第四章激光的基本技術(shù)課件

激光原理任課教師：馬靖majing@1激光原理任課教師：馬靖majing@fzu.ed

激光原理第四章激光的基本技術(shù)4.1激光器輸出的選模4.2激光器的穩(wěn)頻4.3激光束的變換4.4激光調(diào)制技術(shù)4.5激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)4.6激光調(diào)Q技術(shù)4.7激光鎖模技術(shù)2激光原理第四章激光的基本技術(shù)4.1激光器輸出的選模2§4.1激光器輸出的選模3§4.1激光器輸出的選模3

激光的選模(選頻)技術(shù)

激光縱模的選模-----選頻技術(shù)激光橫模的選模-----選模技術(shù)均勻增寬型介質(zhì)與非均勻增寬型介質(zhì)增益曲線均勻增寬型介質(zhì)的增益曲線非均勻增寬型介質(zhì)的增益曲線4激光的選模(選頻)技術(shù)激光縱模的選模-----選頻技術(shù)激4.1.1激光單縱模的選取

1.均勻增寬型譜線的縱模競(jìng)爭(zhēng)(1)當(dāng)強(qiáng)度很大的光通過(guò)均勻增益型介質(zhì)時(shí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布值下降，增益系數(shù)相應(yīng)下降，但光譜的線型并不改變。圖4-1均勻增寬型譜線縱模競(jìng)爭(zhēng)54.1.1激光單縱模的選取1.均勻增寬型譜線的縱模競(jìng)爭(zhēng)(2)多縱模的情況下，如圖所示，設(shè)有q-1，q，q+1三個(gè)縱模滿足振蕩條件。隨著腔內(nèi)光強(qiáng)逐步增強(qiáng)，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光強(qiáng)繼續(xù)增長(zhǎng)，最后變?yōu)榍€3的情形。若此時(shí)的光強(qiáng)為Iq，則有，于是振蕩達(dá)到穩(wěn)定，使激光器的內(nèi)部只剩下q縱模的振蕩?？v模競(jìng)爭(zhēng):通過(guò)增益飽和,某個(gè)縱模逐漸把其它縱模的振蕩抑制下去,最后只剩下該樅模振蕩的現(xiàn)象。6(2)多縱模的情況下，如圖所示，設(shè)有q-1，q，q+1三個(gè)2.非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個(gè)縱模

72.非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩非均勻增寬激光器的輸出一般都3.單縱模的選取(1)短腔法：

兩相鄰縱模間的頻率差，要想得到單一縱模的輸出，只要縮短腔長(zhǎng)，使的寬度大于增益曲線閾值以上所對(duì)應(yīng)的寬度缺點(diǎn)

腔長(zhǎng)受到限制,增益介質(zhì)工作長(zhǎng)度受到限制,輸出功率受到限制,甚至沒(méi)有激光輸出。83.單縱模的選取(1)短腔法：兩相鄰縱模間的頻率差(2)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法：

在外腔激光器的諧振腔內(nèi)，沿幾乎垂直于腔軸方向插入一個(gè)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具

由于多光束干涉的結(jié)果，對(duì)于滿足下列條件的光具有極高的透射率能獲得最大透射率的兩個(gè)相鄰的頻率間隔為:

9(2)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法：在外腔激光器的諧振腔內(nèi)，沿幾(3)三反射鏡法

如圖，激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組合所代替，其中M3和M4為全反射鏡，M2是具有適當(dāng)透射率的部分透射部分反射鏡。這個(gè)組合相當(dāng)于兩個(gè)諧振腔的耦合只有同時(shí)滿足上面兩個(gè)諧振條件的光才能形成振蕩,只要取L2+L3足夠小，就可以單樅模輸出兩個(gè)諧振腔的縱模頻率間隔分別為：10(3)三反射鏡法如圖，激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組4.1.2激光單橫模的選取

