Ch激光控制技術(shù)PPT課件

1、Ch.3 Ch.3 激光控制技術(shù)激光控制技術(shù) 改進(jìn)改進(jìn) Laser性能 提高提高效率和功率 壓縮壓縮其脈沖寬度 改變改變輸出頻率等 是當(dāng)今Laser研究的重要內(nèi)容之一。第1頁/共250頁激光控制技術(shù)就是旨在改善和提高激光性能，主要有以下幾個(gè)方面：選模技術(shù)；選模技術(shù)；穩(wěn)頻技術(shù)；穩(wěn)頻技術(shù)；調(diào)調(diào)Q Q技術(shù)；技術(shù)；鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)。美國陸基戰(zhàn)略級(jí)激光反導(dǎo)反衛(wèi)武器 第2頁/共250頁一臺(tái)普通的脈沖固體激光器，輸出的光脈沖寬度是幾百微秒，甚至是毫秒量級(jí)，峰值功率只有幾十千瓦級(jí)，顯然滿足不了諸如激光精密測距、激光雷達(dá)、高速攝影、高分辨率光譜學(xué)研究等的要求，正是在這些要求的推動(dòng)下,人們研究和發(fā)展了調(diào)Q技術(shù)和鎖

2、模技術(shù)。美國進(jìn)行大功率激光束發(fā)射試驗(yàn) 西方國家激光研究 第3頁/共250頁 將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進(jìn)行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其波形并非一個(gè)平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機(jī)變化的尖峰脈沖組成的，如圖所示。每個(gè)尖峰的寬度約為1s，間隔為數(shù)微秒，脈沖序列的長度大致與閃光燈泵浦持續(xù)時(shí)間相等。下圖為觀察到的紅寶石激光器輸出的尖峰。這種現(xiàn)象稱為激光器弛豫振蕩。脈沖固體激光器的輸出特性E1E2第4頁/共250頁 產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因：當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級(jí)的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過閾值條件時(shí)，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光。隨著激光的發(fā)射，上能級(jí)粒子數(shù)大量被消耗

3、，導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，當(dāng)?shù)陀陂撝禃r(shí)，激光振蕩就停止。這時(shí)，由于光泵的繼續(xù)抽運(yùn)，上能級(jí)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新積累，當(dāng)超過閾值時(shí)，又產(chǎn)生第二個(gè)脈沖，如此不斷重復(fù)上述過程，直到泵浦停止才結(jié)束。每個(gè)尖峰脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水平較低。增大泵浦能量也無助于峰值功率的提高，而只會(huì)使小尖峰的個(gè)數(shù)增加。E1E2第5頁/共250頁弛豫振蕩產(chǎn)生的物理過程，可以用下圖來描述。它示出了在弛豫振蕩過程中粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n 和腔內(nèi)光子數(shù)的變化，每個(gè)尖峰可以分為四個(gè)階段 (在t1時(shí)刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n增長，但尚未到達(dá)閾值nth因而不能形成激光振蕩。)腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化第6頁/共250頁

4、第一階段(t1一t2)：激光振蕩剛開始時(shí)，n nth， 0；由于光泵作用， n繼續(xù)增加，與此同時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)密度也開始增加，由于的增長而使n減小的速率小于泵浦使n 增加的速率，因此n一直增加到最大值。 腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化第二階段(t2一t3) ： n到達(dá)最大值后開始下降，但仍然大于nth ，因此 繼續(xù)增長，而且增長非常迅速，達(dá)到最大值。第7頁/共250頁 第四階段(t4一t5)：光子數(shù)減少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是n又開始回升，到t5時(shí)刻n又達(dá)到閾值nth ，于是又開始產(chǎn)生第二個(gè)尖峰脈沖。因?yàn)楸闷值某檫\(yùn)過程的持續(xù)時(shí)間要比每個(gè)尖峰脈沖寬度大得多，于是上述過程周而復(fù)始，產(chǎn)生

5、一系列尖峰脈沖。泵浦功率越大，尖峰脈沖形成越快，因而尖峰的時(shí)間間隔越小。 第三階段(t3一t4)： n nth ，增益小于損耗，光子數(shù)密度減少并急劇下降。第8頁/共250頁 調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)?，F(xiàn)在，要獲得峰值功率在兆瓦級(jí)(106w)以上，脈寬為納秒級(jí)(10-9s)的激光脈沖已并不困難。調(diào)Q(Q開關(guān))技術(shù)Hermann Haus (1925-2003)1961年Hermann Haus提出了調(diào)Q的概念，即設(shè)想采用一種方法把全部光輻射能壓縮到極窄的脈沖中發(fā)射。第9頁/共250

6、頁 1962年，制成了第一臺(tái)調(diào)Q激光器輸出峰值功率為600千瓦，脈沖寬度為10-7s量級(jí)；隨后的幾年發(fā)展的非常快，出現(xiàn)了多種調(diào)Q方法（如電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、可飽和吸收調(diào)Q等），輸出功率幾乎呈直線上升，脈寬壓縮也取得了很大進(jìn)展； 到了80年代，調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生脈寬為納秒（ns）量級(jí)，峰值功率為吉瓦（GW）量級(jí)的巨脈沖已并非困難。調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)是激光發(fā)展史上的一個(gè)重大突破。它不僅大大推動(dòng)了上述一些應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展而且成為科學(xué)研究的有力工具。 2002年10月， Lambda Physik公司生產(chǎn)的激光器參數(shù)如下: 波長1.064mm,平均功率nt(閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù))，因此受激輻射增強(qiáng)非常迅速，激光介質(zhì)存儲(chǔ)

7、的能量在極短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱龅哪芰?，結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)峰值功率很高的窄脈沖。第17頁/共250頁 調(diào)Q脈沖的建立有個(gè)過程，當(dāng)Q值階躍上升時(shí)開始振蕩，在t=t0振蕩開始建立至以后一個(gè)較長的時(shí)間過程中，光子數(shù)增長十分緩慢，如圖所示，其值始終很小(i)，受激輻射幾率很小，此時(shí)仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢。從開始振蕩到脈沖形成的過程只有振蕩持續(xù)到ttD時(shí)，增長到了 D ，雪崩過程才形成， 才迅 速增大，受激輻射才迅速超過自 發(fā)輻射而占優(yōu)勢。第18頁/共250頁因此，調(diào)Q脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時(shí)間t (也就是Q開關(guān)開啟的持續(xù)時(shí)間)。光子數(shù)的迅速增長，使ni迅速減少，到t=tp時(shí)刻，

8、ni= nt，光子數(shù)達(dá)到最大值m之后，由n nt ，則 迅速減少，此時(shí)n = nf ，為振蕩終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)。可見，調(diào)Q脈沖的峰值是發(fā)生在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)(ni= nt)的時(shí)刻。 第19頁/共250頁 綜上所述，諧振腔的Q值與損耗成反比，如果按照一定的規(guī)律改變諧振腔的值，就可以使Q值發(fā)生相應(yīng)的變化。諧振腔的損耗一般包括有：反射損耗、衍射損耗、吸收損耗等。那么，我們用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可以形成不同的調(diào)Q技術(shù)。有機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q技術(shù)，聲光調(diào)Q技術(shù)，染料調(diào)Q技術(shù)等。 普通激光器(bump時(shí)間內(nèi)有很多脈沖）和調(diào)q激光器腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化（

