激光器單元技術PPT課件

1、第1頁/共74頁二.振幅調(diào)制方式光載波的振幅分量隨調(diào)制信號的規(guī)律而變化,簡稱調(diào)幅.激光光電場:調(diào)制信號:調(diào)制波： ( )cos()ccccE tAt( )cos()mma tAt)cos()cos1 ()(ccmacttmAtE第2頁/共74頁第3頁/共74頁( )cos()cos()2acccccmcmE tAtAt頻譜分布:與載波相比與載波相比較，調(diào)幅波較，調(diào)幅波多了兩個邊多了兩個邊頻分量頻分量cos()2accmcmAt第4頁/共74頁三、相位調(diào)制方式u光載波的相位分量隨調(diào)制信號的規(guī)律變化。u調(diào)相波： u調(diào)相就是光載波的總相角隨著調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩。第5頁/共74頁第6頁/共74

2、頁四、強度調(diào)制方式u由于起解調(diào)作用的光探測接受器一般都是平均光強直接響應（光頻波段光場振幅變化太快Hz，尚不能直接探測），所以強度調(diào)制是激光調(diào)制的主要方式。 第7頁/共74頁u光載波的強度（功率）隨調(diào)制信號的規(guī)律變化。u在激光調(diào)制的實際過程中，振幅、相位和強度調(diào)制是相互聯(lián)系的，主要利用光電場振幅分量的相位差調(diào)制導致的偏振態(tài)的變化或相干疊加條件實現(xiàn)光強度調(diào)制的效果。 第8頁/共74頁五、脈沖調(diào)制方式 u脈沖調(diào)制就是用一種斷續(xù)的周期性脈沖序列作為載波，這種載波受到調(diào)制信號的控制，使脈沖的幅度或位置、頻率等隨之發(fā)生變化。u脈沖調(diào)制方式具有較強的抗干擾能力，光通信中得到廣泛的應用。第9頁/共74頁第1

3、0頁/共74頁u利用電光、聲光和磁光等物理效應，通過調(diào)制器來控制和改變激光的振幅、相位、偏振態(tài)和光強以及傳播方向等參量，是激光調(diào)制的主要方法。激光調(diào)制技術在能量和信息光電子領域有著廣泛而重要的應用。 第11頁/共74頁在外界強電場的作用下在外界強電場的作用下, ,某些本來是各向同性的介某些本來是各向同性的介質(zhì)會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象質(zhì)會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象, ,而本來有雙折射性質(zhì)的晶體而本來有雙折射性質(zhì)的晶體, ,其雙折射性質(zhì)也會發(fā)生變化其雙折射性質(zhì)也會發(fā)生變化, ,這就是這就是電光效應電光效應. .1.1.一級電光效應一級電光效應( (泡克耳斯效應泡克耳斯效應) )外加電場引起的雙折射只與電場的一次方成正

4、比.常用電光晶體:ADP(磷酸二氫銨)KDP(磷酸二氫鉀)縱向電光效應:外加電場的方向與光的傳播方向(光軸Z)一致.橫向電光效應:外加電場的方向(光軸Z)與光的傳播方向垂直.6.2電光調(diào)制（Electro Optic Modulation） 一、一、 電光效應電光效應(EO Effect)第12頁/共74頁xyzUxxyy0nxnyn302n U第13頁/共74頁zxylh3002elnn lnUh第14頁/共74頁2.2.平方電光效應平方電光效應( (克爾效應克爾效應) )電光液體l222UKlh第15頁/共74頁二、縱向與橫向電光調(diào)制器二、縱向與橫向電光調(diào)制器 1縱向運用：外加電場方向與入

5、射光波矢共線平平行稱為縱向方式第16頁/共74頁系統(tǒng)的透過率為T:調(diào)制光強與調(diào)制信號的關系曲線如圖所示 第17頁/共74頁u線性調(diào)制u選取T=50%處為靜態(tài)工作點，在光路中插入一個1/4波片，其主軸與電光晶體的感應主軸平行，相當于引入固定相移。 u對于適當大小的電壓信號，調(diào)制光強與其有線性關系。第18頁/共74頁2.橫向的運用 外加電場方向E與入射光波矢垂直正交稱為橫向方式，電極在通光方向容易形成均勻電場。 第19頁/共74頁3.電光相位調(diào)制電光相位調(diào)制器由起偏器和電光晶體組成。起偏器的偏振軸平行于晶體的感應主軸，此時入射晶體的線偏振光不再分解，而是沿著一個方向偏振，故外加電場不改變出射光的偏