1.衍射損耗和菲涅耳數(shù)(1)由于衍射效應(yīng)形成的光能量損失稱為衍射損耗。(2)如圖所示的球面共焦腔，鏡面上的基橫模高斯光束光強(qiáng)分布可以表示為圖4-4腔的衍射損耗114.1.2激光單橫模的選取1.衍射損耗和菲涅耳數(shù)(1)(3)單程衍射損耗為射到鏡面外而損耗掉的光功率與射向鏡面的總光功率之比(4)分析衍射損耗時(shí)為了方便，經(jīng)常引入一個(gè)所謂“菲涅爾數(shù)”的參量，它定義為

12(3)單程衍射損耗為射到鏡面外而損耗掉的光功率與射向鏡面2.衍射損耗曲線圖4-5給出了圓截面共焦腔和圓截面平行平面腔的衍射損耗—菲涅爾數(shù)曲線。

圖4-5不同腔的衍射損耗曲線132.衍射損耗曲線圖4-5給出了圓截面共焦腔和圓截面平行平面腔3.光闌法選取單橫模

基本做法：在諧振腔內(nèi)插入一個(gè)適當(dāng)大小的小孔光闌，讓基橫模光束順利通過(guò)，而將高階橫模抑制小孔光闌的半徑r0可以選取為放置小孔光闌處的光束有效截面半徑143.光闌法選取單橫?；咀龇ǎ涸谥C振腔內(nèi)插入一個(gè)適當(dāng)大小的4.聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模(1)聚焦光闌法：如圖4-6所示，在腔內(nèi)插入一組透鏡組，使光束在腔內(nèi)傳播時(shí)盡量經(jīng)歷較大的空間，以提高輸出功率。(2)腔內(nèi)加望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的選橫模方法，其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。

圖4-6聚焦光闌法圖4-7腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法154.聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模(1)聚焦光闌法：如圖4-理解縱模競(jìng)爭(zhēng)的物理意義本節(jié)重點(diǎn)：作業(yè)：P99：1，2了解基本的選頻及選模方法理解縱模競(jìng)爭(zhēng)的物理意義本節(jié)重點(diǎn)：作業(yè)：了解基本的選頻及選§4.2激光器的穩(wěn)頻17§4.2激光器的穩(wěn)頻17穩(wěn)定度是指激光器在一次連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的頻率漂移與振蕩頻率之比