9、只有一個(gè)脈沖）第20頁/共250頁 (1)由于調(diào)Q是把能量以激活離子的形式存儲(chǔ)在激光工作物質(zhì)的高能態(tài)上，集中在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)釋放出來，因此，要求工作物質(zhì)必須能在強(qiáng)泵浦下工作，即抗損傷閾值要高；其次，要求工作物質(zhì)必須有較長的壽命,若激光工作物質(zhì)的上能級(jí)壽命為2，則上能級(jí)上的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n2因自發(fā)輻射而減少的速度為n2/ 2，這樣，當(dāng)泵浦速率（要大）為Wp時(shí)，在達(dá)到平衡情況下，應(yīng)滿足：pWn22則上能級(jí)達(dá)到最大反轉(zhuǎn)粒子數(shù)取決于 n2=Wp2為了能使激光工作物質(zhì)的上能級(jí)積累盡可能多的粒子，則要求Wp2值應(yīng)大一些，但2也不宜太大，否則會(huì)影響能量的釋放速度。三、實(shí)現(xiàn)調(diào)Q對(duì)激光器的基本要求第21頁/共25

10、0頁 (2)光泵的泵浦速度必須快于激光上能級(jí)的自發(fā)輻射速率，即光泵的發(fā)光時(shí)間(波形的半寬度)必須小于激光介質(zhì)的上能級(jí)壽命。 (3)諧振腔的Q值改變要快（最好是突變），一般應(yīng)與諧振腔建立激光振蕩的時(shí)間相比擬。第22頁/共250頁 激光器的嚴(yán)格理論是建立在激光器的嚴(yán)格理論是建立在量子電動(dòng)力學(xué)量子電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上基礎(chǔ)上的，它原則上可以描述激光器的全部特性，但由于它的的，它原則上可以描述激光器的全部特性，但由于它的復(fù)雜性我們在討論激光器的某些現(xiàn)象時(shí)不一定非得采復(fù)雜性我們在討論激光器的某些現(xiàn)象時(shí)不一定非得采用它，而是使用不同近似程度的理論去描述不同層次的用它，而是使用不同近似程度的理論去描述不同層次的問題

11、。下面簡介激光器約四類不同理論的出發(fā)點(diǎn)及其應(yīng)問題。下面簡介激光器約四類不同理論的出發(fā)點(diǎn)及其應(yīng)用范圍。用范圍。激光器的幾種理論激光器的幾種理論: :第23頁/共250頁原子系統(tǒng)：原子系統(tǒng)： 原子中的電子，服從經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)固定原子中的電子，服從經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)固定在彈簧一端的帶電振子，電子在庫侖力的作用下作簡在彈簧一端的帶電振子，電子在庫侖力的作用下作簡諧振動(dòng)諧振動(dòng)輻射場：輻射場： MaxwellMaxwell方程方程一、一、 經(jīng)典理論經(jīng)典理論: : 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論，光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論，經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)第24頁/共250頁二、二、 半經(jīng)典理論半經(jīng)典理論物

12、質(zhì)：物質(zhì)： 用量子力學(xué)方法描述用量子力學(xué)方法描述電磁場：電磁場： 經(jīng)典經(jīng)典MaxwellMaxwell方程方程輻射場對(duì)原子系統(tǒng)的影響：輻射場對(duì)原子系統(tǒng)的影響： HamiltonHamilton算符中含時(shí)相互作用項(xiàng)算符中含時(shí)相互作用項(xiàng)原子系統(tǒng)對(duì)輻射場的影響：原子系統(tǒng)對(duì)輻射場的影響： MaxwellMaxwell方程中隨時(shí)間變化的宏觀極化強(qiáng)度方程中隨時(shí)間變化的宏觀極化強(qiáng)度第25頁/共250頁采用量子電動(dòng)力學(xué)的處理方法，它對(duì)光頻電磁場以及物質(zhì)原子都采用量子電動(dòng)力學(xué)的處理方法，它對(duì)光頻電磁場以及物質(zhì)原子都作量子化處理。作量子化處理。 物質(zhì)（原子、分子、離子等）用物質(zhì)（原子、分子、離子等）用Schroe

13、dingerSchroedinger方程描方程描述述 電磁場量子化電磁場量子化 物質(zhì)與電磁場相互作用（耦合方程）物質(zhì)與電磁場相互作用（耦合方程） 開放的激光系統(tǒng)：開放的激光系統(tǒng)： 光輻射通過腔鏡的光輻射通過腔鏡的部分逸出部分逸出 工作介質(zhì)的不均勻造成工作介質(zhì)的不均勻造成散射散射 工作介質(zhì)的雜質(zhì)造成工作介質(zhì)的雜質(zhì)造成吸收吸收 原子間碰撞、晶體中激活離子同晶格之間原子間碰撞、晶體中激活離子同晶格之間 相互作用和交換能量相互作用和交換能量 外界泵浦源向晶體外界泵浦源向晶體注入能量注入能量三、三、 量子理論量子理論第26頁/共250頁四、速率方程理論四、速率方程理論 這是量子理論的一種簡化形式，因?yàn)樗?/p>

14、是從光這是量子理論的一種簡化形式，因?yàn)樗菑墓庾幼? (即量子化的輻射場即量子化的輻射場) )與物質(zhì)原子的相互作用出發(fā)與物質(zhì)原子的相互作用出發(fā)的，并的，并忽略了光子的相位持性忽略了光子的相位持性與與光子數(shù)的起伏持性光子數(shù)的起伏持性，而使得該理論具有非常簡單的形式。這個(gè)理論的基而使得該理論具有非常簡單的形式。這個(gè)理論的基礎(chǔ)是礎(chǔ)是自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收幾率與愛因斯自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收幾率與愛因斯坦系數(shù)間的關(guān)系坦系數(shù)間的關(guān)系，由此導(dǎo)出激光器的速率方程。，由此導(dǎo)出激光器的速率方程。 以下所討論絕大多數(shù)有關(guān)激光的理論主要采用以下所討論絕大多數(shù)有關(guān)激光的理論主要采用的是速率方程理論。的是速率

15、方程理論。第27頁/共250頁 調(diào)Q脈沖的形成過程以及各種參量對(duì)激光脈沖的影響，可以采用速率方程來進(jìn)行分析，它是描述腔內(nèi)振蕩光子數(shù)和工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律的方程組。根據(jù)這些規(guī)律，又可推導(dǎo)出調(diào)Q脈沖的峰值功率、脈沖寬度等和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系。調(diào)Q激光器的基本理論 激光形成的速率方程是根據(jù)工作物質(zhì)的粒子數(shù)變化和腔內(nèi)光子數(shù)變化之間的內(nèi)在關(guān)系建立起來的。通過一般激光器的三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)的速率方程，可直接寫出粒子反轉(zhuǎn)數(shù)和腔內(nèi)光子數(shù)隨時(shí)間變化的方程。一、調(diào)Q的速率方程第28頁/共250頁式中， n為粒子反轉(zhuǎn)數(shù)密度； 為腔內(nèi)光子數(shù)密度；s為發(fā)射截面；W13， W03為受激躍遷幾率；A21為自

16、發(fā)輻射幾率；為腔內(nèi)光子數(shù)密度。RNnvNdtdWnAnnvNdtndss2113112221222RNnvNdtdWnnnvNdtndss21030221三能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)第29頁/共250頁 為了便于分析，用一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)的模型取代實(shí)際的三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)。這對(duì)于討論調(diào)Q脈沖的形成過程和諸參量對(duì)脈沖的影響是可以得到比較滿意結(jié)果的。 調(diào)Q激光器的速率方程是激光(振蕩)器的一種特例。在Q突變過程中，由于激光器處于急劇變化的瞬態(tài)過程，所以光泵激勵(lì)和自發(fā)輻射兩種過程的影響可以忽略，為簡單起見，在下面的分析中，認(rèn)為Q值是階躍式突變的，則上式可以簡化為 RtRtnndtndnndtd2) 1(上式即為

