激光特性的控制與改善學習教案

1、會計學1激光特性激光特性(txng)的控制與改善的控制與改善第一頁，共75頁。2模式選擇技術(shù)模式選擇技術(shù)(jsh)（橫模和（橫模和縱模）縱模）穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)(jsh)Q調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)(jsh)鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)(jsh)第1頁/共75頁第二頁，共75頁。3從一臺簡單(jindn)激光器出射的激光束，其性能往往不能滿足應(yīng)用的需要，因此不斷地發(fā)展了旨在控制與改善激光器輸出特件的各種單元技術(shù)。為了改善激光器輸出光的時間相干性或空間相干性，發(fā)展了模式選擇、穩(wěn)頻及注入鎖定技術(shù)。為了獲得窄脈沖高峰值功率的激光束，發(fā)展了Q調(diào)制、鎖模、增益開關(guān)及腔倒空技術(shù)。第2頁/共75頁第三頁，共75頁。4速率方程增益(

2、zngy)飽和激 光 器工作(gngzu)特性振蕩(zhndng)閾值振蕩模式輸出功率輸出線寬弛豫振蕩選 模調(diào)Q/鎖模/放大穩(wěn) 頻LD直接調(diào)制/增益開關(guān)DFB諧振腔理 論高斯光束頻率變換技術(shù)輸出頻率第3頁/共75頁第四頁，共75頁。5理想激光器的輸出光束應(yīng)只具有一個模式，但不采取選模措施時，多數(shù)激光器的工作狀態(tài)是多模的。選模的意義：基橫模(TEM00)發(fā)散角小，空間相干性好單縱模 單色性好，時間相干性好激光準直、激光加工(ji gng)、非線性光學研究、激光中遠程測距等應(yīng)用均需基橫模激光束。而在精密干涉計量、光通信及大面積全息照相等應(yīng)用中不僅要求激光是單橫模的，同時要求光束僅含有一個縱模。第4

3、頁/共75頁第五頁，共75頁。61.1 橫模選擇橫模選擇(xunz)q物理基礎(chǔ)：諧振腔中不同橫模具有不同的損耗q在穩(wěn)定腔中，基模的衍射損耗最低，橫模階次增高，衍射損耗迅速(xn s)增加。單模運轉(zhuǎn)的充分條件單模運轉(zhuǎn)的充分條件TEM00模的單程增益模的單程增益(zngy)至少能補償其在腔內(nèi)的單程至少能補償其在腔內(nèi)的單程損耗損耗1)exp()1 (0000021lgrr相鄰橫模應(yīng)滿足相鄰橫模應(yīng)滿足1)exp()1 (0101021lgrr第5頁/共75頁第六頁，共75頁。7橫模選擇的原則在各個橫模的增益大體相向的條件下，不同橫模間衍射損耗的差別就是進行橫模選擇的根據(jù)(gnj)。原則盡量增大高階橫模

4、與基模的衍射損耗比，損耗比越大，則橫模鑒別力越高盡可能減少除衍射損耗外的其它損耗，加大衍射損耗在總損耗中的比例第6頁/共75頁第七頁，共75頁。81、小孔光闌選模小小孔孔小孔小孔基本思路：基本思路：減小諧振腔的菲涅耳數(shù)，增加衍射損耗減小諧振腔的菲涅耳數(shù)，增加衍射損耗TEM00模和其它高階模有不同的光斑尺寸模和其它高階模有不同的光斑尺寸特點：特點：方法簡單方法簡單不易不易(b y)獲得大功率輸出獲得大功率輸出第7頁/共75頁第八頁，共75頁。92、諧振腔參數(shù)(cnsh)g、N選模r適當選擇諧振腔的類型和腔參數(shù)適當選擇諧振腔的類型和腔參數(shù)g、N，滿足，滿足(mnz)諧諧振腔單模運轉(zhuǎn)充分條件，實現(xiàn)基

5、橫模輸出振腔單模運轉(zhuǎn)充分條件，實現(xiàn)基橫模輸出3、非穩(wěn)腔選模r非穩(wěn)腔是高損耗腔，不同橫模的損耗有很大差異非穩(wěn)腔是高損耗腔，不同橫模的損耗有很大差異r適用于高增益激光器選橫模適用于高增益激光器選橫模r非穩(wěn)腔的輸出非穩(wěn)腔的輸出(shch)光束為球面波或平面波光束為球面波或平面波4、微調(diào)諧振腔r平面腔：腔鏡傾斜可抑制基模，實現(xiàn)高階模振蕩平面腔：腔鏡傾斜可抑制基模，實現(xiàn)高階模振蕩r穩(wěn)定腔：傾斜腔鏡基模受影響小，高階模損耗明顯增大穩(wěn)定腔：傾斜腔鏡基模受影響小，高階模損耗明顯增大第8頁/共75頁第九頁，共75頁。101.2 縱模選擇縱模選擇(xunz)激光工作物質(zhì)中往往存在多對激光振蕩能級，可以利用窄帶介質(zhì)