復(fù)現(xiàn)性是激光器在不同地點(diǎn)、時(shí)間、環(huán)境下使用時(shí)頻率的相對(duì)變化量

18穩(wěn)定度是指激光器在一次連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)的頻率漂移與振蕩頻率之比4.2.1影響頻率穩(wěn)定的因素1.腔長(zhǎng)變化的影響對(duì)共焦腔的TEM00模來(lái)說(shuō)，諧振頻率的公式可以簡(jiǎn)化為：當(dāng)L的變化為L(zhǎng)，的變化為時(shí)，引起的頻率相對(duì)變化為：(1)溫度變化：一般選用熱膨脹系數(shù)小的材料做為諧振腔的的支架(2)機(jī)械振動(dòng)：采取減震措施2.折射率變化的影響(1)內(nèi)腔激光器:溫度T、氣壓P、濕度h的變化很小，可以忽略(2)外腔和半內(nèi)腔激光器:腔的一部分處于大氣之中，溫度T、氣壓P、濕度h的變化較放電管內(nèi)顯著。應(yīng)盡量減小暴露于大氣的部分，同時(shí)還要屏蔽通風(fēng)以減小T、P、h的脈動(dòng)。194.2.1影響頻率穩(wěn)定的因素1.腔長(zhǎng)變化的影響對(duì)共焦腔的4.2.2穩(wěn)頻方法概述1.被動(dòng)式穩(wěn)頻利用熱膨脹系數(shù)低的材料制做諧振腔的間隔器；或用膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長(zhǎng)度配合。把單頻激光器的頻率與某個(gè)穩(wěn)定的參考頻率相比較，當(dāng)振蕩頻率偏離參考頻率時(shí)，鑒別器就產(chǎn)生一個(gè)正比于偏離量的誤差信號(hào)。2.主動(dòng)式穩(wěn)頻把激光器中原子躍遷的中心頻率做為參考頻率，把激光頻率鎖定到躍遷的中心頻率上，如蘭姆凹陷法。(2)把振蕩頻率鎖定在外界的參考頻率上，例如用分子或原子的吸收線作為參考頻率，選取的吸收物質(zhì)的吸收頻率必須與激光頻率相重合。如飽和吸收法。204.2.2穩(wěn)頻方法概述1.被動(dòng)式穩(wěn)頻利用熱膨脹系數(shù)低的材4.2.3蘭姆凹陷法穩(wěn)頻1.蘭姆凹陷的中心頻率即為譜線的中心頻率，在其附近頻率的微小變化將會(huì)引起輸出功率的顯著變化。這種穩(wěn)頻激光器的基本結(jié)構(gòu)如圖4-8所示圖4-8蘭姆凹陷法穩(wěn)頻激光器的基本結(jié)構(gòu)214.2.3蘭姆凹陷法穩(wěn)頻1.蘭姆凹陷的中心頻率即為譜線的2.腔長(zhǎng)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的方框圖如圖4-9所示

圖4-9蘭姆凹陷法穩(wěn)頻方框圖壓電陶瓷加一直流電壓：使初始頻率為壓電陶瓷上還需加一頻率為f(約為lkHz)、幅度很小(只有零點(diǎn)幾伏)的交流訊號(hào)，此訊號(hào)稱為“搜索訊號(hào)”222.腔長(zhǎng)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的方框圖如圖4-9所示圖4-9蘭姆圖4-10穩(wěn)頻原理3.圖4-10為穩(wěn)頻原理示意圖。

假如由于某種原因(例如溫度升高)使L伸長(zhǎng)，引起激光頻率由偏至，與的位相正好相反

假如由于某種原因(例如溫度降低)使L縮短，引起激光頻率由偏至，與的位相正好相同

在中心頻率附近0，不論是小于0還是大于0，其結(jié)果都是使輸出功率P增加，而且此時(shí)P將以頻率2f變化23圖4-10穩(wěn)頻原理3.圖4-10為穩(wěn)頻原理示意圖。假如由圖(4-11)不同同位素對(duì)蘭姆凹陷的影響4.注意事項(xiàng)第一、激光器的激勵(lì)電源是穩(wěn)壓和穩(wěn)流的。第二、氖的不同同位素的原子譜線中心有一定頻差。第三、頻率的穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率大小有關(guān)。24圖(4-11)不同同位素對(duì)蘭姆凹陷的影響4.注意事項(xiàng)第一4.2.4飽和吸收法穩(wěn)頻1.飽和吸收法穩(wěn)頻的示意裝置如圖4-12所示。

2.與激光輸出功率曲線的蘭姆凹陷相似，在吸收介質(zhì)的吸收曲線上也有一個(gè)吸收凹陷，如圖4-13所示圖4-12飽和吸收法穩(wěn)頻的裝置示意圖圖4-13吸收介質(zhì)的吸收曲線3.由于吸收管內(nèi)的壓強(qiáng)很低，碰撞增寬很小，所以吸收線中心形成的凹陷比激光管中蘭姆凹陷的寬度要窄得多。254.2.4飽和吸收法穩(wěn)頻1.飽和吸收法穩(wěn)頻的示意裝置如圖44.激光通過(guò)激光管和吸收管時(shí)所得到的單程凈增益應(yīng)該是激光管中的單程增益和吸收管中的單程吸收的差，即如圖4-14(a)，只有頻率調(diào)到附近激光才能振蕩。

