统计值。而锁模技术就是使各纵模之间的相角有一个确定的关系，从而得到超短脉冲的激光输出。在锁模技术中，各纵模相邻频率间隔相等并固定为

，并且具有固定的相对相位关系。激光器谐振腔中由许多频率间隔很小的纵模组成，设第q个模式的电矢量为那么激光器内n个纵模输出的总辐射场为使各个纵模的振幅相等，频率间隔相等，位相相关，就能达到锁模目的。锁模激光具有如下性质：

1.腔长为L的激光器，其纵模间隔为，对于多模激光器的锁模结果，出现了相邻脉冲值间的时间间隔为t=2L/C的规则脉冲序列。可见锁模脉冲的周期t等于光在腔内来回一次的时间。

2.锁模激光脉冲的宽度可由下式确定

锁模方法根据不同类型激光器性能和锁模要求，纵模锁定的方法有主动锁模和被动锁模两类。主动锁模：也称内调制锁模，它采用的是周期性调制激光谐振腔参量的方法，即在腔内插入一个调制器进行模式锁定的技术。调制器的调制频率应精确的等于纵模间隔。主动锁模有可分为振幅调制锁模和相位调制锁模。振幅调制锁模方法：调制激光工作物质的增益或腔内损耗，利用声光或电光调制器均可实现振幅调制锁模。例如在腔内插入损耗调制器，若损耗调制频率为c/2L。相位调制锁模：又可称为频率调制。具体方案是在激光谐振腔中插入一个电光晶体，作为相位调制器，利用电光晶体的折射率随外加电压的变化，产生相位调制。相位调制器的作用可以理解为一种频移，使光波的频率发生向大的或小的方向移动。当激光脉冲每经过相位调制器一次，就产生一次频移，直至移到增益曲线以外。但只有那些在相位变化的极值处（极大或极小）通过调制器的光信号，才能在腔内保存下来，从而形成振荡。被动锁模（可饱和吸收染料锁模）被动锁模：在激光谐振腔内插入以薄层的可吸收体（如染料盒）可构成被动锁模激光器。可饱和吸收体是一种非线性介质，其透过率与光强有关。当光强较弱时对光吸收很强，因此光透过率很低。但随着激光强度增加，吸收减少，当激光强度增加到一特定值时可饱和吸收体的透过率为100%，使强度最大的激光脉冲经受最小的损耗，从而得到很强的锁模脉冲。可饱和吸收体M3M1M2染料激光介质M4选模技术激光振荡通常是多模振荡，包括多纵模和多横模。尽管谐振腔对纵模和横模有限制作用，但在有些场合，如要求提高相干长度是，则需要进行选模，即实现单一频率、单一空间波形振荡。横模选择：激光器以单横模运转的充分条件是，基横模的单程增益大于单程损耗，而高阶横模的单程增益小于损耗。要达到选模的效果，就必须增大高阶横模和基横模的衍射损耗比，即比值越大，则横模鉴别力越高。光阑法选模

1.小孔光阑选模：在谐振腔内插入小孔光阑，光阑的孔径与基

横模的有效光束半径大致相等。2.聚焦光阑法：为了扩大基模横体积，充分利用激光工作物质，

在小孔光阑选模结构基础上，在谐振腔内安置透镜。具体办

法是将小孔光阑放在透镜的焦点上。3.猫眼腔选横模方法：在聚焦光阑法的结构基础上稍作改进。纵模选择色散腔法：利用腔镜的反射模的光谱特性或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间分离，然后设法只使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡，其他波长的光束因不具反馈能力而被抑制掉。q-1qq+1当三个纵模频率q，q-1，q+1在腔内同时存在时，通过透镜或光栅后分离开，只有q的行进方向与反射镜垂直，在腔内形成振荡，其他频率的光被抑制掉。干涉选模法（F-P标准具法）：在谐振腔靠全反射镜一段端插入平行平板，板的两面镀光学薄膜使之有一定的反射率，板的本身就有法布里-泊罗标准具的作用。平行平板的透射率是入射波长的函数，可写成输出镜工作物质平行平面镜全反镜短腔法：激光振荡纵模数主要有工作物质荧光线宽和谐振腔的两个纵模间隔去定。而纵模的频率间隔与腔长L成反比。因此可以通过缩短谐振腔腔长L增大相邻纵模频率间隔，使得在荧光谱线宽度内，只存在一个纵模振荡，从而实现单纵模振荡。短腔法只适用与增益线宽较窄的激光器，原因是腔长缩短，必然影响激光的输出功率。稳频技术激光频率的稳定度影响激光频率稳定性的因素：激光振荡频率主要由谐振腔决定，若腔长或介质折射率发生变化，则激光振荡频率也将发生变化，即由上式可以看出，激光频率的稳定问题，可以归结为保持腔长和折射率稳定的问题。例如：