6、膜激光工作物質(zhì)中往往存在多對激光振蕩能級，可以利用窄帶介質(zhì)膜反射鏡、光柵、棱鏡等構(gòu)成色散腔獲得特定波長的躍遷振蕩反射鏡、光柵、棱鏡等構(gòu)成色散腔獲得特定波長的躍遷振蕩縱模選擇：在特定躍遷譜線范圍內(nèi)獲得單縱模的方法縱模選擇：在特定躍遷譜線范圍內(nèi)獲得單縱模的方法一般諧振腔不同縱模損耗相同一般諧振腔不同縱模損耗相同(xin tn)，但是小信號增益各異，但是小信號增益各異擴大相鄰縱模的增益差或人為引入損耗差擴大相鄰縱模的增益差或人為引入損耗差第9頁/共75頁第十頁，共75頁。111、短腔法r縮短腔長，增大相鄰縱模間隔縮短腔長，增大相鄰縱模間隔小信號小信號(xnho)增益增益曲線上滿足閾值條件的有效寬度內(nèi)

7、只存在一個縱模曲線上滿足閾值條件的有效寬度內(nèi)只存在一個縱模osc2Lcq 0glgthFoscr適用于熒光適用于熒光(ynggung)線寬窄的激光器線寬窄的激光器 0.5mmHz102YAGNdGHz5 . 1m1 . 0GHz5 . 1Ne-He11FDLLq，：單模激光器，例：第10頁/共75頁第十一頁，共75頁。122、行波腔法抑制(yzh)燒孔效應(yīng)r均勻加寬物質(zhì)存在增益飽和，有助于形成單縱模振蕩均勻加寬物質(zhì)存在增益飽和，有助于形成單縱模振蕩r駐波腔存在空間駐波腔存在空間(kngjin)燒孔效應(yīng)，激勵足夠強時，仍然會出燒孔效應(yīng)，激勵足夠強時，仍然會出現(xiàn)多縱模振蕩現(xiàn)多縱模振蕩r采用環(huán)形腔，

8、且在腔內(nèi)插入一個只允許光單向通過的隔離器，可采用環(huán)形腔，且在腔內(nèi)插入一個只允許光單向通過的隔離器，可形成行波場，實現(xiàn)單縱模振蕩形成行波場，實現(xiàn)單縱模振蕩隔離器隔離器激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)第11頁/共75頁第十二頁，共75頁。133、選擇性損耗(snho)法r在腔內(nèi)插入標準具或構(gòu)成組合腔，由于在腔內(nèi)插入標準具或構(gòu)成組合腔，由于(yuy)多光束干涉效應(yīng)，多光束干涉效應(yīng)，諧振腔具有與頻率相關(guān)的選擇性損耗諧振腔具有與頻率相關(guān)的選擇性損耗Ld激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)cos2dcjjrrdc12透射(tu sh)譜寬度cos2dcj第12頁/共75頁第十三頁，共75頁。14調(diào)整調(diào)整(tiozhng)q角

9、，使角，使nj = nq，且有，且有Lcqj2osc，可獲得可獲得(hud)單縱模輸出單縱模輸出復合復合(fh)腔腔?？怂垢？怂? -史密斯型復合腔史密斯型復合腔外腔半導體激光器選模裝置外腔半導體激光器選模裝置第13頁/共75頁第十四頁，共75頁。15諧振腔內(nèi)折射率均勻(jnyn)時，單縱模單橫模激光器的頻率為2.1外界因素(yn s)對頻率穩(wěn)定性的影響Lcqq2諧振腔幾何長度變化：溫度、振動，諧振腔幾何長度變化：溫度、振動， L10-3/oC折射率變化：溫度，折射率變化：溫度， n起伏起伏(放電電流、驅(qū)動電流等放電電流、驅(qū)動電流等)，氣壓、，氣壓、濕度濕度 頻率漂移LLLLqqq第14頁/共

10、75頁第十五頁，共75頁。161、頻率(pnl)穩(wěn)定度 之比與頻率漂移量內(nèi)，頻率平均值：某一測量時間間隔| |)(S平常說的穩(wěn)定度為10-8，10-9等，就是(jish)這個意思。顯然，變化量Dn(t)越小，則Sn(t)越大，表示(biosh)頻率的穩(wěn)定性越好。 習慣上，有時把S(t)的倒數(shù)作為穩(wěn)定度的量度，即|)(1S第15頁/共75頁第十六頁，共75頁。172、頻率(pnl)復現(xiàn)性對作為頻率或波長基準的激光器，不僅要求穩(wěn)定度高，而且要求頻率重復性的精度也高。頻率復現(xiàn)性：不同地點、時間、環(huán)境下穩(wěn)定頻率的偏差量與它們的平均頻率(標準頻率)的比值，指的是標準頻率自身(zshn)的變化 sssR評