如圖4-14(b)，頻率在整個(gè)線寬范圍內(nèi)調(diào)諧均能振蕩。

圖(4-14)反轉(zhuǎn)蘭姆凹陷264.激光通過(guò)激光管和吸收管時(shí)所得到的單程凈增益應(yīng)該是激光管中了解基本的穩(wěn)頻方法本節(jié)重點(diǎn)：了解基本的穩(wěn)頻方法本節(jié)重點(diǎn)：§4.3激光束的變換28§4.3激光束的變換284.3.1高斯光束通過(guò)薄透鏡時(shí)的變換1.透鏡的成像公式：，注意參數(shù)的正負(fù)。薄透鏡的作用是改變光波波陣面的曲率半徑。

2.從光波的角度看，規(guī)定發(fā)散球面波的曲率半徑為正，會(huì)聚球面波的曲率半徑為負(fù)，則如圖4-15所示，成像公式可改寫為：圖4-15球面波通過(guò)薄透鏡的變換294.3.1高斯光束通過(guò)薄透鏡時(shí)的變換1.透鏡的成像公式：實(shí)際問(wèn)題中，通常和是已知的，此時(shí)，則入射光束在鏡面處的波陣面半徑和有效截面半徑分別為：3.將透鏡的變換應(yīng)用到高斯光束上。如圖所示，有以下關(guān)系：①圖4-16高斯光束通過(guò)薄透鏡的變換②30實(shí)際問(wèn)題中，通常和是已知的，此時(shí)4.由①和②式可求得出射光束在鏡面處的波陣面半徑和有效截面半徑。這樣我們可以通過(guò)入射光束的、來(lái)確定出射光束的、了。圖4-16高斯光束通過(guò)薄透鏡的變換314.由①和②式可求得出射光束在鏡面處的波陣面半徑高斯光束特性公式對(duì)高斯光束的薄透鏡變換要考慮到高斯光束的束腰位置及束腰半徑32高斯光束特性公式對(duì)高斯光束的薄透鏡變換要考慮到高斯光束的束腰(1)短焦距：即4.3.2高斯光束的聚焦1.高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的聚焦情形(2)短焦距時(shí)33(1)短焦距：即4.3.2高斯光束的聚焦1.高斯光束入射(3)在滿足條件和的情況下，出射的光束聚焦于透鏡的焦點(diǎn)附近。如圖4-17所示，這與幾何光學(xué)中的平行光通過(guò)透鏡聚焦在焦點(diǎn)上的情況類似。圖4-17短焦距透鏡的聚焦34(3)在滿足條件和(4)由前面的結(jié)論可得：35(4)由前面的結(jié)論可得：35(5)即縮短和加大都可以縮小聚焦點(diǎn)光斑尺寸的目的。前一種方法就是要采用焦距小的透鏡后一種方法又有兩種途徑：一種是通過(guò)加大s來(lái)加大；另一種辦法就是加大入射光的發(fā)散角從而加大，加大入射光的發(fā)散角又可以有兩種做法，如圖4-18和圖4-19圖4-18用凹透鏡增大ω后獲得微小的ω’0圖4-19用兩個(gè)凸透鏡聚焦36(5)即縮短和加大都可以縮小聚焦點(diǎn)(6)這與幾何光學(xué)中物、象的尺寸比例關(guān)系是一致的。不論是求聚焦點(diǎn)的位置，還是求會(huì)聚光斑的大小，都可以在一定的條件下把高斯光束按照幾何光學(xué)的規(guī)律來(lái)處理37(6)這與幾何光學(xué)中物、象的尺寸比例關(guān)系是一致的。不論是求聚2.入射高斯光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的情形(1)2.入射高斯光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的情形382.入射高斯光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的情形(1)(2)同理有：(3)根據(jù)高斯光束的漸變性可以設(shè)想，只要s和f相差不大，高斯光束的聚焦特性會(huì)與幾何光學(xué)的規(guī)律迥然不同。反比關(guān)系39(2)同理有：(3)根據(jù)高斯光束的漸變性可以設(shè)想，只要s4.3.3高斯光束的準(zhǔn)直1.高斯光束的準(zhǔn)直：改善光束的方向性，壓縮光束的發(fā)散角?？梢钥闯?，增大出射光束的束腰就可以縮小光束的發(fā)散角。需要縮小入射光束束腰半徑404.3.3高斯光束的準(zhǔn)直1.高斯光束的準(zhǔn)直：改善光束的方向3.