激光特性的控制與改善

1、激光特性的控制與改善第1頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五縱模：沿諧振腔軸線方向的激光光場分布。單縱模（單頻）激光單色性、相干性最好。橫模：在諧振腔的橫截面內(nèi)激光光場的分布?；＃?）光強分布圖案呈圓形，分布范圍小，光束發(fā)散角最小，功率密度最大，亮度最高。7.1 模式選擇第2頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五諧振腔對不同階橫模有不同衍射損耗初始光強為 的某個橫模的光在諧振腔內(nèi)往返一周，光強變?yōu)椋耗＃耗＃杭す馄饕阅文＿\轉閾值條件：橫 模 選 擇 原 理 ？ 7.1.1 橫模選擇 第3頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五與橫模階數(shù)無

2、關的損耗：腔鏡透射率，腔內(nèi)元件吸收、散射損耗等與橫模階數(shù)相關的損耗：衍射損耗決定橫模鑒別能力的因素：橫 模 選 擇 原 理 希望二者都較大。第4頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五 隨N增加而變大，隨g增加而變小。 共焦腔最大，平面腔最小 對稱球面腔 值與菲涅耳數(shù)N、g的關系 實線表示：橫模鑒別力與N、g的關系；虛線是不同的N和g的TEM00模的等損耗線。 對于某一諧振腔，衍射損耗隨N的增大而減小。 應選擇合適的N和g值。隨N增加而減小第5頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五 平凹腔 值與菲涅耳數(shù)N、g的關系 第6頁，共61頁，2022年，5月20日，2

3、點26分，星期五改變諧振腔的結構和參數(shù)：氣體激光器 在一定諧振腔內(nèi)插入附加選模元件：固體激光器 適當選擇諧振腔的類型以及腔參數(shù) 值，使激光器運轉于臨界工作狀態(tài)，此時各階模的衍射損耗都迅速增加，但基模的衍射損耗增加得最慢。1. 諧振腔參數(shù)選擇法 橫 模 選 擇 方 法對常用的大曲率半徑的雙凹球面穩(wěn)定腔，菲涅耳數(shù)N在0.5-2.0 之間比較合適。 第7頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五2. 非穩(wěn)腔選模 非穩(wěn)腔中，由于幾何偏折損耗大，不同階次橫模間的衍射損耗差別很大，因而容易抑制高階橫模的振蕩選出基橫模。 采用非穩(wěn)腔選橫模只適合于具有高增益工作物質(zhì)的器件使用。 3. 小孔光闌選

4、模 使光斑尺寸較小的基模無阻擋地通過小孔光闌，光斑尺寸較大的高階模受到阻攔。小孔半徑略大于基橫模光斑半徑。第8頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五4. 腔內(nèi)加入透鏡選橫模沿軸向的平行光束，聚焦后可通過小孔往返振蕩；其他方向光束，聚焦后被小孔阻截止。單透鏡聚焦選模 工作物質(zhì)端面聚焦選模 （1）單透鏡聚焦選模 （2）望遠鏡諧振腔選模 望遠鏡腔選模 小孔光闌放在透鏡焦點上可充分利用激光工作物質(zhì) 小孔光闌避開了實焦點的位置。第9頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五 不同縱模具有相同損耗，但因頻率差異而具有不同的小信號增益系數(shù) 利用不同縱模間的增益差異，在腔內(nèi)引入

5、一定選擇性損耗縱 模 選 擇 原 理 在實現(xiàn)TEM00模運轉的激光器中，選定其中某一個縱模使之穩(wěn)定振蕩，而其余的頻率均被抑制，以實現(xiàn)單一頻率激光輸出，從而獲得高單色性的激光 7.1.2 縱模選擇 第10頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五1. 短腔法選縱模相鄰縱模間頻率差：減小 增大熒光譜線寬度內(nèi)只有一個縱模，從而實現(xiàn)單縱模振蕩縱 模 選 擇 方 法不能適用所有激光器，如增益帶寬大的固體激光器或增益系數(shù)小的氣體激光器。第11頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五2.法布里珀羅標準具選縱模 由于多光束干涉，只有某些特定頻率的光能透過標準具在腔內(nèi)往返傳播，其他

