第七章-激光技術(shù)

第七章激光技術(shù)一、光波的調(diào)制

光調(diào)制：通過改變載波的振幅、強(qiáng)度、頻率、

相位、偏振等參數(shù)來(lái)攜帶信息

光調(diào)制的分類：內(nèi)腔調(diào)制（電光調(diào)制）

外腔調(diào)制（聲光調(diào)制，磁光調(diào)制）

直接調(diào)制（電源調(diào)制）

1、等幅光頻信號(hào)的頻譜

沿一定方向傳播的單色光頻信號(hào)，數(shù)學(xué)表達(dá)式為考慮到信號(hào)是定域的，信號(hào)由多個(gè)正弦波構(gòu)成圖7.12、光頻信號(hào)的幅度調(diào)制幅度調(diào)制（AM）：將幅度E用隨時(shí)間變化的量代替，即光頻信號(hào)的幅度按調(diào)制信號(hào)形式發(fā)生變化一般情況下

其中

分別為上邊帶分量和下邊帶分量，具有相等幅度，呈對(duì)稱分布。調(diào)制系數(shù)多頻調(diào)幅3、光頻信號(hào)的頻率和相位調(diào)制相位調(diào)制（PM）頻率調(diào)制（FM）相位調(diào)制的峰值相移和調(diào)制信號(hào)幅度成正比，頻率調(diào)制的頻偏和調(diào)制信號(hào)幅度成正比，二者本質(zhì)上是一樣的圖7.57.74、光頻信號(hào)的強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制是指光頻載波的振幅平方受到調(diào)制，由于一般光探測(cè)器件都和光強(qiáng)有直接關(guān)系，所以被普遍應(yīng)用MI強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)對(duì)多種調(diào)制信號(hào)圖7.9圖7.85、光頻信號(hào)的脈沖調(diào)制與脈沖編碼調(diào)制脈沖調(diào)制是用一種斷續(xù)的周期性脈沖序列作為載波，這種載波受到調(diào)制信號(hào)的控制，脈沖的幅度、位置、頻率等隨調(diào)制信號(hào)變化而傳遞信息脈沖調(diào)制分為脈沖調(diào)幅(PAM)、脈沖強(qiáng)度調(diào)制(PIM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)、脈沖調(diào)位(PPM)、脈沖調(diào)寬(PWM)脈沖強(qiáng)度調(diào)制脈位調(diào)制脈沖調(diào)頻脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制包括三個(gè)過程：抽樣、量化和編碼抽樣：把連續(xù)的信號(hào)波分割成不連續(xù)的脈沖序列量化：把抽樣后的脈幅調(diào)制信號(hào)分級(jí)取整，用最接近的整數(shù)值代替實(shí)際值編碼：通過量化變成用數(shù)字表示的信號(hào)，再把這種信號(hào)變換成相應(yīng)的二進(jìn)制代碼圖7.12二、電光調(diào)制電光調(diào)制的物理基礎(chǔ)就是電光效應(yīng)。電光效應(yīng)：物質(zhì)的折射率因外加電場(chǎng)而發(fā)生變化的一