選用兩個(gè)透鏡，短焦距的凸透鏡和焦距較長(zhǎng)的凸透鏡可以達(dá)到準(zhǔn)直的目的。圖(4-20)倒裝望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散角M’是高斯光束通過(guò)透鏡系統(tǒng)后光束發(fā)散角的壓縮比。M是倒置望遠(yuǎn)鏡對(duì)普通光線的傾角壓縮倍數(shù)。由于f2＞f1，所以M＞1。又由于＞0，因此有M’M＞1θ”<θ’413.選用兩個(gè)透鏡，短焦距的凸透鏡和焦距較長(zhǎng)的凸透鏡可以4.3.4高斯光束的擴(kuò)束1.高斯光束的擴(kuò)束：擴(kuò)大光斑的光斑尺寸。1.可以通過(guò)擴(kuò)大發(fā)散角來(lái)擴(kuò)大光斑尺寸。2。若要求出射光束光斑大，且發(fā)散角小，則需要用如圖4－20所示的倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。424.3.4高斯光束的擴(kuò)束1.高斯光束的擴(kuò)束：擴(kuò)大光斑的光斑入射光束ω0及s入射高斯光束在鏡面處的ω及R出射高斯光束在鏡面處的ω’及R’出射光束ω0’及s’(3-44)(3-45)(3-44)(3-45)(4-17)(4-18)高斯光束通過(guò)薄透鏡的變換小結(jié)：43入射光束入射高斯光束在出射高斯光束在出射光束(3-44)(3高斯光束的聚焦1.高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的聚焦情形類似于幾何光學(xué)中的平行光通過(guò)透鏡聚焦在焦點(diǎn)上的情況。圖4-18用凹透鏡增大ω后獲得微小的ω’0圖4-19用兩個(gè)凸透鏡聚焦類似于幾何光學(xué)中物、象的尺寸比例關(guān)系。44高斯光束的聚焦1.高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的聚焦情形類似于2.入射高斯光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的情形只要s和f相差不大，高斯光束的聚焦特性會(huì)與幾何光學(xué)的規(guī)律迥然不同。反比關(guān)系452.入射高斯光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的情形只要高斯光束的擴(kuò)束——擴(kuò)大光束光斑尺寸倒裝望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散角發(fā)散角壓縮比：高斯光束的準(zhǔn)直——壓縮光束的發(fā)散角凸透鏡：縮小束腰，擴(kuò)大發(fā)散角凹透鏡：擴(kuò)大發(fā)散角46高斯光束的擴(kuò)束——擴(kuò)大光束光斑尺寸倒裝望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散掌握高斯光束通過(guò)薄透鏡時(shí)的變換本節(jié)重點(diǎn)：重點(diǎn)掌握高斯光束聚焦和準(zhǔn)直作業(yè)：3，4，5

掌握高斯光束通過(guò)薄透鏡時(shí)的變換本節(jié)重點(diǎn)：重點(diǎn)掌握高斯光束§4.4激光調(diào)制技術(shù)48§4.4激光調(diào)制技術(shù)484.4.1激光調(diào)制的基本概念1.激光調(diào)制:把激光作為載波攜帶低頻信號(hào)2.激光調(diào)制內(nèi)調(diào)制——在激光形成振蕩的過(guò)程中加載調(diào)制信號(hào)，通過(guò)改變激光的輸出特性而實(shí)現(xiàn)的調(diào)制外調(diào)制——在激光形成以后。再用調(diào)制信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，并不改變激光器的參數(shù)，而是改變已經(jīng)輸出的激光束的參數(shù)494.4.1激光調(diào)制的基本概念1.激光調(diào)制:把激光作為載3.激光的瞬時(shí)光場(chǎng)的表達(dá)式：