1.环境稳定的起伏或硬质玻璃的内腔式He-Ne激光工作是发热，使腔长随着温度的改变而伸缩。

2.机械振动导致光学谐振腔的谐振频率变化。激光器的稳频方法兰姆凹陷稳频兰姆凹陷：基于多普勒加宽线型增益曲线的烧孔效应，一个振荡频率在增益曲线上能烧两个孔。当激光频率向中心频率靠近时，量孔的面积正比于每一个纵模消耗的反转集居数。当两孔相连时，在中心频率处出现凹陷，称为兰姆凹陷。兰姆凹陷稳频：以增益曲线中心频率做为参考频率，通过电子伺服系统驱动压电陶瓷环来控制激光器的腔长，它可以使频率稳定于中心频率处。兰姆凹陷法可获得优于的频率稳定度塞曼效应稳频塞曼效应：当一个发光原子系统具有一定高斯量的磁场中，其原子的谱线在磁场的作用下会发生分裂，利用塞曼效应可实现激光器的稳频。双频激光器稳频：当激光管施加了纵向磁场后，由于塞曼效应，光谱线发生塞曼分裂，一个是频率较高的左旋圆偏光，另一个是频率较低的右旋圆偏光。频差为从兰姆凹陷稳频和塞曼效应稳频方法可知，要提高激光输出的频率稳定性和复现性的关键是选择一个稳定的尽可能窄的参考频率。为了提高精度，通常采用外界参考频率标准进行稳频，如分子饱和吸收稳频法。饱和吸收法稳频：在外腔激光器的腔内放置一个吸收管，吸收管内充的气体在激光振荡频率处有强吸收峰。对于he-ne激光，吸收管内充的气体一般在0.13~1.3Pa，低压气体吸收峰的频率很稳定，因此频率复现性好。吸收管的气体在吸收线的中心处产生吸收凹陷的机理和兰姆凹陷相类似。激光倍频及光参量放大非线性光学效应：电场作用于介质，在介质内部产生电偶极矩，使介质极化。当光强不是很强时，极化强度p与光波电场强度的一次方成正比，即线性关系。当作用于介质的光强很强时，介质的极化不仅与光波电场的一次方有关，而且还与光波电场的二次方、三次方等高次方有关，称作非线性极化。在激光出现后，调Q激光器经过透镜聚集后，所能得到的电场强度足以产生非线性效应。非线性效应可用于激光倍频、激光混频、激光参量放大、受激散射、多光子吸收、光学双稳态。本节重点讨论倍频效应（二次光学谐波效应）、光参量放大。激光倍频效应倍频光当光波电场作用于介质时，介质产生极化。在光强不太强时，其极化强度和电场的关系为如果作用作用于介质的光强足够强，介质的极化强度与电场强度的关系我们只考虑二次非线性项，与场强的关系倍频技术是一种频率转换技术，由低频光转换成高频光。要实现高效率倍频，则必须实现相位匹配。相位匹配及倍频转换效率一片厚度为d的非线性晶体，正入射的基频光波在晶体内任一点的电场强度为基频光在晶体中感应产生倍频的电偶极矩振荡，辐射出倍频光波，其相位应是相同位置的基频光波相位的两倍。倍频光传播到出射面时，相位就变成令相位匹配的条件就是此时转换效率为最大。相位匹配的方法所谓实现相位匹配就是使，即倍频光和基频光具有相同的折射率，即，对于正常色散材料，倍频光的折射率总是大于基频光的折射率，不可能实现相位匹配。