種效應(yīng)。

包括:線性電光效應(yīng)（Pockel效應(yīng)）和二次電

光效應(yīng)(kerr效應(yīng))單軸晶體1.電光效應(yīng)晶體在外電場(chǎng)的作用下，其極化率張量和折射率會(huì)發(fā)生變化。這種由于外電場(chǎng)引起的晶體介電和光學(xué)特性變化的現(xiàn)象就稱為電光效應(yīng)介質(zhì)的折射率在電場(chǎng)作用下在E不太大的情況下，n(E)只包含E和E2項(xiàng)。把折射率隨電場(chǎng)線性變化的稱為普克爾效應(yīng)（Pockel），把折射率包含二次項(xiàng)的稱為克爾效應(yīng)（Kerr）或二次電光效應(yīng)。克爾效應(yīng)對(duì)任何晶體都存在，普克爾效應(yīng)在反演對(duì)稱晶體中不存在。一般情況下普克爾效應(yīng)要大于克爾效應(yīng)，因此僅討論普克爾效應(yīng)在外電場(chǎng)的作用下，折射率橢球?qū)l(fā)生變化，原來(lái)光軸沿Z方向的橢球方程不成立，應(yīng)寫為一般形式加電場(chǎng)后只考慮普克爾效應(yīng)由于Δn較小i=1,2,…6寫成矩陣形式電光張量電光系數(shù)折射率橢球方程為KDP晶體的位相延遲KDP晶體的電光張量KDP的折射率橢球方程為若電場(chǎng)取Z方向，則xyxyx’y’45XY與X’Y’之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系得到在X’Y’坐標(biāo)系中的橢球方程或其中對(duì)KDP晶體，一般如果光波沿Z方向轉(zhuǎn)播，則光波X’的偏振分量和Y’的偏振分量通過晶體后會(huì)產(chǎn)生位相差，設(shè)晶體厚度為l，則位相差為V為晶體二端所加電壓當(dāng)位相差為時(shí)，所加電壓為稱為半波電壓根據(jù)半波電壓，位相差又可寫為一線偏光在X’Y’坐標(biāo)中可以分解為通過晶體后合成后的偏振光的電矢量振動(dòng)軌跡為圖7。152.電光調(diào)制正交偏振片，放光電晶體和1/4波片，波片光軸和x交45度以x’y’為坐標(biāo)系，入射光通過晶體和波片后，x’和y’方向的電場(chǎng)位相差為因此出射的光波電場(chǎng)為通過檢偏鏡后的電場(chǎng)為透過的光強(qiáng)透過率若外電壓V為信號(hào)調(diào)制電壓，即因此由于Vm很小，所以電壓沿光傳播方向，稱為縱向調(diào)制外電場(chǎng)和光傳播方向垂直，稱為橫向調(diào)制自偏置橫向調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)：1.電極不會(huì)遮擋光路；2.無(wú)需波片；3.可增加長(zhǎng)度減小d來(lái)降低電壓，增加光電效應(yīng)缺點(diǎn)：對(duì)溫度敏感3、聲光調(diào)制超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，引起介質(zhì)密度交替變化，其折射率也發(fā)生相應(yīng)變化。存在超聲波的介質(zhì)可以看作一個(gè)超聲光柵，光柵常數(shù)等于波長(zhǎng)。入射光被光柵衍射，衍射光的強(qiáng)度、頻率和方向都隨超聲場(chǎng)而變化。聲波在介質(zhì)中傳播分行波和駐波兩種形式。行波所形成的超聲光柵是空間移動(dòng)的，介質(zhì)折射率的增大減小是交替變化的，并以聲速向前推進(jìn)。折射率的瞬時(shí)空間變化可以表示為

駐波形成的相位光柵是固定在空間的，可以認(rèn)為是兩個(gè)相向行波疊加的結(jié)果，介質(zhì)折射率隨時(shí)間變化的規(guī)律為聲光相互作用按照各級(jí)衍射光動(dòng)量失配程度的不同，分為拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射。為了界定兩種類型的衍射，引入?yún)，當(dāng)Q<0.3時(shí)為拉曼-奈斯衍射，當(dāng)Q>4π時(shí)為布拉格衍射。拉曼-奈斯衍射：超聲頻率較低，聲光作用長(zhǎng)度較短，超聲光柵與普通平面光柵類似，因此光通過光柵后將產(chǎn)生多級(jí)衍射，各級(jí)衍射對(duì)稱的分布在零級(jí)光兩側(cè)布拉格衍射：聲波頻率較高，聲光作用長(zhǎng)度L較大，而且光線與聲波面之間的角度滿足布拉格條件。布拉格聲光調(diào)制器的效率較高。

布喇格衍射光通過聲光效應(yīng)產(chǎn)生的光柵后會(huì)產(chǎn)生二種衍射：布喇格衍射和喇曼-奈斯衍射布喇格衍射是指聲頻很高，聲光作用距離較長(zhǎng)，入射光和聲波有一定夾角，只產(chǎn)生一個(gè)衍射級(jí)次的衍射布喇格衍射中入射光穿過多層的高低折射率層，衍射光在反射方向形成相干極大5.26a設(shè)聲波長(zhǎng)為s，根據(jù)相干疊加原理，相干極大滿足稱為布喇格角，等式稱為布喇格條件要滿足布喇格衍射，光應(yīng)至少穿過二層波陣面，則從量子力學(xué)理論來(lái)看，聲光作用是光子和聲子的結(jié)合圖5.26b因此衍射光相對(duì)入射光有一頻移布喇格衍射的衍射光強(qiáng)0級(jí)光強(qiáng)衍射光強(qiáng)其中Is超聲強(qiáng)度因此衍射光強(qiáng)可寫為品質(zhì)因素一級(jí)衍射效率為令喇曼-奈斯衍射L較小，聲頻較低，滿足喇曼-奈斯衍射滿足普通光柵衍射的特性喇曼-奈斯衍射也存在頻率漂移衍射光光強(qiáng)Jm一類貝塞爾函數(shù)5.27聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器：應(yīng)用聲光相互作用，對(duì)光波的強(qiáng)度、相位、傳播方向和頻率等進(jìn)行調(diào)制。