17、調(diào)Q激光振蕩的速率方程。第30頁/共250頁 對(duì)上述一階微分方程組，一般用數(shù)值方法求解，就可以求得調(diào)Q脈沖的諸參數(shù)。為了求解調(diào)Q的速率方程，必須給出Q開關(guān)函數(shù)的具體形式。一般為了求解方便，都是預(yù)先假定幾種典型的Q開關(guān)函數(shù)(階躍開關(guān)函數(shù)、線性開關(guān)函數(shù)和拋物線開關(guān)函數(shù))。而實(shí)際的Q開關(guān)函數(shù)往往是比較復(fù)雜的，甚至很難用一種簡單形式予以表達(dá)。在此，著重討論理想的階躍式開關(guān)函數(shù)。二、速率方程的求解第31頁/共250頁從方程組式中，將上式除以下式， 消去時(shí)間t，得： 假定腔內(nèi)損耗 在時(shí)間上有一突變，如圖所示的階躍函數(shù)，即在t0以前的過程只是準(zhǔn)備了初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度ni這個(gè)初始條件，故對(duì)n的積累過程可不涉及

18、，可只考慮t0以后的變化過程。 nnnnnnnnddttt22) 1(RtRtnndtndnndtd2) 1(第32頁/共250頁利用泰勒級(jí)數(shù)展開后，得近似式 在t0時(shí)刻， n到達(dá)最大值ni ，而受激輻射光子數(shù)為零，即 i0，之后， 開始增加，到 tD 時(shí)雪崩過程形成(見圖), 急劇增長, n也開始劇減，這一過程一直持續(xù)到tp時(shí)刻，這時(shí)n nt ，腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到極大值 m 。將上式積分，并考慮到n的積分限為從ni nt ，有去掉下標(biāo)t和m, 就是普通表達(dá)式 )ln(21itinnnnn第33頁/共250頁可見， m與參量(ni nt)存在二次方的關(guān)系，其變化曲線如圖所示。因此提高初始粒子反轉(zhuǎn)數(shù)

19、ni與閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù)nt之比值有利于腔內(nèi)最大光子數(shù) m的提高。第34頁/共250頁 1調(diào)Q脈沖的峰值功率 可近似地認(rèn)為，這些光子在腔內(nèi)的壽命為 tc 的時(shí)間內(nèi)逸出，而每個(gè)光子的能量為h，則激光的瞬時(shí)功率P h/ tc，可得 如果初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù) ni 大大超過閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)nt (高Q值情況)，則得 （后兩項(xiàng)忽略） 當(dāng)n = nt 時(shí)，輸出功率達(dá)到極大值，即峰值功率為)ln(21itinnnnn去掉下標(biāo)后III第35頁/共250頁式中，V為腔內(nèi)激活介質(zhì)的體積； nf 為激光振蕩終止時(shí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，它可由積分方程解得， 激光脈沖的能量是由消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的受激輻射過程提供的，若以光子數(shù)從極大值m

20、下降到 f的時(shí)間作為脈沖結(jié)束，則 f 對(duì)應(yīng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為 nf 。因此，調(diào)Q脈沖（三能級(jí)系統(tǒng)）的總能量可由下式?jīng)Q定： 在t0時(shí)刻， n到達(dá)最大值ni ，而受激輻射光子數(shù)為零，即 i0 fnf fnfnf因?yàn)?f =0，所以 2調(diào)Q脈沖的能量及能量利用率第36頁/共250頁通常ni nf ，所以由式可以看出，調(diào)Q脈沖能量隨參量ni 的變大而線性增加。 一個(gè)調(diào)Q脈沖可以從激活介質(zhì)的儲(chǔ)能中提取多大比率的能量, nf是沒有貢獻(xiàn)的，這些剩余的反轉(zhuǎn)粒子在巨脈沖結(jié)束后，以熒光形式消散掉了，因此，用 = (ni -nf )/ ni來表示調(diào)Q脈沖可以從介質(zhì)中提取的能量，稱為單脈沖的能量利用率。由公式知輸出光子的

21、峰值功率（最大數(shù)目）與ni/ nt的比值有關(guān)。第37頁/共250頁 下面分析一下以及nf /ni 與ni /nt關(guān)系。下圖示出和nf /ni 與ni /nt的關(guān)系。從圖可以看出 （ ni -nf ）/ni 隨ni /nt的增加而增大，這說明能量利用率高；伴隨有nf /ni越小。第38頁/共250頁 下面再討論一下調(diào)Q脈沖的脈寬和波形問題。如果所討論的時(shí)間t僅指激光脈沖的寬度的一段時(shí)間，那么，在該時(shí)間內(nèi)，初始光子數(shù)密度i可忽略，則上式可寫為 由式 可求得，代入上式，得到) 1(0ndnndnnti3調(diào)Q脈沖的時(shí)間特性ndnndtRt21nnittitiRinnnnnnnnndt)ln(2121n

22、nittiRinnnnnnnndt)ln(第39頁/共250頁這個(gè)積分方程不易直接得出解析解，但可以根據(jù)已給的初始值 ，利用數(shù)值積分來求得t的數(shù)值解，其結(jié)果列于下表。表中t1為光子數(shù)從半極大值上升到峰值所需時(shí)間(脈沖上升時(shí)間)； t2為光子數(shù)從峰值下降到半極大值處的時(shí)間(脈沖下降時(shí)間)，而t1十t2即為脈寬t 。tinn第40頁/共250頁脈沖寬度t 與的關(guān)系tinn第41頁/共250頁脈沖寬度t 與的關(guān)系tinn第42頁/共250頁調(diào)Q脈沖波形與ni/ nt第43頁/共250頁 上圖給出了幾種不同初始值時(shí)的計(jì)算結(jié)果。圖中縱坐標(biāo)為歸一化光子數(shù)密度2mnt，橫坐標(biāo)表示以腔內(nèi)光子壽命為單位的時(shí)間參

23、量 t/tc (其中tc為光子在腔內(nèi)的壽命)。從上述速率方程的解可以看出，在調(diào)Q激光器中， 是一個(gè)極為重要的參量，它直接影響到輸出功率和脈沖寬度，亦即影響到總體效率。當(dāng) 值增大時(shí)，峰值光子數(shù)增加，脈沖的上升時(shí)間(前沿)和下降時(shí)間(后沿)同時(shí)縮短，脈沖變窄。tinntinn 所以在設(shè)計(jì)調(diào)Q激光器時(shí)，應(yīng)盡可能地提高光泵的抽運(yùn)速率以增大ni,；同時(shí)要選擇效率較高的激光工作物質(zhì)和合適的諧振腔結(jié)構(gòu)以減小nt和其他損耗。 第44頁/共250頁以上討論的是理想的階躍式Q開關(guān)函數(shù)的情況。若腔內(nèi)損耗與時(shí)間呈線性函數(shù)的關(guān)系加圖所示，其調(diào)Q特性也有不同，根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究表明：設(shè)臨界振蕩點(diǎn)定為t0的點(diǎn)，那么t=