瞬時(shí)光的強(qiáng)度：若調(diào)制信號(hào)為：激光幅度調(diào)制的表達(dá)式：激光強(qiáng)度調(diào)制的表達(dá)式：

激光頻率調(diào)制的表達(dá)式：

激光相位調(diào)制的表達(dá)式：

503.激光的瞬時(shí)光場(chǎng)的表達(dá)式：瞬時(shí)光的強(qiáng)度：若調(diào)制信號(hào)為4.4.2電光強(qiáng)度調(diào)制1.下圖是一個(gè)典型的電光強(qiáng)度調(diào)制的裝置示意圖由兩塊交叉偏振片及其間放置的一塊單軸電光晶體組成偏振片的通振動(dòng)方向分別與x、y軸平行

電光調(diào)制裝置示意圖2.設(shè)某時(shí)刻加在電光晶體上的電壓為V，入射到晶體的在x方向上的線偏振激光電矢量振幅為E514.4.2電光強(qiáng)度調(diào)制1.下圖是一個(gè)典型的電光強(qiáng)度調(diào)制的裝電光調(diào)制裝置示意圖通過(guò)晶體后沿快軸和慢軸的電矢量振幅都變：沿和方向振動(dòng)的二線偏振光之間的位相差

半波電壓:全波電壓:52電光調(diào)制裝置示意圖通過(guò)晶體后沿快軸和慢軸的電矢通過(guò)通振動(dòng)方向與y軸平行的偏振片檢偏后產(chǎn)生的光振幅分別為，，則有，其相互之間的位相差為。則有：

53通過(guò)通振動(dòng)方向與y軸平行的偏振片檢偏后產(chǎn)生的光振幅分別為3.下圖畫出了曲線的一部分以及光強(qiáng)調(diào)制的情形。為使工作點(diǎn)選在曲線中點(diǎn)處，通常在調(diào)制晶體上外加直流偏壓來(lái)完成。

I/I0-V曲線543.下圖畫出了曲線的一部分以及光強(qiáng)調(diào)制的情形。4.如外加信號(hào)電壓為正弦電壓(電壓幅值較小)，，則輸出光強(qiáng)近似為正弦形

554.如外加信號(hào)電壓為正弦電壓(電壓幅值較小)，4.4.3電光相位調(diào)制1.下圖是典型的相位調(diào)制裝置示意圖。加電場(chǎng)后，振動(dòng)方向與晶體的軸相平行的光通過(guò)長(zhǎng)度為l的晶體，其位相增加為

相位調(diào)制裝置示意圖564.4.3電光相位調(diào)制1.下圖是典型的相位調(diào)制裝置示意圖。相位調(diào)制裝置示意圖2.晶體上所加的是正弦調(diào)制電場(chǎng)，光在晶體的輸入面(z=0)處的場(chǎng)矢量大小是

則在晶體輸出面(z=l)處的場(chǎng)矢量大小可寫成式中，為相位調(diào)制度57相位調(diào)制裝置示意圖2.晶體上所加的是正弦調(diào)制電場(chǎng)§4.5激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)58§4.5激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)584.5.1機(jī)械偏轉(zhuǎn)機(jī)械偏轉(zhuǎn)是利用反射鏡或多面反射棱鏡的旋轉(zhuǎn)或反射鏡的振動(dòng)實(shí)現(xiàn)光束掃描