6、振狀態(tài)，僅改變其相位，出射光電場為：第20頁/共74頁6.36.3 聲光調(diào)制聲光調(diào)制 一、聲光效應 聲光調(diào)制的物理基礎是聲光效應。聲光效應是指光波在介質(zhì)中傳播時，按超聲波場衍射或散射的現(xiàn)象。由于聲波是一種彈性波，聲波在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生彈性應力或應變，這種現(xiàn)象稱為彈光效應彈光效應，介質(zhì)彈性形變導致介質(zhì)的密度產(chǎn)生疏密交替的變化，從而引起介質(zhì)折射率的周期變化，并形成折射率光柵折射率光柵。當光波在介質(zhì)中傳播時，就會發(fā)生衍射現(xiàn)象，衍射光的強度、頻率和方向等將隨著超聲場的變化而變化。聲光調(diào)制就是基于這種效應來實現(xiàn)其光調(diào)制或偏轉(zhuǎn)的。第21頁/共74頁1、彈光效應 當晶體材料受外應力的作用產(chǎn)生形變時，分子間的

7、相互作用力發(fā)生改變會導致介質(zhì)密度的變化，從而引起介電常數(shù)(折射率)的改變，這就是彈光效應的物理起因。 2、聲波在介質(zhì)中的傳播 聲波是一種彈性波(縱向應力波)，在介質(zhì)中傳播時，它使介質(zhì)產(chǎn)生相應的彈性形變，從而激起介質(zhì)中各質(zhì)點沿波的傳播方向振動，引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替變化，因此，介質(zhì)的折射率也隨著發(fā)生相應的周期性變化。超聲場作用的這部分介質(zhì)如同一個光學的“相位光柵”，該光柵間距(光柵常數(shù))等于聲波波長。當光波通過此介質(zhì)時，就會產(chǎn)生光的衍射。其衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。第22頁/共74頁第23頁/共74頁二、聲光衍射聲光互作用的兩種類型當超聲被頻率較低，光波平行于聲

8、波面入射(即垂直于聲場傳播方向)時，聲光互作用長度L較短，產(chǎn)生喇曼納斯衍射。由于聲速比光速小得多，故聲光介質(zhì)可視為一個靜止的平面相位光柵。而是聲波長比光波長大得多，當光波平行通過介質(zhì)時，幾乎不通過聲波面，因此只受到相位調(diào)制，于是通過聲光介質(zhì)的平面被被陣面將出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，變成一個折皺曲面，由出射波陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成于入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射光，這就是喇曼納斯衍射。1、喇曼納斯衍射第24頁/共74頁2、布喇格(Bragg)衍射當聲波頻率較高，聲光作用長度較大，而且光束與聲波波面間以一定的角度斜入射時，光在介質(zhì)中要穿過多個聲波面。故介質(zhì)具有“體光柵”的性質(zhì)。當入射光與聲波

9、面夾角滿足一定關系時，介質(zhì)內(nèi)各級衍射會相互干涉。在一定條件下，各高級次衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)零級和+1級(或-l級)(視入射光的方向而定)衍射光，即產(chǎn)生布喇格衍射。若能合理選擇參數(shù)，超聲足夠強，可使入射光能量幾乎全部轉(zhuǎn)移到十1級或一1級衍射圾值上。因而光束能量可以得到充分利用，即利用布劑格衍射效應制成的聲光器件可以獲得較高的效率。第25頁/共74頁衍射零級和一級光強度分別為：2021cos22;cossin2iiIILnII第26頁/共74頁三、聲光調(diào)制器 1、聲光調(diào)制器的組成聲光調(diào)制器是由聲光介質(zhì)、電聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅(qū)動電源等所組成。第27頁/共74頁6.4 激光調(diào)Q技術一、