聲光調(diào)制器一般由聲光晶體、壓電換能器、吸聲裝置、驅(qū)動(dòng)電源組成。驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)生高頻功率信號(hào)，由電極加到壓電換能器兩端，再將電功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波，通過耦合層耦合到聲光介質(zhì)中，介質(zhì)在超聲波的作用下，折射率發(fā)生變化，形成相位光柵，對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制。鍵合層電極電極引線壓電換能器聲光晶體法拉第效應(yīng)光學(xué)介質(zhì)的折射率隨波長(zhǎng)的變化稱為色散折射率的變化在介質(zhì)吸收譜附近會(huì)發(fā)生突變，稱為反常色散區(qū)在外磁場(chǎng)的作用下，物質(zhì)的吸收譜會(huì)發(fā)生分裂，分裂出二條對(duì)稱于原光譜的吸收譜，分別對(duì)應(yīng)于左旋光和右旋光浦線分裂導(dǎo)致反常色散區(qū)的分裂，使得對(duì)某一頻率的光譜左旋光和右旋光產(chǎn)生不同的折射率圖5.294、磁光效應(yīng)與磁光隔離器設(shè)左旋光和右旋光的折射率分別為n左和n右，通過介質(zhì)長(zhǎng)度l，則位相差合成后線偏光的轉(zhuǎn)角其中和H成正比因此線偏振光的轉(zhuǎn)角其中K稱為范德特常數(shù)圖5.30磁光調(diào)制可用于光纖通信中做光隔離器、光開關(guān)等。線性磁光調(diào)制：利用法拉第旋光效應(yīng)完成的一種磁光調(diào)制。將一磁光介質(zhì)（YIG棒）置于恒磁場(chǎng)中，棒的兩側(cè)分別放置起偏器和檢偏器。輸入光經(jīng)過起偏器后為線偏光，再通過電磁場(chǎng)發(fā)生法拉第效應(yīng)。旋轉(zhuǎn)的角度滿足下面公式：由此可知，輸出光的偏振方向或旋轉(zhuǎn)角受到射頻信號(hào)的調(diào)制，且是線性調(diào)制。

射頻激勵(lì)源YIG棒檢偏器輸出光磁光隔離器：由于法拉第效應(yīng)的不可逆性，使得它在激光系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用。例如在激光系統(tǒng)中，為了避免光路中各光學(xué)界面的反射光對(duì)激光源產(chǎn)生干擾?？衫梅ɡ谛?yīng)制成光隔離器，只允許光從一個(gè)方向通過，不允許反向通過。

法拉第光旋轉(zhuǎn)器/光隔離器廣泛應(yīng)用于各種激光系統(tǒng)中，如多級(jí)激光放大器，光參量振蕩器，環(huán)形激光器，摻餌光纖放大器，種子注入型激光器等激光放大器P1改進(jìn)型葛—湯棱鏡螺線管磁光材料與P1成45度的葛—湯棱鏡激光放大器調(diào)Q技術(shù)調(diào)Q技術(shù)：適用于脈沖激光器，壓縮脈寬，提高峰值功率品質(zhì)因數(shù)：調(diào)Q技術(shù)又稱Q突變技術(shù)或Q開關(guān)技術(shù)，根據(jù)儲(chǔ)能方式不同可分為工作物質(zhì)儲(chǔ)能方式和諧振腔儲(chǔ)能方式。工作物質(zhì)調(diào)Q：能量以激活粒子的形式儲(chǔ)存在工作物質(zhì)中，由上面的公式可知，單程損耗率與諧振腔Q值成反比，只要控制單程損耗率從高到低的階躍變化，就可實(shí)現(xiàn)Q值由低到高階躍變化。（圖在下頁(yè)）