6、頻率的光不能透過標準具。 腔內(nèi)插入標準具，由于多光束干涉效應，諧振腔具有與頻率有關的選擇性損耗?？梢缘玫酵干涔鈴娕c入射光強的關系式： 第12頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五其中相鄰兩出射光線的相位差：不同的反射率，透過率曲線不同。第13頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五兩個透過率峰之間的頻率間隔稱自由光譜區(qū)。 通常將相應于條紋半寬度的頻率范圍1/2稱為濾波帶寬 R愈大，相應的(v)1/2愈小。 第14頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五單縱模輸出優(yōu)點：很薄的標準具可以得到很大的自由光譜區(qū)，適合增益線寬大的工作物質(zhì)；缺點：增加損耗

7、，不大適合低增益激光器第15頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五3. 復合腔法 用一個反射干涉系統(tǒng)代替腔的一個端面反射鏡，則其組合反射率是頻率的函數(shù)。第16頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五諧振條件：得到： 既可以使縱模間隔足夠大，又能保證工作物質(zhì)（氣體）有一定長度。缺點：結構較復雜，調(diào)制困難。第17頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五7.1.3.譜線的選擇-色散腔法 利用腔鏡反射膜的光譜特性或在腔內(nèi)插入棱鏡或光柵等色散元件，將工作物質(zhì)發(fā)出的不同波長的光束在空間分離，設法只使較窄波長區(qū)域內(nèi)的光束在腔內(nèi)形成振蕩，其他波長的光束因不具備

8、反饋能力而被抑制掉。第18頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五7.1.4 偏振選擇 在氣體激光器兩端放置布儒斯特窗（簡稱布氏窗），可 使腔鏡上反射回來進入激光工作物質(zhì)的光束中，垂直偏振光無損地通過布氏窗形成振蕩，而平行偏振光受高反射損耗，難以形成振蕩，這樣就實現(xiàn)了偏振激光的輸出。布氏窗一般為內(nèi)置式。 布儒斯特窗法激光偏振選擇技術 第19頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五穩(wěn)定度：的比值復現(xiàn)性：同一臺激光器在不同的時間、地點、環(huán)境條件下使用時，頻率偏差與頻率平均值之比值： 7.2.1 頻率的穩(wěn)定性 1. 頻率的穩(wěn)定度和復現(xiàn)性 7.2 穩(wěn)頻技術激光器連續(xù)工作

9、期間其頻率改變量 與平均頻率分為長期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性。第20頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五腔長 ：環(huán)境溫度起伏，激光管發(fā)熱，機械振動折射率 ：環(huán)境溫度變化，大氣氣壓、濕度變化頻率漂移量： 激光頻率的穩(wěn)定問題，歸結為保持腔長和折射率穩(wěn)定，特別是腔長的穩(wěn)定。2. 影響頻率穩(wěn)定的因素 采用恒溫、防震、穩(wěn)壓穩(wěn)流等措施后，穩(wěn)定度可達10-7第21頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五主動穩(wěn)頻技術： 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，鑒別器產(chǎn)生一個正比于偏離量的誤差信號，此誤差信號經(jīng)放大后又通過反饋系統(tǒng)回來調(diào)節(jié)腔長，使激光

10、頻率回到標準的參考頻率上，達到穩(wěn)頻目的。（1）把原子發(fā)光譜線的中心頻率作為標準頻率：蘭姆凹陷法、塞曼效應法。穩(wěn)定度好，復現(xiàn)性較差。（2）利用外界參考頻率作為標準頻率：飽和吸收穩(wěn)頻法，穩(wěn)定度和復現(xiàn)性都很高。7.2.2 穩(wěn)頻方法被動穩(wěn)頻技術：控制溫度，采用互補的腔體材料，減震。第22頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五 附近頻率的微小變化會引起輸出功率顯著變化1. 蘭姆凹陷穩(wěn)頻第23頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五 壓電陶瓷可根據(jù)加在其上的電壓作線性伸縮，即通過加在陶瓷上的電壓來控制腔長；選頻放大器只對選定頻率放大；相敏檢波器對兩個同頻率的交流分量比較，