11、價一臺穩(wěn)頻激光器，不僅要看其頻率(pnl)穩(wěn)定度，而且還要看它的頻率(pnl)復現(xiàn)性。第16頁/共75頁第十七頁，共75頁。182.2 激光器主動(zhdng)穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)的實質(zhì)就是保持諧振腔光程長度的穩(wěn)定性。主動穩(wěn)頻技術(shù)就是選取一個穩(wěn)定的參考標準頻率，當外界影響使激光頻率偏離此特定的標準頻率時，能設(shè)法鑒別出來，再人為地通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)腔長，將激光頻率回復到特定的標準頻率上，最后達到穩(wěn)頻的目的主動穩(wěn)頻的方法大致可以分為兩類利用原子譜線中心頻率作為鑒別器進行穩(wěn)頻，如蘭姆凹陷穩(wěn)頻法利用外界參考頻率作為鑒別器標準進行穩(wěn)頻，如飽和(boh)吸收穩(wěn)頻法第17頁/共75頁第十八頁，共75頁。19一

12、、蘭姆凹陷穩(wěn)頻1. 基本原理蘭姆凹陷穩(wěn)頻法是以增益曲線中心頻率(pnl)n0作為參考標準頻率(pnl)，通過電子伺服系統(tǒng)驅(qū)動壓電陶瓷環(huán)來控制激光器腔長的， 它可使頻率(pnl)穩(wěn)定于n0處，其穩(wěn)頻裝如圖第18頁/共75頁第十九頁，共75頁。20激光管采用熱膨脹系數(shù)很小的石英做成外腔式結(jié)構(gòu)，諧振腔的兩個反射鏡安置(nzh)在殷鋼架上，其中一個貼在壓電陶瓷環(huán)上陶瓷環(huán)的長度約為幾厘米，環(huán)的內(nèi)外表面接有兩個電極，加有頻率為f 的調(diào)制電壓，當外表面為正電壓, 內(nèi)表面為負電壓時陶瓷環(huán)伸長, 反之則縮短。改變陶瓷環(huán)上的電壓即可調(diào)整諧振腔的長度，以補償外界因素所造成的腔長變化。光電接收器一般采用硅光電三極管，

13、它能將光信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號。第19頁/共75頁第二十頁，共75頁。212. 穩(wěn)頻過程(guchng)q壓電陶瓷上加一直流電壓和一頻率為壓電陶瓷上加一直流電壓和一頻率為f 的音頻調(diào)制電壓的音頻調(diào)制電壓q激光激光(jgung)頻率頻率n=n0，調(diào)制電壓使其在，調(diào)制電壓使其在n0附近變化，輸附近變化，輸出功率出功率P以以2f 做周期性變化做周期性變化選頻放大器輸出為選頻放大器輸出為0，壓電陶，壓電陶瓷上沒有電壓，激光瓷上沒有電壓，激光(jgung)器工作于器工作于n0頻率頻率若若nn0，激光輸出功率調(diào)制，激光輸出功率調(diào)制頻率為頻率為f，與調(diào)制電壓同相位；，與調(diào)制電壓同相位；光電接收器輸出頻率為光

14、電接收器輸出頻率為f的信的信號，送入相敏檢波器號，送入相敏檢波器, 使其使其輸出一負直流電壓輸出一負直流電壓, 使壓電陶使壓電陶瓷瓷(toc)縮短縮短, 腔長增加，腔長增加，激光頻率被拉回激光頻率被拉回n0第20頁/共75頁第二十一頁，共75頁。22蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實質(zhì) 經(jīng)譜線的中心頻率n0作為參考標準，當激光振蕩頻率偏離n0時，即輸出一誤差信息通過(tnggu)伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏離的大小和方向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié)壓電陶瓷的伸縮來控制腔長把激光振蕩頻率自動地鎖定在蘭姆凹陷中心處q為了改善頻率穩(wěn)定性為了改善頻率穩(wěn)定性, 希望微弱的頻率漂移就能產(chǎn)生足以將頻率拉希望微弱的頻率漂移就能產(chǎn)生足以將頻率拉

15、回回n0的誤差信號的誤差信號(xnho)，這就要求蘭姆凹陷窄而深，即蘭姆凹陷，這就要求蘭姆凹陷窄而深，即蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率盡可能大中心兩側(cè)的斜率盡可能大 第21頁/共75頁第二十二頁，共75頁。233. 應(yīng)用蘭姆凹陷(oxin)穩(wěn)頻時應(yīng)注意的問題穩(wěn)頻激光器不僅要求是單橫模，而且還要求必須是單縱模頻率穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)(lin c)的斜率有關(guān)，斜率越大，誤差信號就越大，因而靈敏度高，穩(wěn)定性就越好蘭姆凹陷線型的對稱性也影響頻率的穩(wěn)定性蘭姆凹陷穩(wěn)頻以原子躍遷譜線中心頻率n0作為參考標準 第22頁/共75頁第二十三頁，共75頁。24二、塞曼穩(wěn)頻1. 基本原理利用塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻包括縱向塞曼穩(wěn)頻、