諧振腔的損耗包括反射損耗、吸收損耗、衍射損耗、散射損耗、輸出損耗。控制反射損耗：轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù)和電光調(diào)Q技術(shù)控制吸收損耗：可飽和染料調(diào)Q技術(shù)控制衍射損耗：聲光調(diào)Q技術(shù)控制輸出損耗：透射式調(diào)Q技術(shù)和破壞全反射調(diào)Q技術(shù)諧振腔儲(chǔ)能調(diào)Q:使能量以光子形式儲(chǔ)存在諧振腔中，當(dāng)腔內(nèi)光子積累足夠多時(shí)，使之快速釋放到腔外，獲得強(qiáng)激光脈沖。由圖可知，諧振腔的Q值實(shí)現(xiàn)階躍變化時(shí)，腔內(nèi)才開始有微弱的激光振蕩，經(jīng)歷時(shí)間td后，激光的強(qiáng)度才達(dá)到峰值。對(duì)于典型的階躍變化時(shí)，形成激光脈沖需要一定的時(shí)間，巨脈沖的寬度一般達(dá)10ns-20ns。由于這種調(diào)Q激光器是一邊形成激光巨脈沖，一邊從部分反射鏡端輸出。因此，所得輸出脈沖的形狀與腔內(nèi)光強(qiáng)增減變化狀況一樣。另外，由于存在Nf,工作物質(zhì)中有一部分能量未能取出，影響了激光器效率。而諧振腔儲(chǔ)能調(diào)Q可以很好的解決上述弊病。如下圖，把腔的部分反射鏡改為可控的全反射鏡，即可達(dá)到諧振腔儲(chǔ)能調(diào)Q目的全反鏡工作物質(zhì)起偏器1電光晶體起偏器2全反鏡電光調(diào)Q激光器帶偏振器的Pockels電光調(diào)Q激光器：利用一個(gè)起偏棱鏡同時(shí)作為起偏器和檢偏器。如下圖，YAG為工作物質(zhì)，用Z切割KDP晶體作調(diào)制晶體，利用其縱向電光效應(yīng)，相當(dāng)于1/4玻片。當(dāng)線偏光通過晶體后產(chǎn)生相位差，或者說偏振面旋轉(zhuǎn)45度，往返晶體后，產(chǎn)生90度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)偏振光不能在通過檢偏器。輸出腔鏡YAG偏振棱鏡KDP全反鏡可飽和吸收調(diào)Q激光器可飽和吸收調(diào)Q：根據(jù)某些物質(zhì)對(duì)入射光具有強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)原理而形成的一種被動(dòng)式調(diào)Q,目前可用于可飽和吸收物質(zhì)有兩類：可飽和吸收晶體和可飽和吸收染料。調(diào)Q染料需要同時(shí)滿足以下要求：