11、并給出直流信號；音頻振蕩器輸出的正弦信號給相敏檢波器提供參考信號，同時加在壓電陶瓷上對腔長調(diào)制。(1) 蘭姆凹陷穩(wěn)頻系統(tǒng)的組成第24頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五(2) 蘭姆凹陷穩(wěn)頻系統(tǒng)的工作原理 時，激光輸出功率以2f 頻率變化，探測器輸出的電信號不能通過選頻放大器，沒有附加電壓加在壓電陶瓷上，腔長和激光頻率維持不變。第25頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五以中心頻率 作為參考標準，當激光振蕩頻率偏離 時，輸出一誤差信號，通過伺服系統(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，從而將激光振蕩頻率自動地鎖定在蘭姆凹陷中

12、心處。 時，激光輸出功率以f 頻率變化，而且與調(diào)制信號電壓同相位，探測器輸出的電信號經(jīng)過選頻放大和相敏檢波后，得到負直流電壓，使壓電陶瓷縮短，腔長變大，激光頻率被拉回到 。 時，激光輸出功率以f 頻率變化，而且與調(diào)制信號電壓反相位，探測器輸出的電信號經(jīng)過選頻放大和相敏檢波后，得到正直流電壓，使壓電陶瓷伸長，腔長變小，激光頻率被拉回到 。頻率穩(wěn)定度由于10-9，但頻率復現(xiàn)性僅達10-7。第26頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五(1) 正常塞曼效應：發(fā)光的原子系統(tǒng)置于磁場中時，其原子譜線在磁場作用下會發(fā)生分裂。左旋圓偏振光：右旋圓偏振光：左旋光和右旋光關于中心頻率對稱2. 塞

13、曼穩(wěn)頻第27頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五左旋光光強 右旋光光強左旋光光強 右旋光光強 測出二圓偏振光輸出功率的差值，作為鑒頻的誤差信號，再通過伺服控制系統(tǒng)控制激光器腔長。第28頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五(2) 塞曼穩(wěn)頻系統(tǒng)的組成 電光調(diào)制器由電光晶體和偏振器組成。圓偏振光通過加有1/4波長電壓 時變成線偏振光。利用 使左選和右旋圓偏振光交替通過偏振器，即能比較出左旋光和右旋光光強的大小，從而完成鑒頻作用。以此輸出功率之差值作為鑒頻的誤差信號，再通過伺服控制系統(tǒng)控制激光器腔長。 第29頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期

14、五 當電光晶體電壓為正半周時，右旋光經(jīng)電光晶體后變成的線偏振光能通過，左旋光正好通不過；而當電光晶體電壓為負半周時，左旋光經(jīng)電光晶體后變成的線偏振光能通過，右旋光正好通不過。因此光電探測器就交替接收到左右旋光的光強 ，其變化頻率為電壓的頻率f。第30頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五穩(wěn)頻原理：頻率穩(wěn)定參考點是左、右旋光曲線的交點（圖a）。如果激光頻率等于 ，左右旋光輸出功率相等，光電接收器接收到直流信號，電子伺服系統(tǒng)無信號輸出，激光頻率保持不變；如果外界擾動使 （圖b）， ，這時光電接收器輸出的誤差信號的相位與調(diào)制電壓相反；反之，如果外界擾動使 （圖c）， ，這時光電接收

15、器輸出的誤差信號的相位與調(diào)制電壓相同。誤差信號經(jīng)選頻放大后，控制壓電陶瓷伸縮以調(diào)制腔長。第31頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五 雙頻穩(wěn)頻激光器輸出功率和頻率沒有音頻調(diào)制，頻率穩(wěn)定性達10-1010-11，頻率復現(xiàn)性達10-710-8.第32頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五 在諧振腔內(nèi)放入一個充有低氣壓氣體的吸收管。例如，對于氦氖激光器，吸收管的氣體為氖氣和碘蒸汽的混合。吸收管內(nèi)氣體在激光振蕩頻率處有強吸收峰（吸收線），而且很穩(wěn)定。3. 飽和吸收穩(wěn)頻（反蘭姆凹陷穩(wěn)頻）第33頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五 低壓氣體具有可飽和