16、橫向(hn xin)塞曼穩(wěn)頻、塞曼吸收穩(wěn)頻三類塞曼效應(yīng)：原子的光譜線在外磁場中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象 不加外磁場時，原子在兩個能級不加外磁場時，原子在兩個能級(nngj)E1和和E2(E1E2)之間躍遷的能量差為：之間躍遷的能量差為：DE=E2-E1=hn原子核的磁矩比電子磁矩小大約三個數(shù)量級，如果只考慮原子核的磁矩比電子磁矩小大約三個數(shù)量級，如果只考慮電子的磁矩對原子總磁矩的貢獻，那么磁場引起的附加能電子的磁矩對原子總磁矩的貢獻，那么磁場引起的附加能量為量為DU=-mB=-mzB=mJgJmBB第23頁/共75頁第二十四頁，共75頁。25原子的每一個能級原子的每一個能級(nngj)分裂成若干分立的能

17、級分裂成若干分立的能級(nngj)，兩個，兩個能級能級(nngj)之間躍遷的能量差為：之間躍遷的能量差為：DE =hn=E2-E1=E2-E1+(m2Jg2J-m1Jg1J)mBB 對于自旋為零的體系有對于自旋為零的體系有g(shù)1J = g2J = 1。由于躍遷的選擇定則。由于躍遷的選擇定則DmJ=0,1，頻率，頻率n只有三個數(shù)值只有三個數(shù)值偏振，右旋偏振光：場方向才能觀察到偏振，只有在垂直于磁：偏振，左旋偏振光：-BB 0 BBhh一條頻率為一條頻率為n 的譜線在外磁場中分裂成三條的譜線在外磁場中分裂成三條(sn tio)譜譜線，相互之間頻率間隔相等線，相互之間頻率間隔相等D=mBB/h洛倫茲單

18、位：洛倫茲單位：mBB/(hc)第24頁/共75頁第二十五頁，共75頁。26I 0原譜線原譜線右旋光右旋光左旋光左旋光 第25頁/共75頁第二十六頁，共75頁。27r只有總自旋為只有總自旋為0的譜線才表現(xiàn)出正常塞曼效應(yīng)。非單態(tài)的譜線在磁場的譜線才表現(xiàn)出正常塞曼效應(yīng)。非單態(tài)的譜線在磁場中表現(xiàn)出反常塞曼效應(yīng)，譜線分裂中表現(xiàn)出反常塞曼效應(yīng)，譜線分裂(fnli)條數(shù)不一定是條數(shù)不一定是3條，間隔也條，間隔也不一定是一個洛倫茲單位不一定是一個洛倫茲單位 鈉D線在磁場中的反常塞曼效應(yīng)。其中589.0nm的譜線分裂成4條，589.6nm的譜線分裂成6條。 第26頁/共75頁第二十七頁，共75頁。282. H

19、e-Ne激光器塞曼穩(wěn)頻雙頻穩(wěn)頻He-Ne激光器的放電區(qū)加上0.03T左右的縱向磁場，利用(lyng)壓電陶瓷控制腔長第27頁/共75頁第二十八頁，共75頁。29(1) 未加磁場時工作(gngzu)物質(zhì)增益曲線和色散曲線如圖腔長足夠短時，只有(zhyu)nq的縱模振蕩，若nq=n0，則沒有頻率牽引，h(n0)=h0=1qLcq2第28頁/共75頁第二十九頁，共75頁。30(2) 加磁場時加磁場后，光譜線發(fā)生塞滿分裂(fnli)，沿磁場方向觀察，譜線分裂(fnli)為中心頻率為n0右的右旋偏振光和n0左的左旋偏振光隨著光譜線的分裂，增益(zngy)曲線和色散曲線也發(fā)生分裂hHgBJ0002-右左第

20、29頁/共75頁第三十頁，共75頁。31q縱模由于頻率牽引，導致(dozh)左旋和右旋偏振光的頻率為00)(2)(2qqqqqqqLcqLc右右右左左左0sDc0000sDc12ln2 )()(12ln2 IIIIqqqqqq，所以上式可簡化成由于右左右左右左右左右左第30頁/共75頁第三十一頁，共75頁。32若無源腔的頻率(pnl)nq0=n0，塞曼分裂后的有源腔頻率(pnl)對稱的分布于n0的兩側(cè)，左旋光和右旋光具有相同的小信號增益系數(shù)，并具有相等的輸出光強 若nq0n0，則g左0(nq左)n0，則g左0(nq左)g右0(nq右)，左旋光強大于右旋光強雙頻激光器塞曼穩(wěn)頻方法(1) 監(jiān)測兩圓