24、ts就可理解為腔損耗從最大(A點(diǎn))減到最小(B點(diǎn))所需的時(shí)間。顯然，線性開關(guān)函數(shù)與理想的階躍開關(guān)函數(shù)之間的差異在于ts的不同。線性開關(guān)函數(shù)的解與階躍式開關(guān)函數(shù)的解沒有本質(zhì)的差別，不同之處只在于脈沖建立時(shí)的延遲時(shí)間，前者比后者多了開關(guān)時(shí)間ts 。另外，還有一種穩(wěn)變非線性（拋物線）開關(guān)函數(shù)(一般了解)。第45頁/共250頁第46頁/共250頁 利用某些晶體的電光效應(yīng)可以做成電光Q開關(guān)器件。電光調(diào)Q具有開關(guān)時(shí)間短，效率高，調(diào)Q時(shí)刻可以精確控制，輸出脈沖寬度窄，峰值功率高等優(yōu)點(diǎn)。電光調(diào)Q 下圖所示是電光晶體調(diào)Q裝置的工作原理圖。激光工作物質(zhì)是一、帶偏振器的電光調(diào)Q器件方解石KD*PBaTiO3,KH2

25、PO4,GaAs,CdTe,LiNbO3,LiTaO3,CdS第47頁/共250頁輸入KDP起偏檢偏快輸出第48頁/共250頁第49頁/共250頁Nd:YAG晶體，偏振器采用方解石空氣隙格蘭付克棱鏡，調(diào)制晶體用KD*P(磷酸二氘 鉀)晶體，它是z-00切割的(使通光面與z軸垂直)，利用其63的縱向電光效應(yīng)。將調(diào)制晶體兩端的環(huán)狀電極與調(diào)Q電源相接。 如果在調(diào)制晶體上施加4電壓，由于縱向電光效應(yīng)，當(dāng)沿x方向的線偏振光通過晶體后，兩分量之間便產(chǎn)生2的相位差，則從晶體出射后合成為相當(dāng)于圓偏振光；經(jīng)全反射鏡反射回來，再次通過調(diào)制晶體，又會(huì)產(chǎn)生 2的相位差，往返一次總共累積產(chǎn)生 相位差，合成后得到沿y方向

26、振動(dòng)的線偏振光，相當(dāng)于偏振面相對(duì)于入射光旋轉(zhuǎn)了900，顯然，這種偏振光不能再通過偏振棱鏡，此時(shí)，電光Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)。因此，如果在氙燈剛開始點(diǎn)燃時(shí)，事先在調(diào)制晶體上加上 4電壓，使諧振腔處于“關(guān)閉”的低Q值狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。第50頁/共250頁V/4第51頁/共250頁待激光上能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)積累到最大值時(shí)，突然撤去晶體上的 4電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)，產(chǎn)生雪崩式的激光振蕩，就可輸出一個(gè)巨脈沖。 由電光調(diào)Q基本原理可知，要獲得高效率調(diào)Q的關(guān)鍵之一是精確控制Q開關(guān)“打開”的延遲時(shí)間，即從氙燈點(diǎn)燃開始延遲一段時(shí)間，當(dāng)工作物質(zhì)上能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)達(dá)到最大時(shí)，立即“打開”開關(guān)的效果

27、最好。如果Q開關(guān)打開早了，上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)尚未達(dá)到最大時(shí)就開始起振，顯然輸出的巨脈沖功率會(huì)降低，而且還可能出現(xiàn)多脈沖。如果延時(shí)過長，即Q開關(guān)打開得遲了，則由于自發(fā)輻射等損耗，也會(huì)影響巨脈沖的功率。第52頁/共250頁 上圖所示的為調(diào)Q工作程序的示意圖。其過程是：（1）先開主電源對(duì)電容C充電，并接于氙燈電極，但不導(dǎo)通故不點(diǎn)燃；（2）開動(dòng)晶體電源給KD*P晶體加電壓，使腔處于關(guān)閉狀態(tài)；第53頁/共250頁觸發(fā)器，使氙燈點(diǎn)燃，給工作物質(zhì)以能量，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累。但此時(shí)由于KD*P晶體上加有V/4電壓，所以諧振腔損耗最大，不能形成激光振蕩。當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)到最大時(shí)，通過延時(shí)電路的信號(hào)加到閘流管的柵極上

28、(使之導(dǎo)通)，將KD*P晶體上的電壓瞬時(shí)退掉，使諧振腔Q值突增，形成激光振蕩，輸山巨脈沖。可通過實(shí)驗(yàn)，精確調(diào)節(jié)延時(shí)電路，宜到輸出激光最強(qiáng)為止。（3）由單結(jié)晶體管振蕩器產(chǎn)生一脈沖時(shí)標(biāo)信號(hào)輸入到控制電路，再由控制電路將該信號(hào)分別送往激光主電源，使其停止對(duì)電容充電，同時(shí)輸送到第54頁/共250頁 調(diào)Q激光器與普通脈沖激光器相比，它具有超臨界振蕩的持點(diǎn)，因此，對(duì)Q開關(guān)器件、激光工作物質(zhì)、光泵浦燈以及耦合輸出條件等有一些新的要求。設(shè)計(jì)電光調(diào)Q激光器應(yīng)考慮的問題一、調(diào)制晶體材料的選擇 電光晶體的質(zhì)量對(duì)調(diào)Q性能起著很重要的作用，目前能夠獲得較高光學(xué)質(zhì)量的線性電光晶體材料還是有限的。1 消光比要高；2 透過率

29、要高；3 半波電壓要低；抗破壞閾值要高等。第55頁/共250頁二、調(diào)制晶體的電極結(jié)構(gòu) 電極的結(jié)構(gòu)形式及晶體接觸的好壞直接影響晶體內(nèi)電場的均勻性，一個(gè)極不均勻的電場可能導(dǎo)致器件失去調(diào)Q效應(yīng)。因此，晶體內(nèi)具有均勻的電場是設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)的基本出發(fā)點(diǎn)。第56頁/共250頁 需要有高質(zhì)量的激光工作物質(zhì)，具備儲(chǔ)能密度高的性能，還要求有較高的抗強(qiáng)光破壞閾值，能承受較高的激光功率密度。三、對(duì)激光工作物質(zhì)的要求四、對(duì)光泵浦燈的要求 要求泵浦燈的發(fā)光時(shí)間（脈沖波形的半寬度）必須小于工作物質(zhì)的熒光壽命（激光上能級(jí)壽命）。但是，燈光半波寬度太窄，燈的效率又會(huì)降低，故應(yīng)根據(jù)激光工作物質(zhì)，選擇二者匹配比較好的泵燈。五、對(duì)Q

30、開關(guān)控制電路的要求 要獲得最佳的調(diào)Q效果，要求Q開關(guān)速度要快，必須精確設(shè)計(jì)各部分電路，使其能很好地協(xié)調(diào)。 #第57頁/共250頁一、聲光調(diào)Q的基本原理 聲光Q開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)，由聲光介質(zhì)、電-聲換能器、吸聲材料和驅(qū)動(dòng)電源組成。其裝置示意圖如圖所示。聲光調(diào)Qsin B / (2 n s )H2O、熔融石英、聚苯乙烯、KRS、TiO2、LiF、Al2O3、a-HIO3、玻璃、鉬酸鉛石英、鈮酸鋰鉛橡膠或玻璃棉第58頁/共250頁aL光波波陣面聲波波陣面第59頁/共250頁第60頁/共250頁聲光介質(zhì)主要采用熔融石英、玻璃、鉬酸鉛等。換能器常采用石英、鈮酸鋰等晶體制成。吸聲材料常用鉛橡膠或玻璃棉等。把聲