1.染料對(duì)激光波長(zhǎng)有強(qiáng)烈的可飽和吸收特性；

2.染料吸收帶寬盡量窄；

3.染料要有良好的光化學(xué)穩(wěn)定性適用于紅寶石激光器的調(diào)Q染料有隱花青、釩鈦菁及葉綠素D染料，而對(duì)于汝玻璃和YAG激光器，有BDN和五甲川及十一甲川。染料調(diào)Q機(jī)理腔內(nèi)插入可飽和吸收染料，開始時(shí)由于只吸收工作物質(zhì)發(fā)出的較弱的熒光，吸收很強(qiáng)，透過率很低，相當(dāng)于在腔內(nèi)引入很大的損耗，Q值很低，腔內(nèi)不能形成激光振蕩，工作物質(zhì)處在儲(chǔ)能狀態(tài)。隨著工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度提高，當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度超過閾值后，腔內(nèi)吸收迅速減小，形成激光巨脈沖。如果繼續(xù)光泵，則有可能形成第二個(gè)激光脈沖，甚至第三個(gè)脈沖。要得到單脈沖激光，則泵浦光的持續(xù)時(shí)間必須很短且強(qiáng)度不能太高。聲光調(diào)Q聲光調(diào)Q：利用激光通過聲光介質(zhì)中的超聲場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生衍射，使光束偏離出諧振腔，造成諧振腔的損耗增大，Q值下降，激光振蕩不能形成，從而在光泵激勵(lì)下其上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)將不斷積累并達(dá)到飽和值，若此時(shí)突然撤出超聲場(chǎng)，則衍射效應(yīng)立即消失，損耗值減小，Q值猛增，激光振蕩迅速恢復(fù)，其能量以巨脈沖形式輸出。如下圖氪燈高頻振蕩器脈沖振蕩器聲光介質(zhì)吸聲材料輸出鏡換能器全反鏡YAG鎖模技術(shù)通過調(diào)Q技術(shù)所能獲得的最窄脈沖約為ns量級(jí)，要想獲得ps甚至fs量級(jí)的脈沖，則需要鎖模技術(shù)。鎖模原理：一般自由運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器，其輸出包含有若干超過閾值的縱模，這些模的振幅和相位均隨機(jī)變化。激光輸出隨時(shí)間的變化是各縱模無(wú)規(guī)則疊加的結(jié)果，是時(shí)間的平均統(tǒng)計(jì)值。而鎖模技術(shù)就是使各縱模之間的相角有一個(gè)確定的關(guān)系，從而得到超短脈沖的激光輸出。在鎖模技術(shù)中，各縱模相鄰頻率間隔相等并固定為

，并且具有固定的相對(duì)相位關(guān)系。激光器諧振腔中由許多頻率間隔很小的縱模組成，設(shè)第q個(gè)模式的電矢量為那么激光器內(nèi)n個(gè)縱模輸出的總輻射場(chǎng)為使各個(gè)縱模的振幅相等，頻率間隔相等，位相相關(guān)，就能達(dá)到鎖模目的。鎖模激光具有如下性質(zhì)：

1.腔長(zhǎng)為L(zhǎng)的激光器，其縱模間隔為，對(duì)于多模激光器的鎖模結(jié)果，出現(xiàn)了相鄰脈沖值間的時(shí)間間隔為t=2L/C的規(guī)則脈沖序列。可見鎖模脈沖的周期t等于光在腔內(nèi)來(lái)回一次的時(shí)間。

2.鎖模激光脈沖的寬度可由下式確定

鎖模方法根據(jù)不同類型激光器性能和鎖模要求，縱模鎖定的方法有主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模兩類。主動(dòng)鎖模：也稱內(nèi)調(diào)制鎖模，它采用的是周期性調(diào)制激光諧振腔參量的方法，即在腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器進(jìn)行模式鎖定的技術(shù)。調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確的等于縱模間隔。主動(dòng)鎖模有可分為振幅調(diào)制鎖模和相位調(diào)制鎖模。振幅調(diào)制鎖模方法：調(diào)制激光工作物質(zhì)的增益或腔內(nèi)損耗，利用聲光或電光調(diào)制器均可實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模。例如在腔內(nèi)插入損耗調(diào)制器，若損耗調(diào)制頻率為c/2L。相位調(diào)制鎖模：又可稱為頻率調(diào)制。具體方案是在激光諧振腔中插入一個(gè)電光晶體，作為相位調(diào)制器，利用電光晶體的折射率隨外加電壓的變化，產(chǎn)生相位調(diào)制。相位調(diào)制器的作用可以理解為一種頻移，使光波的頻率發(fā)生向大的或小的方向移動(dòng)。當(dāng)激光脈沖每經(jīng)過相位調(diào)制器一次，就產(chǎn)生一次頻移，直至移到增益曲線以外。但只有那些在相位變化的極值處（極大或極小）通過調(diào)制器的光信號(hào)，才能在腔內(nèi)保存下來(lái)，從而形成振蕩。被動(dòng)鎖模（可飽和吸收染料鎖模）被動(dòng)鎖模：在激光諧振腔內(nèi)插入以薄層的可吸收體（如染料盒）可構(gòu)成被動(dòng)鎖模激光器。可飽和吸收體是一種非線性介質(zhì)，其透過率與光強(qiáng)有關(guān)。當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)對(duì)光吸收很強(qiáng)，因此光透過率很低。但隨著激光強(qiáng)度增加，吸收減少，當(dāng)激光強(qiáng)度增加到一特定值時(shí)可飽和吸收體的透過率為100%，使強(qiáng)度最大的激光脈沖經(jīng)受最小的損耗，從而得到很強(qiáng)的鎖模脈沖?？娠柡臀阵wM3M1M2染料激光介質(zhì)M4選模技術(shù)激光振蕩通常是多模振蕩，包括多縱模和多橫模。盡管諧振腔對(duì)縱模和橫模有限制作用，但在有些場(chǎng)合，如要求提高相干長(zhǎng)度是，則需要進(jìn)行選模，即實(shí)現(xiàn)單一頻率、單一空間波形振蕩。橫模選擇：激光器以單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)的充分條件是，基橫模的單程增益大于單程損耗，而高階橫模的單程增益小于損耗。要達(dá)到選模的效果，就必須增大高階橫模和基橫模的衍射損耗比，即比值越大，則橫模鑒別力越高。光闌法選模