21、偏振光輸出功率的差值，作為鑒頻的誤差信號，通過(tnggu)伺服控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光器的腔長 (2) 利用拍頻方法測出左、右圓偏振光的頻差，作為鑒頻的誤差信號，然后通過(tnggu)伺服控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光器的腔長 第31頁/共75頁第三十二頁，共75頁。33雙頻穩(wěn)頻激光器的頻率穩(wěn)定度可達10-1010-11，頻率復現(xiàn)性為10-710-8由雙頻穩(wěn)頻激光器構(gòu)成(guchng)的干涉儀具有較強的抗干擾能力，可用于工業(yè)中的精密計量第32頁/共75頁第三十三頁，共75頁。34三、飽和吸收穩(wěn)頻(反蘭姆凹陷穩(wěn)頻)蘭姆凹陷穩(wěn)頻和塞曼穩(wěn)頻都是以增益曲線中心頻率(pnl)n0作為參考標準頻率(pnl)，n0易受放電條件

22、的影響而變化，頻率(pnl)復現(xiàn)性差 提高穩(wěn)頻精度提高蘭姆凹陷銳度，但是激光管不能在過低的氣壓下工作，頻率(pnl)穩(wěn)定性的進一步改善受到限制解決途徑：飽和吸收穩(wěn)頻第33頁/共75頁第三十四頁，共75頁。35吸收管內(nèi)充氣壓吸收管內(nèi)充氣壓: 110 Pa 多普勒加寬為多普勒加寬為主主 低壓低壓(dy)氣體吸收峰頻氣體吸收峰頻率率穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好吸收飽和現(xiàn)象：吸收管內(nèi)物質(zhì)(wzh)吸收系數(shù)為b(n)，當入射光足夠強時，由于下能級粒子數(shù)減少，上能級粒子數(shù)增加，b(n)將隨光強而逐漸減小 吸收飽和與增益飽和完全類似，把吸收看成負增益，則關(guān)于增益飽和的全部理論均可用于討論吸收飽和現(xiàn)象第34頁/共75頁第

23、三十五頁，共75頁。36吸收(xshu)管內(nèi)氣壓很低，吸收(xshu)譜現(xiàn)主要是多普勒加寬入射光頻率n1，光強為In1，則會在吸收(xshu)曲線上產(chǎn)生燒孔Hs11II第35頁/共75頁第三十六頁，共75頁。37q將吸收管至于諧振腔內(nèi)，腔內(nèi)有頻率為n1的模式振蕩q若n1n0，則正向傳播(chunb)的行波和反向傳播(chunb)的行波分別在吸收曲線上n1和(2n0-n1)處燒孔，對n1模的吸收系數(shù)為 s101/1IIq若n1=n0，則正反向傳播的行波共同在吸收曲線(qxin)的中心頻率n0處燒孔，此時對n1模的吸收系數(shù)為 s0011III第36頁/共75頁第三十七頁，共75頁。38Hs21II

24、q吸收曲線凹陷(oxin)：做光強一定時吸收系數(shù)b(n1)與振蕩頻率n1的關(guān)系曲線，則在n1=n0處出現(xiàn)凹陷(oxin)q凹陷(oxin)寬度為反蘭姆凹陷放置吸收管之后，諧振腔的單程(dnchng)損耗因子變?yōu)?L11q由于(1)- 1曲線的尖銳凹陷，使激光器的輸出功率在0處出現(xiàn)一個尖銳的尖峰反蘭姆凹陷第37頁/共75頁第三十八頁，共75頁。39反蘭姆凹陷(oxin)穩(wěn)頻優(yōu)點通常利用分子的基態(tài)與振轉(zhuǎn)能級間的飽和吸收進行穩(wěn)頻，吸收較強，可在低氣壓下工作，碰撞線寬?。环肿诱褶D(zhuǎn)能級壽命長，自然線寬小可得尖銳的反蘭姆凹陷(oxin)利用自基態(tài)的吸收躍遷，無需激勵，頻率復現(xiàn)性好12-11-13-12-3

25、3L10101010Hz10300100Hz1037Ne-Hem39. 3，頻率復現(xiàn)性可達頻率穩(wěn)定度可達，飯?zhí)m姆凹陷深度約為，氣壓約為數(shù)帕，激光器采用甲烷吸收管的11-12-11-101010Ne-He32.8nm6，頻率復現(xiàn)性可達達來穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度可氣分子的飽和吸收激光器采用碘同位素蒸的q國際上規(guī)定甲烷和碘吸收穩(wěn)頻的He-Ne激光(jgung)波長可作為長度副基準和復現(xiàn)米定義第38頁/共75頁第三十九頁，共75頁。40四、無源腔穩(wěn)頻外界(wiji)無源腔的特征頻率也可作為穩(wěn)頻的參考頻率將多個激光器穩(wěn)定于不同級次的透過峰頻率上，可得到頻率間隔固定的多路激光，可用作分頻復用(f yn)光通信的