優(yōu)點(diǎn):機(jī)械偏轉(zhuǎn)具有偏轉(zhuǎn)角度大、分辨率較高、光損失小、可適應(yīng)光譜范圍大缺點(diǎn)：難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度偏轉(zhuǎn)，應(yīng)用范圍受到限制4.5.2電光偏轉(zhuǎn)利用泡克耳斯效應(yīng)，在電光晶體上施加電場(chǎng)改變晶體的折射率使光束偏轉(zhuǎn)。參見(jiàn)圖4-24594.5.1機(jī)械偏轉(zhuǎn)機(jī)械偏轉(zhuǎn)是利用反射鏡或多面反射棱4.5.3聲光偏轉(zhuǎn)1.下圖為一塊均勻的透明介質(zhì)如熔融石英，其一端為超聲發(fā)生器(作正弦振動(dòng))。當(dāng)在透明介質(zhì)的另一端為聲波的反射介質(zhì)時(shí)，滿足一定的幾何要求就會(huì)在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生駐波。駐波按照正弦規(guī)律變化，所以介質(zhì)的折射率以空間周期在空間呈正弦變化。

超聲波在透明介質(zhì)中的傳播衍射光柵聲光偏轉(zhuǎn)器604.5.3聲光偏轉(zhuǎn)1.下圖為一塊均勻的透明介質(zhì)如熔融石英，2.如圖所示，當(dāng)光線在滿足布拉格條件的衍射角入射到光柵上時(shí)，衍射光也與衍射體光柵的等折射率面成出射布拉格條件下的衍射3.改變超聲波頻率可改變偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)角:612.如圖所示，當(dāng)光線在滿足布拉格條件的衍射角入射到光柵§4.6激光調(diào)Q技術(shù)62§4.6激光調(diào)Q技術(shù)62脈沖固體激光器的輸出特性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(a)所示。每個(gè)尖峰的寬度約為0.1～1μs，間隔為數(shù)微秒，脈沖序列的長(zhǎng)度大致與閃光燈泵浦持續(xù)時(shí)間相等圖(b)所示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。

脈沖激光器輸出的尖峰結(jié)構(gòu)63脈沖固體激光器的輸出特性將普通脈沖固體激光器

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(guò)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，導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，當(dāng)?shù)陀陂y值時(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，超過(guò)閾值時(shí)，又產(chǎn)生第二個(gè)脈沖，如此不斷重復(fù)上述過(guò)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(wú)助于峰值功率的提高，而只會(huì)使小尖峰的個(gè)數(shù)增加。當(dāng)64產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因：當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵馳豫振蕩的物理過(guò)程腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化65馳豫振蕩的物理過(guò)程腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化65第一階段(t1一t2)：激光振蕩剛開(kāi)始時(shí)，△n＝△n閾，Φ＝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Φ也開(kāi)始增加，由于Φ的增長(zhǎng)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。

第二階段(t2一t3)：△n到達(dá)最大值后開(kāi)始下降，但仍然大于△n閾，因此Φ繼續(xù)增長(zhǎng)，而且增長(zhǎng)非常迅速，達(dá)到最大值。第三階段(t3一t4)：△n＜△n閾，增益小于損耗，光子數(shù)密度Φ減少并急劇下降。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(kāi)始回升，到t5時(shí)刻△n又達(dá)到閾值△n閾，于是又開(kāi)始產(chǎn)生第二個(gè)尖峰脈沖。每個(gè)尖峰可以分為四個(gè)階段:因?yàn)楸闷值某檫\(yùn)過(guò)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(guò)程周而復(fù)始，產(chǎn)生一系列尖峰脈沖。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66第一階段(t1一t2)：激光振蕩剛開(kāi)始時(shí)，△n＝△n閾，4.6.1激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q

1.