31、光Q開關(guān)器件插入諧振腔內(nèi)，當(dāng)聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)加在聲光調(diào)Q器件的換能器上時(shí)，在聲光介質(zhì)中，使折射率發(fā)生變化，形成等效的“相位光柵”，當(dāng)光束通過聲光介質(zhì)時(shí)，便產(chǎn)生布拉格衍射。衍射光相對(duì)于0級(jí)光有2角的偏離(如當(dāng)超聲頻率在2050MHz范圍時(shí)，石英對(duì)m的光波的衍射角為0 0)，這一角度完全可以使光波偏離出腔外，使諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài)，不能產(chǎn)生振蕩，或者說Q開關(guān)將激光“關(guān)斷”。當(dāng)高頻信號(hào)的作用突然停止，則聲光介質(zhì)中的超聲場消失，于是諧振腔又突變?yōu)楦逹值狀態(tài)，相當(dāng)于Q開關(guān)“打開”。Q值交替變化一次，就使激光器輸出一個(gè)調(diào)Q脈沖。二、聲光調(diào)Q器件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì) 1.材料的選擇 2.器件的設(shè)計(jì)

32、#第61頁/共250頁被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q 前面介紹的都是主動(dòng)式調(diào)Q方法，即是人為地利用某些物理效應(yīng)來控制激光諧振腔的損耗，從而達(dá)到Q值的突變。這里將介紹一種被動(dòng)式Q開關(guān)，即利用某些可飽和吸收體本身特性，能自動(dòng)地改變Q值的一種方法。一、可飽和吸收染料的調(diào)Q原理 某些有機(jī)染料是一種非線性吸收介質(zhì)，即其吸收系數(shù)并不是常數(shù)，當(dāng)在較強(qiáng)激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減小直至飽和，對(duì)光呈現(xiàn)透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數(shù)。0為光強(qiáng)很小(I0)時(shí)的吸收系數(shù)；Is為染料的飽和吸收光強(qiáng)第62頁/共250頁式中，0為光強(qiáng)很小(I0)時(shí)的吸收系數(shù)；Is為染料的飽和吸收光強(qiáng)，其大小與染料的種類和

33、濃度有關(guān)，一般來說，染料的濃度增加， Is值也增加；I為入射光強(qiáng)。由上式可以看出，當(dāng)I Is 時(shí)，吸收系數(shù)趨于零，染料對(duì)通過的光束于是變?yōu)橥该鳌?圖為染料透過率與光功率密度的關(guān)系，透射率 = 1 - 吸收率）染料透過率與光功率密度的關(guān)系第63頁/共250頁那么，將具有這種性能的染料(溶液或固態(tài)片)置于諧振腔內(nèi)時(shí)開始，腔內(nèi)自發(fā)熒光很弱，染料吸收系數(shù)很大，使光的透過率很低，腔處于低Q值(高損耗)狀態(tài)，故不能形成激光振蕩。隨著光泵的繼續(xù)作用反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累，腔內(nèi)熒光逐漸變強(qiáng)，當(dāng)光強(qiáng)能與Is相比擬時(shí)，染料的吸收系數(shù)變小，透過率逐漸增大，到一定數(shù)值時(shí)，染料吸收達(dá)到飽和（吸收最?。┲担蝗槐弧捌住倍兊?/p>

34、透明了，這時(shí)腔內(nèi)Q值猛增，產(chǎn)生激光振蕩輸出調(diào)Q激光脈沖。泵浦一定是脈沖式染料調(diào)Q激光器第64頁/共250頁因?yàn)楸闷质敲}沖式的，腔內(nèi)光場迅速減弱（I0)，因而染料又恢復(fù)了吸收特性（透過很小），起到將腔關(guān)閉的作用，然后再重復(fù)以上的過程。第65頁/共250頁影響調(diào)Q效果的因素 主要討論吸收體、輸入能量、吸收體濃度對(duì)調(diào)Q效果的影響。 1. 染料吸收體 吸收體是染料Q開關(guān)的核心，它對(duì)調(diào)Q的效果影響最大。因此合理的選擇染料很重要，并不是什么樣的染料都可以做調(diào)Q開關(guān)，而且不同的工作物質(zhì)所需要的染料不同。染料需滿足下面條件： （1）吸收體的吸收峰和激光器的中心波長對(duì)應(yīng) BDN染料（YAG:Nd3+)、葉綠素和

35、甲醇溶劑(Al2O3:Cr3+) （2）染料配成溶液要具有一定的穩(wěn)定性。 （3）選擇的染料必須有高的開關(guān)效率。 (4) 染料有適當(dāng)?shù)娘柡凸鈴?qiáng)。Is太小，很容易漂白； Is太大，不易飽和，開關(guān)速度慢。第66頁/共250頁 2. 染料濃度的影響 （1）染料濃度大初始飽和光強(qiáng)大，因此染料從初態(tài)到飽和需要的時(shí)間長，即延遲時(shí)間長。 如果染料濃度過大，飽和光強(qiáng)大，腔內(nèi)的光強(qiáng)不能使染料達(dá)到飽和，這時(shí)染料起不到Q開關(guān)的作用。 （2）染料的濃度小 濃度小，初始飽和光強(qiáng)小，延遲時(shí)間短 初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)小，輸出功率小。由于Q開關(guān)打開的時(shí)間早，容易出現(xiàn)多脈沖。如果濃度過小，則實(shí)際上是尖峰振蕩。 結(jié)論：在一定的輸入能量下

36、，存在一個(gè)最佳濃度，延遲時(shí)間正好使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值。此時(shí)激光器輸出單脈沖，峰值功率最高。第67頁/共250頁 3. 輸入能量 一定的輸入能量對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳濃度。輸入能量改變，最佳濃度變，當(dāng)輸入能量增加時(shí)，最佳濃度向著濃的方向移動(dòng)。因?yàn)檩斎肽芰康淖兓喈?dāng)于腔內(nèi)光強(qiáng)變化，延遲時(shí)間變化， 變。 4. 染料盒的影響 最佳濃度N一定， 若l（盒的厚度）變，則 一定時(shí)（ 一定），最佳濃度N變，l 小，N大，對(duì)于穩(wěn)定的脈沖輸出是有利的。溶劑的比例小，因此溶劑的吸收損耗小。一般盡量選薄一些的染料盒（1mm左右）。 5.輸出鏡反射率的影響 反射率R大，腔內(nèi)u高；R小，腔內(nèi)u?。ㄔ谙嗤斎肽芰肯?，R大延遲時(shí)間

37、短）。R對(duì)延遲時(shí)間有影響。R比靜態(tài)激光器低，使延遲時(shí)間更長，利于 的積累。 n( )( )1vNlvAes ( )0vA( )vAn第68頁/共250頁染料Q開關(guān)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：1.簡單方便。這種Q開關(guān)只要配好溶液放在染料盒內(nèi)，或做成染料片成品。放諧振腔中即可。而電光調(diào)Q中還需要一套電路系統(tǒng)控制Q開關(guān)。 2.速度快。染料Q開關(guān)屬于快開關(guān)。一般10-9nS量級(jí)。3.自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)和增益的調(diào)諧。4.具有選模的作用。在中心頻率附近的模式，增益高，先振蕩，消耗；而增益低的模式被抑止（在漂白前）。漂白后，其他模能夠振蕩。 缺點(diǎn)：1.同步精度差。不需要同步裝置簡單，但要得到很好的調(diào)Q效果需要經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)。而實(shí)