10、調(diào)一、調(diào)Q Q原理原理u什么是調(diào)什么是調(diào)Q Q技術技術? ?在泵浦開始激勵時，使光腔具有高損耗值，高能級上在泵浦開始激勵時，使光腔具有高損耗值，高能級上的粒子積累到較高的水平，即：使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度達的粒子積累到較高的水平，即：使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度達到一定的值；在適當?shù)臅r刻，使腔的損耗突到一定的值；在適當?shù)臅r刻，使腔的損耗突 然降低，然降低，閾值隨之突然下降，閾值隨之突然下降， 此時反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度大大超過此時反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度大大超過閾值，受激輻射迅速增加；在極短的時間內(nèi)，強的激閾值，受激輻射迅速增加；在極短的時間內(nèi)，強的激光巨脈沖輸出。光巨脈沖輸出。第28頁/共74頁動態(tài)損耗：動態(tài)損耗：Q開關處于關閉

11、狀態(tài)時，諧振腔應具有最大的損耗，以保開關處于關閉狀態(tài)時，諧振腔應具有最大的損耗，以保證證Q開關打開之前沒有激光產(chǎn)生；開關打開之前沒有激光產(chǎn)生；插入損耗插入損耗：Q開關處于打開狀態(tài)時，由開關本身引起的損耗應最開關處于打開狀態(tài)時，由開關本身引起的損耗應最小，小，一般會引入反射及散射損耗；一般會引入反射及散射損耗；開關時間，開關時間，Q開關應有優(yōu)異的開、關轉(zhuǎn)換性能，快的開關時間，開關應有優(yōu)異的開、關轉(zhuǎn)換性能，快的開關時間，將產(chǎn)將產(chǎn)生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開關時間會使所存儲的能量在開關生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開關時間會使所存儲的能量在開關完全打開之間迅速衰竭；完全打開之間迅速衰竭；同步性能

12、，同步性能，Q開關應能夠精確地控制，與外界信號保持同步。開關應能夠精確地控制，與外界信號保持同步。u調(diào)調(diào)Q Q技術關鍵技術關鍵: :第29頁/共74頁u調(diào)調(diào)Q Q激光器結(jié)構(gòu)示意圖激光器結(jié)構(gòu)示意圖第30頁/共74頁 機械調(diào)機械調(diào)Q技術技術轉(zhuǎn)鏡調(diào)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術主動式技術主動式Q開關開關 電光調(diào)電光調(diào)Q技術技術主動式主動式Q開關開關 聲光調(diào)聲光調(diào)Q技術技術主動式主動式Q開關開關 染料調(diào)染料調(diào)Q技術技術被動式被動式Q開關開關能夠使諧振腔損耗發(fā)生突變的元件都能用作能夠使諧振腔損耗發(fā)生突變的元件都能用作Q開關開關二、實現(xiàn)二、實現(xiàn)Q Q開關的方法開關的方法第31頁/共74頁轉(zhuǎn)鏡調(diào)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q激光器示意圖激光器示意

13、圖旋轉(zhuǎn)鏡面的角度，以改變旋轉(zhuǎn)鏡面的角度，以改變Q值值。當旋轉(zhuǎn)鏡面與諧。當旋轉(zhuǎn)鏡面與諧振腔的另一端面平行時，振腔的另一端面平行時，Q值最大，產(chǎn)生激光脈值最大，產(chǎn)生激光脈沖輸出。旋轉(zhuǎn)速度：每秒沖輸出。旋轉(zhuǎn)速度：每秒10,000-60,000轉(zhuǎn)，相轉(zhuǎn)，相當與每秒當與每秒166-1,000個脈沖。個脈沖。1.轉(zhuǎn)鏡調(diào)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術原理技術原理第32頁/共74頁機械調(diào)機械調(diào)Q Q技術適用于連續(xù)式激光器的調(diào)技術適用于連續(xù)式激光器的調(diào)Q Q機械調(diào)機械調(diào)Q技術的劣勢：技術的劣勢： 較低的開關轉(zhuǎn)換率，即開關時間過長；較低的開關轉(zhuǎn)換率，即開關時間過長；機械調(diào)機械調(diào)Q技術的優(yōu)勢：技術的優(yōu)勢： 機械調(diào)機械調(diào)Q技術的優(yōu)缺點

14、技術的優(yōu)缺點開關元件本身無損耗；開關關閉時可以達到100的最大損耗；簡單的運行機制；較高的可靠性；第33頁/共74頁利用晶體的電光效應實現(xiàn)利用晶體的電光效應實現(xiàn)Q的突變的突變一般來講，電光調(diào)Q激光器的Q開關由起偏器和一個電光晶體組成：2.電光調(diào)電光調(diào)Q技術技術第34頁/共74頁Q開關開狀態(tài)：開關開狀態(tài)： Q開關開關關狀態(tài)關狀態(tài)： 電光調(diào)電光調(diào)Q技術原理技術原理若在某一時刻突然撤去電光晶體兩端的電壓，此時，諧振腔的損耗很低，處于高若在某一時刻突然撤去電光晶體兩端的電壓，此時，諧振腔的損耗很低，處于高Q狀態(tài)，形成巨脈沖；狀態(tài)，形成巨脈沖；激光器產(chǎn)生的激光，經(jīng)過起偏器后，變成線偏振光，若給電光晶體一