26、發(fā)射光源第39頁/共75頁第四十頁，共75頁。41r調(diào)調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)是應(yīng)人們對高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應(yīng)用技術(shù)與鎖模技術(shù)是應(yīng)人們對高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應(yīng)用需求而發(fā)展起來的。需求而發(fā)展起來的。r兩種方式機理不同，壓縮兩種方式機理不同，壓縮(y su)的程度也不同的程度也不同r調(diào)調(diào)Q技術(shù)可將激光脈寬壓縮技術(shù)可將激光脈寬壓縮(y su)至納秒量級至納秒量級(峰值功率達峰值功率達106W以以上上)。r鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮(y su)至皮秒甚至飛秒量級至皮秒甚至飛秒量級(峰值功率可峰值功率可達到達到1012W)短脈沖短脈沖(michng)技術(shù)技術(shù)第40頁/共7

27、5頁第四十一頁，共75頁。42調(diào)Q 技術(shù)的出現(xiàn)(chxin)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個重要突破，它是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射， 從而使光源的峰值功率可提高幾個數(shù)量級的一種技術(shù)。 現(xiàn)在，獲得峰值功率在兆瓦級(106W)以上，脈寬為納秒級(10-9s)的激光脈沖已不困難。一、脈沖(michng)固體激光器的輸出的馳豫振蕩弛豫振蕩效應(yīng):將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其波形并非一個平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機變化的尖峰脈沖組成的。第41頁/共75頁第四十二頁，共75頁。43紅寶石單模激光器輸出波形紅寶石單模激光器輸出波形弛豫振蕩弛豫振蕩(z

28、hndng)的特點的特點(1) 峰值功率不高，只在閾值附近峰值功率不高，只在閾值附近(2) 加大泵浦能量，只是增加加大泵浦能量，只是增加(zngji)尖峰的個數(shù)，不能增加尖峰的個數(shù)，不能增加(zngji)峰值功率峰值功率原因原因(yunyn): 激光器的閾值始終保持不變激光器的閾值始終保持不變第42頁/共75頁第四十三頁，共75頁。44二、諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q諧振腔Q值的普遍(pbin)定義為 腔內(nèi)振蕩(zhndng)光束的體積為V，則儲存在腔內(nèi)的總能量為 e=nhnV能量(nngling)損耗率為VhnVhtntPRtRedd-dd0 品質(zhì)因數(shù)Q為cLVhVhnPQRtRtRR2 2 ene2

29、200)()(2PQ單位時間損耗的能量儲存在腔內(nèi)的總能量第43頁/共75頁第四十四頁，共75頁。45三、調(diào)Q的基本原理 通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級是激光上能級的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)不能積累很多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。附近。普通普通(ptng)激光器峰值功率不能提高的原因激光器峰值功率不能提高的原因激光上能

30、級最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制激光上能級最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制要要使上能級積累大量的粒子，可以設(shè)法通過改變使上能級積累大量的粒子，可以設(shè)法通過改變(增加增加)激光激光器的閾值來實現(xiàn)，就是當激光器開始器的閾值來實現(xiàn)，就是當激光器開始(kish)泵浦初期泵浦初期, 設(shè)設(shè)法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高, 抑制激光振蕩的產(chǎn)生，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。這樣激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。 第44頁/共75頁第四十五頁，共75頁。46當反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大時，再突然把閾值調(diào)到很低，此時，積累在上能級的大量粒子便雪崩式的

31、躍遷到低能級，于是在極短的時間內(nèi)將能量釋放出來，就獲得峰值功率極高的巨脈沖(michng)激光輸出。泵浦時令腔損耗很大泵浦時令腔損耗很大(Q很小很小), 突然減小損耗突然減小損耗(增大增大Q), 使積使積蓄的反轉(zhuǎn)粒子蓄的反轉(zhuǎn)粒子(lz)數(shù)在短時間內(nèi)完成受激輻射數(shù)在短時間內(nèi)完成受激輻射, 形成光脈沖。形成光脈沖。改變激光器的閾值是提高激光上能級改變激光器的閾值是提高激光上能級(nngj)粒子數(shù)積累的有效方法粒子數(shù)積累的有效方法第45頁/共75頁第四十六頁，共75頁。47調(diào)調(diào)Q 過程過程(guchng)rt0時，損耗因子時，損耗因子(ynz)為為dH，腔內(nèi)光子壽命為，腔內(nèi)光子壽命為tRH，中心頻率