38、際要求和Q開關(guān)激光器同步，染料Q開關(guān)不能使用。 2.穩(wěn)定性差。染料的溶液不穩(wěn)定，影響輸出的功率不穩(wěn)定。 3.輸出功率不能很大。因?yàn)槿玖险{(diào)Q激光器實(shí)際上在閾值附近工作。因此染料Q開關(guān)激光器適用于同步精度要求不高，穩(wěn)定性要求不高的實(shí)際應(yīng)用。第69頁/共250頁 綜上所述，調(diào)Q激光器的工作方式是多種多樣的，且都具有各自的特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用中可以選用，現(xiàn)歸納如下： ()電光晶體調(diào)Q 由于其開關(guān)時(shí)間主要取決于電路的高壓脈沖上升和退壓時(shí)間，一般都能做到小于脈沖建立時(shí)間，故屬于快開關(guān)類型。它能產(chǎn)生窄脈沖，且同步性能好，使用壽命長，輸出巨脈沖穩(wěn)定?？色@得峰值功率為幾十兆瓦以上、脈寬為十幾納秒的巨脈沖，故是目前

39、應(yīng)用最廣泛的一種Q開關(guān)，其主要缺點(diǎn)是半波電壓較高，需要幾千伏的高壓脈沖，對(duì)其他電子線路易造成干擾。第70頁/共250頁 ()聲光調(diào)Q 其開關(guān)時(shí)間小于脈沖建立時(shí)間，屬于快開關(guān)類型。開關(guān)的調(diào)制電壓只需一百多伏，易與連續(xù)激光器配合調(diào)Q，可獲得kHz高重復(fù)頻率的巨脈沖，且脈沖的重復(fù)性好，可獲得峰值功率為幾百千瓦，脈寬約為幾十納秒的巨脈沖。但由于它對(duì)高能量激光器的開關(guān)能力較差，所以，只能用于低增益的連續(xù)激光器上。第71頁/共250頁 ()可飽和吸收體調(diào)Q 這是一種被動(dòng)式的快開關(guān)類型，這種Q開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，沒有電的干擾，可獲得峰值功率為幾兆瓦、脈寬為十幾納秒的巨脈沖。其主要缺點(diǎn)是，由于它是一種被動(dòng)

40、式Q開關(guān)，產(chǎn)生調(diào)Q脈沖的時(shí)刻有一定的隨機(jī)性，不能人為地控制。另外，染料易變質(zhì)，需經(jīng)常更換，輸出不穩(wěn)定。第72頁/共250頁 由于它能使脈沖的持續(xù)時(shí)間壓縮到皮秒（ps,10-12s）量級(jí)，所以也稱為超短脈沖技術(shù)，從60年代到70年代，超短脈沖技術(shù)（包括主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、同步泵浦鎖模等相應(yīng)的測量技術(shù)）得到了迅速的發(fā)展。 70年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室Shank和Ippen使脈沖寬度達(dá)到亞皮秒(10-13s)量級(jí)。從1974年來, Haus 從事鎖模理論的研究。 1981年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的R.L.Fork等人提出碰撞鎖模理論，并在六鏡環(huán)形腔中實(shí)現(xiàn)了碰撞鎖模，得到穩(wěn)定的90fs的光脈沖序列。 90年代，自鎖

41、模技術(shù)的出現(xiàn)，在鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中得到了的超短脈沖序列。鎖模技術(shù)能產(chǎn)生脈寬為飛秒（fs,10-15s）、峰值功率為太瓦（TW,1012W）以上的超短脈沖，為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及光譜學(xué)等學(xué)科對(duì)微觀世界和超快過程的研究提供了重要手段。 雅里夫,1964年他和他的博士生在世界上首先提出了壓縮脈寬、提高功率的新機(jī)制-鎖模理論，并且首先作出了鎖模脈沖序列，開創(chuàng)了超短脈沖激光研究。 激光鎖模技術(shù)Amnon Yariv 第73頁/共250頁自鎖模(被動(dòng)鎖模)第74頁/共250頁討論超短脈沖激光器的原理、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)的方法，幾種典型的鎖模激光器及有關(guān)的超短脈沖技術(shù)，如超短脈沖脈寬的測量方法、超短脈沖的壓

42、縮技術(shù)等。 為了更好地理解鎖模的原理，先討論未經(jīng)鎖模的多縱模自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出特性。腔長為L的激光器，其1)縱模的頻率間隔 自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個(gè)超過閾值的縱模，如圖所示。這些模的振幅及相位都不固定，一、多模激光器的輸出特性 第75頁/共250頁自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個(gè)超過閾值的縱模，如圖所示。這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時(shí)間的變化是它們無規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時(shí)間平均的統(tǒng)計(jì)值。 N=11熒光光譜 假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有N個(gè)縱模，那么激光器輸出的光波電場是N個(gè)縱模電場的和，即第76頁/共250頁和頻率描述的非鎖模激光脈沖和完全鎖模激光脈沖兩種情

43、況的圖形。在頻率域內(nèi)光脈沖可以寫為 式中，q0， 1， 2， N是激光器內(nèi)(2N+1)個(gè)振蕩模中第q個(gè)縱模的序數(shù)； Eq是縱模序數(shù)為q的場強(qiáng); q及q是縱模序數(shù)為q的模的角頻率及相位。右圖給出了時(shí)間描述)(exp)()(i非鎖模和理想鎖模激光器的信號(hào)結(jié)構(gòu), (a) 非鎖模,（b)理想鎖模式中，()為幅度；()為位相頻譜。當(dāng)脈沖帶寬比平均光頻0窄，在時(shí)域內(nèi)光脈沖可以寫成式中，A(t)是脈沖的振幅；是(t)相位。第77頁/共250頁某一瞬時(shí)的輸出光強(qiáng)為(2q+1) q項(xiàng)， 即 m(m-1)/2項(xiàng)， m=2q+1 （式 知）因?yàn)樗詑=-N接收到的光強(qiáng)是在一段比1/ q = 2/q 大的時(shí)間(t1)

44、內(nèi)的平均值，其平均光強(qiáng)為該式說明了平均光強(qiáng)是各個(gè)縱模光強(qiáng)之和 (除以2)。第78頁/共250頁 如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步，即把它們的2)相位相互聯(lián)系起來，使之有一確定的關(guān)系(q+1 -q常數(shù))，那么就會(huì)出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象；激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖，如圖所示。理想鎖模該激光器各模的頻率間隔保持一定并相位已按照q+1 -q常數(shù)的關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應(yīng)的技術(shù)稱為“鎖模技術(shù)”。nlcqq21第79頁/共250頁先看三個(gè)不同頻率光波的疊加：Ei = E0cos(2 i t+ i ) i=1,2,3設(shè)三個(gè)振動(dòng)頻率分別

45、為1 、 2 、 3 的三個(gè)光波沿同一方向傳播，且有關(guān)系式：3=31， 2= 21 , E1 = E 2 =E3 = E0 若相位未鎖定，則此三個(gè)不同頻率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此無關(guān)，如左圖，由于破壞性的干涉疊加，所形成的光波并沒有一個(gè)地方有很突出的加強(qiáng)。輸出的光強(qiáng)只在平均光強(qiáng)3 E02 /2級(jí)基礎(chǔ)上有一個(gè)小的起伏擾動(dòng)。二、鎖模的基本原理注意式相當(dāng)于滿足了一個(gè)條件-E0E0I(t) 0E(t)v3=3v1, v2=2v1， 初相位無規(guī)律v3v2v1未鎖相前的三個(gè)光波的疊加 B C D G Etime3 E02 /2第80頁/共250頁-E0E0I(t) 0E(t)v3=3v1,

