第六章激光器特性的控制與改善-書中公式

6.1

模式選擇一、橫模選擇橫模選擇的物理基礎(chǔ)——諧振腔中具有不同的損耗在穩(wěn)定腔中基模的衍射損耗最低，激光器TEM00模運(yùn)轉(zhuǎn)的充分條件是：TEM00模的單程增益至少應(yīng)補(bǔ)償它在腔內(nèi)的單程損耗相鄰模應(yīng)滿足1.小孔光闌選模2.諧振腔參數(shù)選模3.非穩(wěn)腔選模4.微調(diào)諧振腔——傾斜增加穩(wěn)定腔高階模的損耗第六章激光器特性的控制和改善6.3Q

調(diào)制一、Q調(diào)制激光器工作原理1.t＜0光泵階段，高損耗Δnt/

，低Q值，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Δn

隨時(shí)間增加2.t=0反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值Δni，Q值突然升高，損耗突然降低Δnt3.0

＜

t＜

tp隨受激輻射腔內(nèi)光子N數(shù)迅速增加，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少4.t=

tp反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少到閾值Δnt

，腔內(nèi)光子數(shù)增大到最大值Nm4.t＞tp腔內(nèi)光子數(shù)迅速減少到零，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少到Δnft＜0t＞0ΔnNΔnt/ΔntΔnNNmΔnfΔnittp6.3Q

調(diào)制一、Q調(diào)制方法1.電光調(diào)QKD*P——縱向加壓電光晶體薄膜偏振片激光晶體電光晶體薄膜偏振片激光晶體λ/4波片加壓式調(diào)Q退壓式調(diào)Qxyx/y/一、Q調(diào)制方法2.聲光調(diào)Q

當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期變化，形成等效的位相光柵光柵常數(shù)等于聲波波長(zhǎng)，當(dāng)聲波頻率較高聲光作用距離足夠長(zhǎng)，滿足入射光與聲波面夾角滿足出射光分裂為零級(jí)、+1級(jí)，或-1級(jí)——布拉格衍射，一級(jí)衍射光與入射光強(qiáng)之比為：位相變化幅度為IiI-1I0~3.被動(dòng)調(diào)Q

飽和吸收效應(yīng)可以控制諧振腔的損耗利用兩能級(jí)速率方程，可求出中心頻率處的吸收系數(shù)中心頻率處的飽和光強(qiáng)TI/Is/激光晶體飽和吸收晶體三、Q調(diào)激光器基本理論1.調(diào)Q激光器的峰值功率Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)的腔內(nèi)光子數(shù)和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的速率方程脈沖形成時(shí)間極短，忽略自發(fā)輻射和泵浦激勵(lì)消去dt對(duì)上式積分得當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到極值所以激光器的峰值輸出功率為2.巨脈沖的能量三能級(jí)系統(tǒng)中每發(fā)射一個(gè)光子，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少2，腔內(nèi)巨脈沖能量為式中是儲(chǔ)存在工作物質(zhì)中可轉(zhuǎn)變?yōu)榧す獾某跏寄芰俊獌?chǔ)能，減去巨脈沖熄滅后剩余能量輸出巨脈沖能量為能量利用率為儲(chǔ)能越高，巨脈沖能量就越大，Δnf/Δni越小，則μ越高3.巨脈沖的時(shí)間特性巨脈沖的寬度定義為對(duì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)方程積分得代入腔內(nèi)光子數(shù)，得則可求得巨脈沖上升沿和下降沿（1）初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)與閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)之比越高（泵浦越強(qiáng)），脈沖寬度越窄（2）腔壽命與脈沖寬度成正比，因此和腔長(zhǎng)成反比。ΔnNΔnt/ΔntΔnNNmΔnfΔnittpNm/2tτtc電光晶體薄膜偏振片激光晶體λ/4波片腔倒空式調(diào)Q激光器四：脈沖透射式調(diào)Q激光器6.5

鎖模調(diào)Q技術(shù)壓縮激光脈沖寬度獲得高峰值功率的下限L/C——腔長(zhǎng)比光速類比光柵中的多光束干涉（頻率空間），在時(shí)間空間各個(gè)縱模相干疊加獲得超短脈沖一、鎖模原理一般激光器的輸出具有多個(gè)縱模，每個(gè)縱模電場(chǎng)分量如下：兩個(gè)相鄰縱模的的角頻率差若兩個(gè)縱模的初始位相和強(qiáng)度相等t=0時(shí)干涉光強(qiáng)最大，經(jīng)T0后位相差增加2π因此當(dāng)t=mT0，二模位相差再次增加2π，再次干涉光強(qiáng)最大，其周期為對(duì)腔內(nèi)所有可能的2N+1個(gè)模式振蕩若初始相位差保持一定（相位鎖定）忽略頻率牽引和頻率推斥，在z=0處，第q個(gè)模的電場(chǎng)強(qiáng)度為2N+1個(gè)模式合成的電場(chǎng)強(qiáng)度為設(shè)各模式的振幅相等，則利用三角級(jí)數(shù)求和公式，可得2N+1個(gè)模式合成的電場(chǎng)的頻率為?0

，振幅A(t)隨時(shí)間而變化，輸出光強(qiáng)當(dāng)（Ωt+β）=2mπ，光強(qiáng)最大，最大峰值光強(qiáng)為模式未鎖定時(shí)，各模不相干，輸出功率為各模功率之和模式鎖定后，峰值功率提高了2N+1倍相鄰脈沖的時(shí)間間隔為T0周期T0等于光脈沖在諧振腔內(nèi)往返一周所需的時(shí)間脈沖峰值與第一個(gè)光強(qiáng)為零的谷值間的時(shí)間間隔為脈沖寬度等于全部縱模的帶寬，顯然它必須小于工作物質(zhì)增益線寬I(t)T=2L/cτt一、實(shí)現(xiàn)鎖模的方法1.主動(dòng)鎖模增益曲線中心的縱模首先振蕩，在聲光調(diào)制器的作用下，其電場(chǎng)強(qiáng)度為令Em/E0=Ma,稱調(diào)幅系數(shù)，電場(chǎng)強(qiáng)度改寫為將上式展開(kāi)除含有原有頻率外又產(chǎn)生上下兩個(gè)邊帶，又激起新的邊帶，直至增益線寬超閾值范圍的縱模均被耦合而產(chǎn)生振蕩。另一解釋為，所有鎖定的縱模——鎖模脈沖在特定時(shí)間內(nèi)無(wú)損耗地通過(guò)調(diào)制器，其他光信號(hào)因損耗被抑制，形成周期為2L/

/c窄脈沖I-1I0~PZT1.被動(dòng)鎖模SESAM半導(dǎo)體可飽和吸收鏡半導(dǎo)體可飽和吸收鏡因飽和吸收損耗可用于縱模相位鎖定，脈沖的前后沿強(qiáng)