32、處對應(yīng)的閾值為中心頻率處對應(yīng)的閾值為 ln21Htrt 0時，閾值很高，激勵使反轉(zhuǎn)集居時，閾值很高，激勵使反轉(zhuǎn)集居(j j)數(shù)不斷增長數(shù)不斷增長 rt = 0時刻，反轉(zhuǎn)集居時刻，反轉(zhuǎn)集居(j j)數(shù)密度增加到數(shù)密度增加到Dni，由于，由于Dnitp時，DnDnt，腔內(nèi)光子(gungz)數(shù)密度迅速減少，N=Ni時巨脈沖熄滅，Dn=Dnf工作物質(zhì)儲能調(diào)Q第47頁/共75頁第四十八頁，共75頁。49rQ開關(guān)(kigun)：使諧振腔損耗發(fā)生改變的元件。r常用調(diào)Q方法： r轉(zhuǎn)鏡調(diào)Qr電光調(diào)Qr聲光調(diào)Qr飽和吸收調(diào)QQ主動調(diào)Q被動調(diào)第48頁/共75頁第四十九頁，共75頁。501. 電光調(diào)Q電光效應(yīng)：晶體在

33、外加電場作用下，起折射率發(fā)生變化，是通過晶體的不同(b tn)偏振光之間產(chǎn)生相位差，從而改變光的偏振狀態(tài)的現(xiàn)象Pockels效應(yīng)：DhIKerr效應(yīng)：DhI2電光調(diào)Q利用了Pockels效應(yīng)實現(xiàn)Q突變常用的電光晶體有KDP(KH2PO4)、KD*P(KD2PO4)、LiNbO3、BSO(Bi12SiO20)第49頁/共75頁第五十頁，共75頁。51電光(dingung)晶體調(diào)Q工作原理工作原理:在開始泵浦時，電光晶體加在開始泵浦時，電光晶體加l/2電壓，檢偏器和起偏器電壓，檢偏器和起偏器同向放置，沿軸向傳播的光不能通過，所以腔內(nèi)損耗很大。在泵同向放置，沿軸向傳播的光不能通過，所以腔內(nèi)損耗很大。

34、在泵浦一段時間后，突然撤掉電光晶體的半波電壓，腔內(nèi)損耗突然下浦一段時間后，突然撤掉電光晶體的半波電壓，腔內(nèi)損耗突然下降，達到調(diào)降，達到調(diào)Q目的目的(md)，激光振蕩迅速建立并加強，獲得調(diào)，激光振蕩迅速建立并加強，獲得調(diào)Q巨脈沖輸出。巨脈沖輸出。起偏器起偏器檢偏器檢偏器電光晶體電光晶體第50頁/共75頁第五十一頁，共75頁。52單檢偏器Q開關(guān)(kigun)q電光晶體電光晶體l/4電壓，偏振器與晶體電壓，偏振器與晶體x和和y軸成軸成45角，通過角，通過晶體后成為圓偏振光，經(jīng)全反鏡反射后再通過晶體，晶體后成為圓偏振光，經(jīng)全反鏡反射后再通過晶體， 沿沿x和和y振動的光的相位差了振動的光的相位差了p，光

35、束不能通過。，光束不能通過。 q某一時刻某一時刻t1時刻撤掉晶體電壓，就可以實現(xiàn)調(diào)時刻撤掉晶體電壓，就可以實現(xiàn)調(diào)Q，獲得巨脈，獲得巨脈沖沖(michng)輸出輸出 起偏器起偏器檢偏器檢偏器電光晶體電光晶體第51頁/共75頁第五十二頁，共75頁。532. 聲光(shn un)調(diào)Qr 利用聲光介質(zhì)中超聲場產(chǎn)生衍射使損耗增加(zngji)，不能形成激光振蕩r 當粒子反轉(zhuǎn)數(shù)積累達到飽和時，突然撤掉超聲場，激光振蕩迅速建立，獲得巨脈沖輸出聲光調(diào)制器通常包括聲光調(diào)制器通常包括(boku)換能器換能器聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)吸聲介質(zhì)吸聲介質(zhì)驅(qū)動器驅(qū)動器聲光調(diào)聲光調(diào)Q器件器件第52頁/共75頁第五十三頁，共75頁。5

36、4激光介質(zhì)激光介質(zhì)聲光器件聲光器件 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡Q開關(guān)開啟開關(guān)開啟激光介質(zhì)激光介質(zhì)聲光器件聲光器件全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡Q開關(guān)關(guān)閉開關(guān)關(guān)閉第53頁/共75頁第五十四頁，共75頁。55l在諧振腔中設(shè)置(shzh)一飽和吸收體，利用飽和吸收效應(yīng)可以控制諧振腔的損耗l某些有機染料的吸收系數(shù)并不是常數(shù)，當在較強激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強的增加而減小直至飽和，對光呈現(xiàn)透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料l飽和吸收體可看成二能級系統(tǒng)，中心頻率處的吸收系數(shù)：3. 被動(bidng)調(diào)Q221ss02/1hIII第54頁/共75頁第五十五頁，共75頁。56r 將具有飽和吸收性能的染料