46、 v2=2v1， 初相位無規(guī)律v3v2v1未鎖相前的三個(gè)光波的疊加 B C D G Etime3 E02 /2第81頁/共250頁但若設(shè)法使 1 = 2 = 3 =0時(shí)，有 E1 = E0cos(21 t) E2 = E0cos(41 t) E3 = E0cos(61 t) 9E029E02321 t1/v102/(3v1)1/(3v1)-E0E00I(t)E(t)v3=3v1, v2=2v1， 初位相相同(0)v3v2v1三個(gè)光波 的 相位鎖 定 當(dāng) t=0 時(shí), E = 3E0, E2 = 9E02; t = 1/(31)時(shí), E1 = E0cos(2/3) = -E0/2， E2 = E

47、0cos(4/3) = -E0/2, E3 = E0cos(2) = E0 , 三波疊加的結(jié)果是： E = E1 + E 2 + E3 = 0; 同理可得，t=2/(31 )時(shí)，E = 0；t = 1/1時(shí)，E = 3E0 。這樣就會(huì)出現(xiàn)一系列周期性的脈沖，見上圖。 當(dāng)各光波振幅同時(shí)達(dá)到最大值處時(shí)，由于“建設(shè)性”的干涉作用，就周期性地出現(xiàn)了極大值（ I = E2 = 9E02 ）。當(dāng)然, 對(duì)于諧振腔內(nèi)存在多個(gè)縱模的情況，同樣有類似的結(jié)果。第82頁/共250頁9E029E02321 t1/v102/(3v1)1/(3v1)-E0E00I(t)E(t)v3=3v1, v2=2v1， 初位相相同(0

48、)v3v2v1三個(gè)光波 的 相位鎖 定 -E0E0I(t) 0E(t)v3=3v1, v2=2v1， 初相位無規(guī)律v3v2v1未鎖相前的三個(gè)光波的疊加 B C D G Etime3 E02 /2 如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步，即把它們的相位相互聯(lián)系起來，使之有一確定的關(guān)系(q+1 - q =常數(shù))，那么就會(huì)出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象；激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖，這就是說，該激光器各模的相位己按照 q+1 - q =常數(shù)的關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應(yīng)的技術(shù)稱為“鎖模技術(shù)”。第83頁/共250頁 要獲得窄脈寬、高峰值功率的光脈沖

49、，只有采用鎖模的方法，就是使各縱模相鄰頻率間隔相等并固定為 ，并且相鄰位相差為常量。這一點(diǎn)在單橫模的激光器中是能夠?qū)崿F(xiàn)的。 2 -5 -101 5 N=5, 2N+1=11式中，q為腔內(nèi)振蕩縱模的序數(shù)。 下面分析激光輸出與相位鎖定的關(guān)系，為運(yùn)算方便，設(shè)多模激光器的所有振蕩模均具有相等的振幅E0，超過閾值的縱模共有2N十1個(gè)，處在介質(zhì)增益曲線中心的模，其角頻率為0，初相位為0，其模序數(shù)q=0，即以中心模作為參考，各相鄰模的相位差為，模頻率間隔為=c/ l ，假定第q個(gè)振蕩模為 )cos()cos()(000qtqEtEtEqqq第84頁/共250頁 由此可知， 2N+1個(gè)振蕩的模經(jīng)過鎖相以后，總

50、的激光器輸出總光場是2N+1個(gè)縱模相干的結(jié)果：第85頁/共250頁光場變?yōu)轭l率為0 的調(diào)幅波。振幅(t)是一隨時(shí)間變化的周期函數(shù)，光強(qiáng)(t)正比(t) ，也是時(shí)間的函數(shù)，光強(qiáng)受到調(diào)制。按傅里葉分析，總光場由2N十1個(gè)縱模頻率組成，因此激光輸出脈沖是包括2N十1個(gè)縱模的光波。 下圖給出了7（N=3)個(gè)振蕩模的輸出光強(qiáng)曲線。 由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的變化情況，即可了解輸出激光的持性。第86頁/共250頁為討論方便，假定 = 0，則上式分子、分母均為周期函數(shù)，因此A(t)也是周期函數(shù)。只要得到它的周期、零點(diǎn)，即可以得到A(t)的變化規(guī)律。在t=0和t=2L/c時(shí)，A(t)取得極大值，因

51、A(t)分子、分母同時(shí)為零，利用羅彼塔法則可求得此時(shí)振幅（2N+1)E0。由上式可求出A(t) 的周期為 (令分母 等； 因?yàn)?2 = c/L ,所以， ），在一個(gè)周期內(nèi)2N個(gè)零值點(diǎn)及2N+1個(gè)極值點(diǎn)。 0sin21 t21cLT2cL2頻率間隔=c/2L倒數(shù)第87頁/共250頁(2)每個(gè)脈沖的寬度 可見增益線寬愈寬，愈可能得到窄的鎖模脈寬。（ t=to=0時(shí)，A(t)有極大值，而上式分子(1/2) (2N+1) wt1=時(shí)，A(t)=0,令 t=t1-t0 并近似為半峰值寬，則有）qN1121在t=L/c時(shí)，A(t)取得極小值E0，當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，A(t)=E0，N為奇數(shù)時(shí)，A(t)=-E0。

52、除了t=0，L/c及2L/c點(diǎn)之外，A(t)具有2N-1次極大值。 由于光強(qiáng)正比于A2(t)，所以在t=0和t=2L/c時(shí)的極大值，稱為主脈沖。在兩個(gè)相鄰主脈沖之間，共有2N個(gè)零點(diǎn)，并有2N-1個(gè)次極大值，稱為次脈沖。所以鎖模振蕩也可以理解為只有一個(gè)光脈沖在腔內(nèi)來回傳播。(1)激光器的輸出是間隔為=2L/c的規(guī)則脈沖序列。通過分析可知以下性質(zhì)：12N第88頁/共250頁(4)多模(0+qq )激光器相位鎖定的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了q+1 - q=常數(shù)，導(dǎo)致輸出一個(gè)峰值功率高，脈沖寬度窄的序列沖。因此多縱模激光器鎖模后，各振蕩模發(fā)生功率耦合而不再獨(dú)立。每個(gè)模的功率應(yīng)看成是所有振蕩模提供的。220) 12

53、(NE(3)輸出脈沖的峰值功率正比于 ，因此，由于鎖模，峰值功率增大了2N+1倍。 q=-N注意：第89頁/共250頁1.主動(dòng)鎖模 主動(dòng)鎖模采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量(損耗或光程)的方法。三、鎖模的方法2.被動(dòng)鎖模 激光諧振腔中插入可飽和吸收染料來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗當(dāng)滿足鎖模條件時(shí)，就可獲得一系列的鎖模脈沖。3.自鎖模 當(dāng)激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各個(gè)振蕩縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系，不需要在諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件，就可以實(shí)現(xiàn)縱模鎖定的方法。第90頁/共250頁4. 同步泵浦鎖模如果要通過周期性地調(diào)制諧振腔的增益來實(shí)現(xiàn)鎖模，則可以采用一臺(tái)主動(dòng)鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺(tái)激