16、吸收特性，原理類似于蘭姆凹陷。對于 的光，其正向和反向傳播的光均被 的粒子吸收，吸收系數(shù)為： 為中心頻率小信號吸收系數(shù)。第34頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五 對于 的光，正向傳播的光波和反向傳播的光波分別被不同運動方向的粒子吸收，所以在 和 處燒一個孔，所以吸收系數(shù)為：在在諧振腔內(nèi)放置吸收管時單程損耗為： 所以在 處的吸收最小，輸出功率最大，稱反蘭姆凹陷。 穩(wěn)頻原理與蘭姆凹陷穩(wěn)頻相同。第35頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五迄今，典型的穩(wěn)頻激光器有：632.8nmHe-Ne:I2穩(wěn)頻激光器，穩(wěn)定度達510-13，復現(xiàn)性達110-10；514.5n

17、mAr+:I2穩(wěn)頻激光器，穩(wěn)定度達510-14，復現(xiàn)性達1.510-12；3.39mHe-Ne:CH4穩(wěn)頻激光器，穩(wěn)定度達510-15，復現(xiàn)性達310-14；CO2穩(wěn)頻激光器，穩(wěn)定度達510-14，復現(xiàn)性達110-10； 第36頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五普通脈沖激光器調(diào)Q激光器光脈沖寬度：峰值功率：將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中，使峰值功率提高幾個數(shù)量級。同時，這種強的相干輻射光與物質(zhì)相互作用，會產(chǎn)生一系列具有重大意義的新的光學現(xiàn)象，由此產(chǎn)生了非線性光學等新的光學分支。 推動了激光雷達、激光測距、高速全息照相、激光核聚變等重要應用技術的迅速發(fā)展。7.3 調(diào)Q技術

18、第37頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五特點：（1） 在 附近變化，故輸出功率低；（2）激光脈沖寬度很寬；（3）激光脈沖不夠平滑。脈沖激光器的馳豫振蕩效應光泵激勵：反轉粒子數(shù)密度 增加受激輻射：反轉粒子數(shù)密度 減少可以通過改變閾值來獲得巨脈沖輸出。第38頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五調(diào) Q：采用一定的技術和裝置來控制激光器諧振腔 的Q值按一定的程序和規(guī)律變化，從而達到 改善激光脈沖的功率和時間特性的目的。7.3.1 調(diào)Q激光器工作原理第39頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五泵浦初期：將閾值調(diào)高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，使激光上能

19、級積累反轉粒子數(shù).反轉粒子數(shù)到最大時：突然調(diào)低閾值，上能級大量粒子雪崩式躍遷到低能級，獲得巨脈沖脈沖泵浦的調(diào)Q過程：第40頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五Q開關主動式Q開關：被動式Q開關：諧振腔損耗由外部驅動源控制電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q諧振腔損耗取決于腔內(nèi)激光光強可飽和吸收體調(diào)Q反射損耗：電光調(diào)Q衍射損耗：聲光調(diào)Q吸收損耗：染料調(diào)Q調(diào)Q方法：第41頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五轉鏡調(diào)Q技術 將激光器光學諧振腔兩個反射鏡之一安裝在一個旋轉軸上，使其在每一轉動周期中，只有當兩個反射鏡面平行時損耗最小，因而通過控制轉鏡，從而控制光腔的反射損耗即可達到調(diào)Q

20、目的。缺點：Q值變化時間長，難以獲得短脈沖。第42頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五利用某些晶體的電光效應起到延時作用，做成電光Q開關電光效應：某些晶體在外加電場作用下，其折射率發(fā)生變化，使通過晶體的不同偏振方向的光之間產(chǎn)生相位差，從而使光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化。 沿Z軸傳輸、x方向偏振的光入射到Z軸加電壓的電光晶體上，分解為正交的兩個偏振分量，它們具有不同的折射率，通過長度d的晶體后，產(chǎn)生相位差為V不同，相位差不同。1. 電 光 調(diào) Q第43頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五電光調(diào)Q（反射式）裝置：電光晶體上未加電壓：電光Q開關打開，形成激光振蕩和輸出