15、適當電壓，激光器產(chǎn)生的激光，經(jīng)過起偏器后，變成線偏振光，若給電光晶體一適當電壓，分之一波電壓，則經(jīng)反射鏡反射回的偏振光將垂直偏振器的偏振方向，無法通分之一波電壓，則經(jīng)反射鏡反射回的偏振光將垂直偏振器的偏振方向，無法通過偏振器，此時，諧振腔的損耗很大，處于低過偏振器，此時，諧振腔的損耗很大，處于低Q狀態(tài)，激光器不振蕩；狀態(tài)，激光器不振蕩；第35頁/共74頁 有較高的動態(tài)損耗（）和插入損耗（）有較高的動態(tài)損耗（）和插入損耗（）; ; 開關速度快，同步性能好。開關時間可以達到秒開關速度快，同步性能好。開關時間可以達到秒 ，典型的，典型的Nd:YAGNd:YAG電光調(diào)電光調(diào)Q Q激光器的輸出光脈沖寬度

16、激光器的輸出光脈沖寬度 約為約為- -nsns，峰值功率達到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦，峰值功率達到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦; ; 適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術較高的插入損適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術較高的插入損 耗使激光器無法振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器耗使激光器無法振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器. .電光調(diào)電光調(diào)Q技術特點技術特點910第36頁/共74頁聲光調(diào)聲光調(diào)Q技術原理圖技術原理圖聲光調(diào)聲光調(diào)Q Q技術技術利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調(diào)利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調(diào)Q Q任務。在聲光器件工作時產(chǎn)生很高的衍射損耗，此任務。在聲光器件工作時產(chǎn)生很高的衍射損耗，此時，腔具時，腔具 有很低的

17、有很低的Q Q值，值，Q Q開關處于關狀態(tài)；在某一開關處于關狀態(tài)；在某一特定時間，撤去特定時間，撤去 超聲，光束則順利通過均勻的聲光超聲，光束則順利通過均勻的聲光介質(zhì)，介質(zhì)， 此時此時Q Q開關處于開關處于 開狀態(tài)；開狀態(tài)；3.3.聲光調(diào)聲光調(diào)Q Q技術原理技術原理第37頁/共74頁有低的動態(tài)損耗和低的插入損耗有低的動態(tài)損耗和低的插入損耗;可以實現(xiàn)重復連續(xù)的激光脈沖輸出；可以實現(xiàn)重復連續(xù)的激光脈沖輸出；聲光調(diào)聲光調(diào)Q技術特點技術特點同步性能好；開關速度較慢，開關時間在同步性能好；開關速度較慢，開關時間在ns以上以上;第38頁/共74頁利用有機材料對光的吸收系數(shù)會隨著光強變化的特性利用有機材料對

18、光的吸收系數(shù)會隨著光強變化的特性來達到調(diào)來達到調(diào)Q的目的。的目的。染料調(diào)染料調(diào)Q技術原理圖技術原理圖4.4.染料調(diào)染料調(diào)Q Q技術原理技術原理有極高的動態(tài)損耗（有極高的動態(tài)損耗（）和插入損耗）和插入損耗;與外界信號無同步特性，屬被動調(diào)與外界信號無同步特性，屬被動調(diào)Q；染料調(diào)染料調(diào)Q技術的特點技術的特點第39頁/共74頁6.5 6.5 激光器的鎖模技術激光器的鎖模技術調(diào)調(diào)Q技術是壓縮激光脈寬、提供峰值功率的有效技術是壓縮激光脈寬、提供峰值功率的有效方法，但是受到光子平均駐腔壽命的限，利用方法，但是受到光子平均駐腔壽命的限，利用調(diào)調(diào)Q技術只能獲得脈寬為技術只能獲得脈寬為毫微秒毫微秒量級的激光脈沖；