54、光器來獲得。這種方式就是同步泵浦鎖模。染料激光器第91頁/共250頁 主動(dòng)鎖模是在激光腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器，調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確地等于縱模間隔，這樣可以得到重復(fù)頻率為fc/2L的鎖模脈沖序列。 根據(jù)調(diào)制的原理，可分為相位調(diào)制(PM)(或頻率調(diào)制FM)鎖模及振幅調(diào)制(AM或稱為損耗調(diào)制)鎖模。下面討論其原理及實(shí)現(xiàn)的方法。主動(dòng)鎖模第92頁/共250頁利用聲光或電光調(diào)制器均可實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模。設(shè)在某時(shí)刻t1通過調(diào)制器光信號(hào)受到的損耗為(t1)，則在脈沖往返一周時(shí)，這個(gè)光信號(hào)將受到同樣的損耗， 如(t1) 0，則這部分信號(hào)就會(huì)消失。而在損耗(t1) 0時(shí)刻通過調(diào)制器的光，那么將形成脈寬很窄，周期為2L

55、/c的脈沖序列輸出。)2(1cLt )()2(11tcLt振幅調(diào)制鎖模第93頁/共250頁第94頁/共250頁T電光振幅（強(qiáng)度）調(diào)制相位在變化,不固定周期性損耗怎么通過調(diào)制器晶體實(shí)現(xiàn)的?周期性信號(hào)輸入)21sin()(tAtbmm第95頁/共250頁式中， 為調(diào)制器的平均損耗；為損耗變化的幅度；m 為式中，Am，分別為調(diào)制信號(hào)的振幅和角頻率。調(diào)制信號(hào)為零值時(shí)腔內(nèi)的損耗最小, 而在調(diào)制信號(hào)為正負(fù)最大時(shí)腔內(nèi)的損耗均為最大值；則損耗變化的頻率(c/2L)為調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍，損耗率m21 設(shè)調(diào)制信號(hào)b(t)腔內(nèi)損耗變化的角頻率，其頻率等于縱模頻率間隔q，調(diào)制器的透過率式中，To為平均透過率； T為透

56、過率變化的幅度。周期)21sin()(tAtbmm)cos()(00taatam)cos()(00tTTtTm第96頁/共250頁并且 +T=1 假定調(diào)制前腔內(nèi)的光場為:調(diào)制器放入腔內(nèi)，未加調(diào)制信號(hào)時(shí)，調(diào)制器的損耗 為常數(shù)，它表示調(diào)制器的吸收、散射、反射等損耗。透過率 T=T + T = - 第97頁/共250頁受到調(diào)制以后，腔內(nèi)的光場則變?yōu)槭街?，Ac=EcT0，為光波場的振幅； ，為調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)。為保證無失真調(diào)制，應(yīng)取m1。ccATEm0第98頁/共250頁左圖所示為時(shí)域內(nèi)損耗調(diào)制鎖模原理波形圖。圖(a)為調(diào)制信號(hào)的波形；圖(b)為腔內(nèi)損耗的波形，其頻率為調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍；圖(c)為調(diào)

57、制器透過率波形；圖(d)為腔內(nèi)未調(diào)制的光波電場；圖(e)為腔內(nèi)經(jīng)過調(diào)制后的光波電場；圖(f)為鎖模激光器輸出的光脈沖。 第99頁/共250頁He-Ne第100頁/共250頁由調(diào)制激發(fā)的邊頻實(shí)際上是與0相鄰的兩個(gè)縱模頻率，這樣使得與它相鄰的兩個(gè)縱模開始振蕩，它們具有確定的振幅和與0相同假設(shè)處于增益曲線中心的縱模頻率為0 ，由于它的增益最大，首先開始振蕩，電場表達(dá)式為當(dāng)該光波通過腔內(nèi)的調(diào)制器時(shí)，受到損耗調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生了兩個(gè)邊頻分量0m 。當(dāng)損耗變化的頻率m和腔內(nèi)縱模的頻率間隔相等時(shí)， E(t)=E0cos0t (3.2-10)第101頁/共250頁的相位關(guān)系。而后 ，1和-1通過增益介質(zhì)被放

58、大，并通過調(diào)制器得到調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果又激發(fā)新的邊頻2= 1+ c/2L和-2= -1- c/2L 及3= 2+ c/2L和-3 = -2- c/2L等等。此過程繼續(xù)進(jìn)行，直到落在激光線寬內(nèi)的所有縱模被激發(fā)為止，如圖所示。第102頁/共250頁第103頁/共250頁 (1)主動(dòng)鎖模激光器中所有光學(xué)元件的要求應(yīng)比一般調(diào)Q器件更加嚴(yán)格，端面的反射必須控制在最小，否則由于標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)會(huì)減少縱橫個(gè)數(shù)，破壞鎖模的效果。 (2)調(diào)制器應(yīng)放在腔內(nèi)盡量靠近反射鏡處，以便得到最大的縱模之間的耦合效果。調(diào)制器在通光方向的尺寸應(yīng)盡量小。 (3)鎖模調(diào)制器的頻率必須嚴(yán)格調(diào)諧到fm=qc/2L，否則會(huì)使激光器工作越出鎖模區(qū)

59、，而進(jìn)入猝滅區(qū)或調(diào)頻區(qū)，從而破壞鎖模。二、主動(dòng)鎖模激光器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)第104頁/共250頁被動(dòng)鎖模激光器 在激光諧振腔中插入可飽和吸收染料來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗當(dāng)滿足鎖模條件時(shí)，就可獲得一系列的鎖模脈沖。根據(jù)鎖模形成過程的機(jī)理和特點(diǎn)，被動(dòng)鎖模分為固體激光器的被動(dòng)鎖模和染料激光器的被動(dòng)鎖模兩種類型。一、固體激光器的被動(dòng)鎖模1 工作原理 由于染料的可飽和吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而下降，所以高增益激光器所產(chǎn)生的高強(qiáng)度激光能使染料吸收飽和。上圖示出了激光通過染料的透過率T 隨激光強(qiáng)度 I 的變化情況。強(qiáng)信號(hào)的透過率較弱信號(hào)的為大，只有小部分為染料所吸收。強(qiáng)、弱信號(hào)大致以染料的飽和光強(qiáng) Is來劃分。大于Is

60、的光信號(hào)為強(qiáng)信號(hào)，否則為弱信號(hào)。第105頁/共250頁在沒有發(fā)生鎖模以前，假設(shè)腔內(nèi)光子的分布基本上是均勻的，但還有一些起伏。由于染料具有可飽和吸收的特性，弱的信號(hào)透過率小，受到的損耗大，而強(qiáng)的信號(hào)則透過率大，損耗小，且其損耗可通過工作物質(zhì)的放大得到補(bǔ)償。所以光脈沖每經(jīng)過染料和工作物質(zhì)一次。其強(qiáng)弱信號(hào)的強(qiáng)度相對(duì)值就改變一次，在腔內(nèi)多次循環(huán)后，極大值與極小值之差會(huì)越來越大。脈沖的前沿不斷被削陡，而尖峰部分能有效地通過，則使脈沖變窄。第106頁/共250頁 從頻率域分析，開始時(shí)自發(fā)輻射的熒光以及達(dá)到閾值所產(chǎn)生的激光漲落脈沖，經(jīng)過可飽和吸收染料在噪聲脈沖中的選擇作用，只剩下高增益的中心波長、及其邊頻，