21、。電光晶體加 電壓：電光Q開關關閉，不能形成激光振蕩，上能級粒子數(shù)得到積累。第44頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五聲光效應：光柵常數(shù)聲波波長2. 聲光調(diào)Q技術當介質(zhì)中有超聲波傳播時，超聲波使介質(zhì)產(chǎn)生彈性應力或應變，介質(zhì)中的折射率發(fā)生變化，可近似看作光柵。光束通過這種介質(zhì)就會發(fā)生衍射，使光束產(chǎn)生偏轉。第45頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五 聲光布喇格衍射 若聲波頻率較高，且聲光作用長度L較大，聲擾動介質(zhì)形成“體位相光柵”。當平面光波相對于聲波方向以一定角度入射時，介質(zhì)內(nèi)的各級衍射光將互相干涉，在一定條件下，各高級衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)0級和級(或

22、級)衍射光，即產(chǎn)生布喇格衍射。 布喇格衍射條件： 布喇格角 衍射效率第46頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五聲光調(diào)Q激光器 聲光器件在腔內(nèi)按布拉格條件放置。當外加高頻振蕩的超聲信號時，光束沿布拉格角偏折，從而偏離了諧振腔的軸向，此時腔損耗嚴重，Q值很低，不能形成激光振蕩；光泵浦使激光工作物質(zhì)亞穩(wěn)態(tài)上的粒子大量積累；一定時間后，瞬間撤銷超高頻振蕩聲場，光無偏折地通過晶體，Q值突然增大，從而產(chǎn)生一個強的激光脈沖輸出。第47頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五利用某種材料對光的吸收系數(shù)隨光強變化的特性進行調(diào)Q可飽和吸收體：吸收系數(shù)不是常數(shù)，在較強激光作用下，

23、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。對光束變?yōu)橥该骼每娠柡臀阵w對光的吸收系數(shù)隨光強度變化的特性來調(diào)Q，這種調(diào)Q開關的延遲時間是由材料本身的特性決定的，不直接受人控制，屬于被動調(diào)Q技術。3. 可飽和吸收體調(diào)Q第48頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五染料的選擇：（a）染料吸收峰中心波長和激光波長基本吻合；（b） 具有合適的數(shù)值，以得到合適的“開關”速度；（c）應具有一定穩(wěn)定性和保存期，以利于使用。（1）可飽和吸收染料調(diào)Q裝置缺點：染料容易變質(zhì)，需經(jīng)常更換輸出穩(wěn)定性差。 可做成固體染料片。第49頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五(

24、3)半導體納米薄膜被動調(diào)Q采用磁控濺射和熱退火制備半導體納米薄膜作為可飽和吸收體，實現(xiàn)調(diào)Q。(a）調(diào)Q脈沖序列 (40s/div.); (b)單脈沖波形 (40ns / div.)（2）晶體的被動調(diào)Q第50頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五格蘭-付克棱鏡作為偏振器。未加電壓時損耗很大，不形成激光振蕩，相當于Q開關關閉，上能級粒子數(shù)得到積累；當調(diào)制晶體加/2電壓時，線偏光經(jīng)反射鏡且二次經(jīng)過調(diào)制晶體后，振動方向相對原方向旋轉180度， Q開關打開，形成激光振蕩，但不輸出，光子儲存在腔內(nèi)。到一定時刻撤銷晶體外加電壓，相當于Q開關關閉，則光立刻通過棱鏡輸出。4. 透射式調(diào)Q（腔倒空調(diào)Q）特點：光脈沖時間寬度很小，相當于2L/c第51頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五反射式調(diào)Q：Q開關打開后，邊振蕩邊輸出，脈沖較寬。反射-透射式調(diào)Q：腔內(nèi)儲存的激光能量達最大值時瞬間輸出，脈沖窄，達到2L/c極限，即數(shù)納秒。第52頁，共61頁，2022年，5月20日，2點26分，星期五調(diào)