19、量級的激光脈沖；利用鎖模技術可以獲得利用鎖模技術可以獲得皮秒和飛秒皮秒和飛秒量級的激光量級的激光脈沖。脈沖。第40頁/共74頁無鎖模激光器的輸出功率與頻率無鎖模激光器的輸出功率與頻率鎖模技術的基本原理鎖模技術的基本原理u為什么要鎖模？為什么要鎖模？第41頁/共74頁瞬時輸出功率是這些模式無規(guī)則的疊加，輸出瞬時輸出功率是這些模式無規(guī)則的疊加，輸出功率隨時間無規(guī)則起伏。功率隨時間無規(guī)則起伏。無鎖模激光器的輸出功率與時間無鎖模激光器的輸出功率與時間第42頁/共74頁 經(jīng)過特殊的調(diào)制技術，使各振蕩模式的頻率間隔保持一定，并具有確定的相位關系，則激光器將輸出一列時間間隔一定的超短脈沖，這種技術稱為鎖模這

20、種技術稱為鎖模技術。技術。第43頁/共74頁一、鎖模的基本原理一、鎖模的基本原理通常情況下，激光器內(nèi)有多個縱模同時起振，各個模式的振幅、初始相位均通常情況下，激光器內(nèi)有多個縱模同時起振，各個模式的振幅、初始相位均無確定關系，它們之間是互不相干的。無確定關系，它們之間是互不相干的。由于各縱模間是不相干，輸出平均光強可表示為諸模光強的簡單和由于各縱模間是不相干，輸出平均光強可表示為諸模光強的簡單和.假如各振蕩縱模的相位被鎖定，即振蕩模的頻率間隔保持一定，初始相位關系亦假如各振蕩縱模的相位被鎖定，即振蕩模的頻率間隔保持一定，初始相位關系亦保持一定，那么激光器的輸出光強由于諸模保持一定，那么激光器的輸

21、出光強由于諸模相干疊加相干疊加的結(jié)果將發(fā)生很大的變化。的結(jié)果將發(fā)生很大的變化。qqII02maxINI可見鎖模后的脈沖峰值光功率比未經(jīng)鎖模的提高了可見鎖模后的脈沖峰值光功率比未經(jīng)鎖模的提高了N倍。倍。第44頁/共74頁n主動鎖模主動鎖模 l 振幅調(diào)制鎖模振幅調(diào)制鎖模 l 位相調(diào)制鎖模位相調(diào)制鎖模 n被動鎖模被動鎖模 l 同步泵浦鎖模同步泵浦鎖模 l 注入鎖模注入鎖模 l 對撞鎖模對撞鎖模二、實現(xiàn)鎖模的方法二、實現(xiàn)鎖模的方法第45頁/共74頁6.6激光器的穩(wěn)頻u為什么要穩(wěn)頻為什么要穩(wěn)頻 ？激光頻率的自然不穩(wěn)定度:qqddLdnLn 由于溫度等其它條件的變化，腔長和介質(zhì)折射率將發(fā)生變化，從而造成縱

22、模頻率的不穩(wěn)定。nLCqq2q q階縱模頻率可以表達為：階縱模頻率可以表達為：第46頁/共74頁 單模輸出功率蘭姆凹陷方法一：蘭姆凹陷法穩(wěn)頻方法一：蘭姆凹陷法穩(wěn)頻對非均勻加寬單模激光器，對非均勻加寬單模激光器，當輸出光的頻率與介質(zhì)躍遷中心頻率相同時，激光器輸當輸出光的頻率與介質(zhì)躍遷中心頻率相同時，激光器輸出功率下降，在輸出功率對頻率的關系曲線上出現(xiàn)一個凹陷，出功率下降，在輸出功率對頻率的關系曲線上出現(xiàn)一個凹陷，稱為蘭姆凹陷。第47頁/共74頁 光電接 前置 選頻 收器 放大 放大穩(wěn)頻激光器 音頻振蕩 相敏檢波 直流放大 I I I f f t 2f t 1 0 2 t t t f壓電陶瓷0ff