1.小孔光闌選模：在諧振腔內(nèi)插入小孔光闌，光闌的孔徑與基

橫模的有效光束半徑大致相等。2.聚焦光闌法：為了擴(kuò)大基模橫體積，充分利用激光工作物質(zhì)，

在小孔光闌選模結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在諧振腔內(nèi)安置透鏡。具體辦

法是將小孔光闌放在透鏡的焦點(diǎn)上。3.貓眼腔選橫模方法：在聚焦光闌法的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)?？v模選擇色散腔法：利用腔鏡的反射模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(zhǎng)的光束在空間分離，然后設(shè)法只使較窄波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的光束在腔內(nèi)形成振蕩，其他波長(zhǎng)的光束因不具反饋能力而被抑制掉。q-1qq+1當(dāng)三個(gè)縱模頻率q，q-1，q+1在腔內(nèi)同時(shí)存在時(shí)，通過透鏡或光柵后分離開，只有q的行進(jìn)方向與反射鏡垂直，在腔內(nèi)形成振蕩，其他頻率的光被抑制掉。干涉選模法（F-P標(biāo)準(zhǔn)具法）：在諧振腔靠全反射鏡一段端插入平行平板，板的兩面鍍光學(xué)薄膜使之有一定的反射率，板的本身就有法布里-泊羅標(biāo)準(zhǔn)具的作用。平行平板的透射率是入射波長(zhǎng)的函數(shù)，可寫成輸出鏡工作物質(zhì)平行平面鏡全反鏡短腔法：激光振蕩縱模數(shù)主要有工作物質(zhì)熒光線寬和諧振腔的兩個(gè)縱模間隔去定。而縱模的頻率間隔與腔長(zhǎng)L成反比。因此可以通過縮短諧振腔腔長(zhǎng)L增大相鄰縱模頻率間隔，使得在熒光譜線寬度內(nèi)，只存在一個(gè)縱模振蕩，從而實(shí)現(xiàn)單縱模振蕩。短腔法只適用與增益線寬較窄的激光器，原因是腔長(zhǎng)縮短，必然影響激光的輸出功率。穩(wěn)頻技術(shù)激光頻率的穩(wěn)定度影響激光頻率穩(wěn)定性的因素：激光振蕩頻率主要由諧振腔決定，若腔長(zhǎng)或介質(zhì)折射率發(fā)生變化，則激光振蕩頻率也將發(fā)生變化，即由上式可以看出，激光頻率的穩(wěn)定問題，可以歸結(jié)為保持腔長(zhǎng)和折射率穩(wěn)定的問題。例如：