37、(溶液或固態(tài)片)置于諧振腔內(nèi)r 開始泵浦腔內(nèi)熒光弱吸收系數(shù)大Q值低不能形成激光r 繼續(xù)泵浦腔內(nèi)熒光變強吸收系數(shù)變小熒光達到一定值時，吸收系數(shù)飽和燃料(rnlio)被漂白 Q值突增，形成激光脈沖泵浦結(jié)束激光介質(zhì)激光介質(zhì)染料盒染料盒 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡氙燈氙燈染料飽和吸收(xshu)調(diào)Q是最早出現(xiàn)的被動調(diào)Q染料飽和(boh)吸收調(diào)Q第55頁/共75頁第五十六頁，共75頁。571、脈沖反射式調(diào)Q前面(qin mian)討論的調(diào)Q方式都是工作物質(zhì)儲能調(diào)Q：低Q值下激光工作物質(zhì)上能級積累粒子，Q值升高時形成巨脈沖振蕩，輸出光脈沖脈沖反射式調(diào)Q工作物質(zhì)儲能調(diào)Q振蕩和輸出過程同時進行，脈寬取決

38、于激光增長和衰減過程，脈寬達數(shù)十納秒 第56頁/共75頁第五十七頁，共75頁。582、脈沖透射式調(diào)Q諧振腔儲能調(diào)Q：諧振腔由全反鏡M1和可控反射鏡M2構(gòu)成t0時，M2鏡全反射，諧振腔處于(chy)高Q狀態(tài)，激光器振蕩但無輸出，能量儲存于諧振腔內(nèi) t=0時，控制M2使其透射率達到100%，儲存在腔內(nèi)的能量迅速逸出腔外，輸出一巨脈沖 光子逸出腔外的最長時間為2L/c，因此脈沖持續(xù)時間約等于2L/c，脈寬僅為數(shù)納秒第57頁/共75頁第五十八頁，共75頁。593、脈沖反射-透射式調(diào)Q將脈沖反射式和脈沖透射式調(diào)Q結(jié)合在一起，以提高輸出(shch)峰值功率 第58頁/共75頁第五十九頁，共75頁。60r調(diào)

39、調(diào)Q技術(shù)可將激光脈寬壓縮技術(shù)可將激光脈寬壓縮(y su)至下限為至下限為L/c量級量級納秒納秒量級量級r要獲得更窄的脈沖，則需要利用鎖模技術(shù)對激光束進行特殊調(diào)制，要獲得更窄的脈沖，則需要利用鎖模技術(shù)對激光束進行特殊調(diào)制，使光束中的不同縱模具有確定的相位關(guān)系，各模式相干疊加得到使光束中的不同縱模具有確定的相位關(guān)系，各模式相干疊加得到超短脈沖超短脈沖r鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮(y su)至皮秒甚至飛秒量級至皮秒甚至飛秒量級(峰值功峰值功率可達到率可達到1012W)短脈沖短脈沖(michng)技術(shù)技術(shù)第59頁/共75頁第六十頁，共75頁。61 r腔長為L 的激光器，其縱模的頻

40、率(pnl)間隔為r自由運轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含(bohn)若干個超過閥值的縱模，一般情況下多模激光器形成振蕩的各模式之間相位是無關(guān)的，激光輸出隨時間的變化是它們無規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時間平均的統(tǒng)計值。 r假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含(bohn)有2N+1個縱模，那么激光器輸出的光波電場是N個縱模電場的和，即Lcqq21)cos()(qqNNqqtEtE第60頁/共75頁第六十一頁，共75頁。62特點特點(tdin)各縱模初相位彼此無確定關(guān)系，完全獨立、隨機的。各縱模初相位彼此無確定關(guān)系，完全獨立、隨機的。頻譜。由于存在頻率牽引和推斥作用，各相鄰縱模之間頻頻譜。由于存在頻率牽引和推斥

41、作用，各相鄰縱模之間頻率間隔并不嚴格率間隔并不嚴格(yng)相等。各縱模不相干。相等。各縱模不相干。輸出光強。輸出光強由于各縱模之間非相干疊加而呈現(xiàn)隨輸出光強。輸出光強由于各縱模之間非相干疊加而呈現(xiàn)隨機的無規(guī)則起伏。機的無規(guī)則起伏。I tI第61頁/共75頁第六十二頁，共75頁。63r鎖模：使各縱模在時間上同步，頻率間隔也保持一定，則激光器將輸出脈寬極窄、峰值(fn zh)功率很高的超短脈沖。r設(shè)腔內(nèi)有2N+1個振蕩縱模，如果相鄰模式(msh)的初相位之差保持恒定(相位鎖定)，即有qqqq01r忽略頻率牽引和頻率排斥，相鄰模式角頻率之差為qLcq0/第62頁/共75頁第六十三頁，共75頁。64NNqqtqqEtE00)(ie)(rz=0處，第q個模式(msh)的場強為qtqqqEtE00)(ie)(r(2N+1)個模式(msh)的合成場強為r若各模式振幅(zhnf)相等，即Eq=E0NNqtNNqqtqtNNqqtqqtqEEEtE)(coseeee)()i(0)i()i(0)(i000000第63頁/共75頁第六十四頁，共7