23、音頻相敏音頻相敏第48頁/共74頁飽和吸收法穩(wěn)頻的示意裝置如圖所示。與激光輸出功率曲線的蘭姆凹陷相似，在吸收介質(zhì)的吸收曲線上也有一個吸收凹陷，如圖所示 由于吸收管內(nèi)的壓強很低，碰撞增寬很小，所以吸收線中心形成的凹陷比激光管中蘭姆凹陷的寬度要窄得多。方法二：飽和吸收法穩(wěn)頻方法二：飽和吸收法穩(wěn)頻第49頁/共74頁激光通過激光管和吸收管時所得到的單程凈增益應該是激光管中的單程增益 和吸收管中的單程吸收 的差，即 如圖(a)，只有頻率調(diào)到 附近激光 才能振蕩。如圖(b)，頻率在整個線寬范圍內(nèi)調(diào)諧均能振蕩。反轉(zhuǎn)蘭姆凹陷比蘭姆凹陷的寬度窄，其中心頻率兩側(cè)的斜率比蘭姆凹陷曲線兩側(cè)的斜率大，故可以減小搜索信號

24、的幅度以提高穩(wěn)定性)(G)(A)()()(AGG凈0 第50頁/共74頁1.激光的優(yōu)點在于它具有良好的激光的優(yōu)點在于它具有良好的單色性、方向性和單色性、方向性和相干性相干性2.理想的激光器輸出光束應該只有一個模式，但是理想的激光器輸出光束應該只有一個模式，但是對于實際的激光器，如果不采取模式選擇，它們對于實際的激光器，如果不采取模式選擇，它們的工作狀態(tài)往往是的工作狀態(tài)往往是多模的多模的。3.含有高階模式橫模的激光束含有高階模式橫模的激光束光強分布不均勻光強分布不均勻，光光束發(fā)散角大。束發(fā)散角大。4.含有多縱模及多橫模的含有多縱模及多橫模的激光器單色性及相干性差激光器單色性及相干性差。6.7 6

25、.7 選模技術選模技術第51頁/共74頁1.在激光準直、激光加工、非線性光學、激光遠在激光準直、激光加工、非線性光學、激光遠程測距等領域都需要基橫模激光束。程測距等領域都需要基橫模激光束。2.在精密干涉測量，光通訊及大面積全息照相等在精密干涉測量，光通訊及大面積全息照相等應用中更要求激光是單橫模和單縱模光束。應用中更要求激光是單橫模和單縱模光束。3.因此，因此，設計和改進激光器的諧振腔以獲得單模設計和改進激光器的諧振腔以獲得單模輸出是一個重要課題輸出是一個重要課題。第52頁/共74頁1.所謂橫模的選擇，就是從諧振腔可能產(chǎn)生的許多模式中，選出基模，所謂橫模的選擇，就是從諧振腔可能產(chǎn)生的許多模式中

26、，選出基模，而其他的模式被抑制，不能產(chǎn)生振蕩而其他的模式被抑制，不能產(chǎn)生振蕩2.在穩(wěn)定腔中，在穩(wěn)定腔中，基模的衍射損耗最小基模的衍射損耗最小，隨著橫模階次的增高，衍射損耗，隨著橫模階次的增高，衍射損耗將迅速增加。將迅速增加。諧振腔中不同的橫模具有不同的衍射損耗諧振腔中不同的橫模具有不同的衍射損耗是橫模選擇的是橫模選擇的物理基礎。物理基礎。3.為了提高模式的鑒別能力，應該盡量增大為了提高模式的鑒別能力，應該盡量增大高階模式和基模的衍射損耗高階模式和基模的衍射損耗比。比。橫模的選擇橫模的選擇第53頁/共74頁選擇橫模的方法一：腔內(nèi)加光闌選擇橫模的方法一：腔內(nèi)加光闌在諧振腔內(nèi)設置小孔光闌和限制工作物

27、質(zhì)橫截面面積可以增加高階模衍射損耗，使激光器單模運行。 這一方法實際是使光斑尺寸較小的基模無阻攔地通過小孔光闌，而光斑尺寸較大的高階橫模卻受到阻攔而遭受較大的損耗。第54頁/共74頁 為了擴大基模體積充分利用工作物質(zhì)，通常采用聚焦光闌選模 第55頁/共74頁物理基礎：基模體積最小，高階模的體積較大，當腔鏡發(fā)生傾斜時，高階橫模損耗顯著增大，基模受到的影響較小。缺點：腔鏡的傾斜導致激光的總功率輸出顯著降低選擇橫模的方法二：選擇橫模的方法二：傾斜腔鏡法第56頁/共74頁RLg1選擇橫模的方法三：選擇橫模的方法三：正確選擇腔的結(jié)構(gòu)形式衍射損耗的大小及模鑒別能力的值與諧振腔的腔型有關，可適當衍射損耗的大