1.環(huán)境穩(wěn)定的起伏或硬質(zhì)玻璃的內(nèi)腔式He-Ne激光工作是發(fā)熱，使腔長(zhǎng)隨著溫度的改變而伸縮。

2.機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致光學(xué)諧振腔的諧振頻率變化。激光器的穩(wěn)頻方法蘭姆凹陷穩(wěn)頻蘭姆凹陷：基于多普勒加寬線型增益曲線的燒孔效應(yīng)，一個(gè)振蕩頻率在增益曲線上能燒兩個(gè)孔。當(dāng)激光頻率向中心頻率靠近時(shí)，量孔的面積正比于每一個(gè)縱模消耗的反轉(zhuǎn)集居數(shù)。當(dāng)兩孔相連時(shí)，在中心頻率處出現(xiàn)凹陷，稱為蘭姆凹陷。蘭姆凹陷穩(wěn)頻：以增益曲線中心頻率做為參考頻率，通過電子伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷環(huán)來(lái)控制激光器的腔長(zhǎng)，它可以使頻率穩(wěn)定于中心頻率處。蘭姆凹陷法可獲得優(yōu)于的頻率穩(wěn)定度塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻塞曼效應(yīng)：當(dāng)一個(gè)發(fā)光原子系統(tǒng)具有一定高斯量的磁場(chǎng)中，其原子的譜線在磁場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生分裂，利用塞曼效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)激光器的穩(wěn)頻。雙頻激光器穩(wěn)頻：當(dāng)激光管施加了縱向磁場(chǎng)后，由于塞曼效應(yīng)，光譜線發(fā)生塞曼分裂，一個(gè)是頻率較高的左旋圓偏光，另一個(gè)是頻率較低的右旋圓偏光。頻差為從蘭姆凹陷穩(wěn)頻和塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻方法可知，要提高激光輸出的頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的關(guān)鍵是選擇一個(gè)穩(wěn)定的盡可能窄的參考頻率。為了提高精度，通常采用外界參考頻率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)頻，如分子飽和吸收穩(wěn)頻法。飽和吸收法穩(wěn)頻：在外腔激光器的腔內(nèi)放置一個(gè)吸收管，吸收管內(nèi)充的氣體在激光振蕩頻率處有強(qiáng)吸收峰。對(duì)于he-ne激光，吸收管內(nèi)充的氣體一般在0.13~1.3Pa，低壓氣體吸收峰的頻率很穩(wěn)定，因此頻率復(fù)現(xiàn)性好。吸收管的氣體在吸收線的中心處產(chǎn)生吸收凹陷的機(jī)理和蘭姆凹陷相類似。激光倍頻及光參量放大非線性光學(xué)效應(yīng)：電場(chǎng)作用于介質(zhì)，在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生電偶極矩，使介質(zhì)極化。當(dāng)光強(qiáng)不是很強(qiáng)時(shí)，極化強(qiáng)度p與光波電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成正比，即線性關(guān)系。當(dāng)作用于介質(zhì)的光強(qiáng)很強(qiáng)時(shí)，介質(zhì)的極化不僅與光波電場(chǎng)的一次方有關(guān)，而且還與光波電場(chǎng)的二次方、三次方等高次方有關(guān)，稱作非線性極化。在激光出現(xiàn)后，調(diào)Q激光器經(jīng)過透鏡聚集后，所能得到的電場(chǎng)強(qiáng)度足以產(chǎn)生非線性效應(yīng)。非線性效應(yīng)可用于激光倍頻、激光混頻、激光參量放大、受激散射、多光子吸收、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)。本節(jié)重點(diǎn)討論倍頻效應(yīng)（二次光學(xué)諧波效應(yīng)）、光參量放大。激光倍頻效應(yīng)倍頻光當(dāng)光波電場(chǎng)作用于介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)產(chǎn)生極化。在光強(qiáng)不太強(qiáng)時(shí)，其極化強(qiáng)度和電場(chǎng)的關(guān)系為如果作用作用于介質(zhì)的光強(qiáng)足夠強(qiáng)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系我們只考慮二次非線性項(xiàng)，與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系倍頻技術(shù)是一種頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)，由低頻光轉(zhuǎn)換成高頻光。要實(shí)現(xiàn)高效率倍頻，則必須實(shí)現(xiàn)相位匹配。相位匹配及倍頻轉(zhuǎn)換效率一片厚度為d的非線性晶體，正入射的基頻光波在晶體內(nèi)任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為基頻光在晶體中感應(yīng)產(chǎn)生倍頻的電偶極矩振蕩，輻射出倍頻光波，其相位應(yīng)是相同位置的基頻光波相位的兩倍。倍頻光傳播到出射面時(shí)，相位就變成令相位匹配的條件就是此時(shí)轉(zhuǎn)換效率為最大。相位匹配的方法所謂實(shí)現(xiàn)相位匹配就是使，即倍頻光和基頻光具有相同的折射率，即，對(duì)于正常色散材料，倍頻光的折射率總是大于基頻光的折射率，不可能實(shí)現(xiàn)相位匹配。