28、小及模鑒別能力的值與諧振腔的腔型有關，可適當選擇腔的結(jié)構(gòu)，增大高階模式和基模的衍射損耗比選擇腔的結(jié)構(gòu)，增大高階模式和基模的衍射損耗比,提高模式的鑒別能提高模式的鑒別能力。力。第57頁/共74頁激光器的振蕩頻率范圍和頻譜：激光器的振蕩頻率范圍和頻譜：由工作物質(zhì)增益曲線的頻率寬度來決由工作物質(zhì)增益曲線的頻率寬度來決定。定?？v模的選擇縱模的選擇激光縱模形成條件：滿足諧振條件；落在工作物質(zhì)的熒光譜線寬度內(nèi)；滿足閾值條件。所謂激光縱模選擇，就是通過使激光器只允許有一種頻率振蕩，二其余的頻率則均被抑制。第58頁/共74頁缺點：腔長太短，輸出功率低。選擇縱模的方法一：縮短腔的長度縮短腔的長度(短腔法短腔法)

29、Lcqqq21相鄰兩個縱模的頻率差：TqLc2則當：時可以實現(xiàn)單縱模諧振。第59頁/共74頁物理基礎： F-P只能對某些特定頻率的光通過。產(chǎn)生振蕩的頻率不僅要符合諧振腔共振條件，還要對標準具有最大的透過率選擇縱模的方法二：選擇縱模的方法二：腔內(nèi)插入腔內(nèi)插入F-P標準具法標準具法第60頁/共74頁 法布里帕羅標準具透過光的頻率為 獲得最大透射率的兩相鄰頻率間隔 適當?shù)恼{(diào)整 角，就可以達到選頻的目的222sin2dmcm222sin2dcm第61頁/共74頁激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組合所代替，其中M3和M4為全反射鏡，M2是具有適當透射率的部分透射部分反射鏡這相當于兩個諧振腔的耦合，一個是

30、由M1、M3組成，其腔長為L1+L2；另一個由M3、M4組成，其腔長為L2+L3，兩個諧振腔的縱模頻率間隔分別為： c/2 (L1+L2)和c/2 (L2+L3)只有同時滿足兩個諧振條件的光才能形成振蕩，故只要L2+L3足夠小就可以獲得單縱模輸出選擇縱模的方法三：選擇縱模的方法三：三反射鏡法三反射鏡法第62頁/共74頁6.8 激光束的變換激光從激光器里輸出以后都要經(jīng)過一定的光束變換以后才會被用到各種應用場合光束變換的基本工具是透鏡,薄透鏡對高斯光束的作用與平常的成象作用有一定的不同,需要進行研究本節(jié)從薄透鏡的光束變換特性出發(fā)討論高斯光束通過薄透鏡時的變換,繼而研究高斯光束的聚焦高斯光束的準直第

31、63頁/共74頁激光切割第64頁/共74頁長度測量第65頁/共74頁高斯光束通過薄透鏡時的變換高斯光束通過薄透鏡時的變換透鏡的變換應用到高斯光束上，如下圖所示，有以下關系前式是薄透鏡假設：透鏡足夠薄至使入射高度和出射高度不變實際問題中，通常 和 是已知的，此時 ，則可以根據(jù)高斯光束的性質(zhì)計算出入射光束在鏡面處的波陣面半徑和有效截面半徑，利用上述透鏡的變換公式進一步計算出由透鏡出射的波陣面半徑和有效截面半徑就可以得到出射光束的束腰位置和束腰半徑，因而可以確定變換后得到的出射高斯光束f高斯光束通過薄透鏡的變換SSR R00fRR1110ssz 0第66頁/共74頁 高斯光束通過薄透鏡時的計算高斯光束通過薄透鏡時的計算入射光束在鏡面處的波陣面半徑和有效截面半徑分別計算出出射光束的波陣面半徑和有效截面半徑利用出射光束在鏡面處的波陣面半徑和有效截面半徑計算出其束腰半徑和束腰位置)(1 220ssR2200)(1s22220220)(1)(1 RssR222200)(1)(1RRss22020201111() 1()RRfRsssfRR111第67頁/共74頁高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦短焦距：即短焦距時在滿足條件 和 的情況下，出射的光束聚焦于透鏡的焦點附近。如