2.光強(qiáng)I0在諧振腔傳播z距離后會(huì)減弱為674.6.1激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q1.2.光強(qiáng)體積為V的腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量為：

每振蕩周期損耗的能量為：

反比關(guān)系68體積為V的腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量為：每振蕩周期損耗的能量為：反比

Q開(kāi)關(guān)激光脈沖建立過(guò)程通過(guò)改變Q值——改變閾值，控制激光產(chǎn)生的時(shí)間。

在泵浦過(guò)程的大部分時(shí)間里諧振腔處于低Q值狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級(jí)的粒子數(shù)不斷積累，直至t0時(shí)刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值△ni，在這一時(shí)刻，Q值突然升高(損耗下降)，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開(kāi)始建立。由于此△ni>>△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)的能量在極短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱?chǎng)的能量，結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)峰值功率很高的窄脈沖。69Q開(kāi)關(guān)激光脈沖建立過(guò)程通過(guò)改變Q值——改變閾值，4.6.2調(diào)Q原理——采用某種辦法使諧振腔在泵浦開(kāi)始時(shí)處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時(shí)激光振蕩的閾值很高，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)即使積累到很高水平也不會(huì)產(chǎn)生振蕩；當(dāng)粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到其峰值時(shí)，突然降低損耗使腔的Q值增大，導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益大大超過(guò)閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩。這時(shí)儲(chǔ)存在亞穩(wěn)態(tài)上的粒子所具有的能量會(huì)很快的轉(zhuǎn)換為光子能量，光子像雪崩一樣以極高的速率增長(zhǎng)，激光器便可輸出一個(gè)峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。704.6.2調(diào)Q原理——采用某種辦法使諧振腔在泵浦開(kāi)始時(shí)調(diào)Q技術(shù)關(guān)鍵

動(dòng)態(tài)損耗：Q開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，諧振腔應(yīng)具有最大的損耗，以保證Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)之前沒(méi)有激光產(chǎn)生；插入損耗：Q開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，由開(kāi)關(guān)本身引起的損耗應(yīng)最小，一般會(huì)引入反射及散射損耗；開(kāi)關(guān)時(shí)間:Q開(kāi)關(guān)應(yīng)有優(yōu)異的開(kāi)、關(guān)轉(zhuǎn)換性能，快的開(kāi)關(guān)時(shí)間，將產(chǎn)生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開(kāi)關(guān)時(shí)間會(huì)使所存儲(chǔ)的能量在開(kāi)關(guān)完全打開(kāi)之間迅速衰竭；同步性能:Q開(kāi)關(guān)應(yīng)能夠精確地控制，與外界信號(hào)保持同步。71調(diào)Q技術(shù)關(guān)鍵動(dòng)態(tài)損耗：Q開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，諧振腔應(yīng)具有電光調(diào)Q裝置如圖所示激光腔中插入起偏振片及作為Q開(kāi)關(guān)的KD*P晶體。

電光調(diào)Q裝置示意圖4.6.3電光調(diào)Q——主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)磷酸二氘鉀X方向振動(dòng)的線偏振光經(jīng)KD*P晶體后反射回來(lái)變成y方向振動(dòng)的線偏振光72電光調(diào)Q裝置如圖所示電光調(diào)Q裝置示意圖4.6.3電光4.6.4聲光調(diào)Q——主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)聲光調(diào)Q裝置示意圖下圖是一個(gè)聲光調(diào)Q的YAG激光器的示意圖。腔內(nèi)插入的聲光調(diào)Q器件由聲光互作用介質(zhì)(如熔融石英)和鍵合于其上的換能器所構(gòu)成的。

734.6.4聲光調(diào)Q——主動(dòng)調(diào)Q技術(shù)聲光調(diào)Q裝置示意圖下4.6.5染料調(diào)Q——被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)1.下圖是染料調(diào)Q激光器的示意圖。它是在一個(gè)固體激光器的腔內(nèi)插入一個(gè)染料盒構(gòu)成的。

2.染料盒內(nèi)裝有可飽和染料，這種染料對(duì)該激光器發(fā)出的光有強(qiáng)烈吸收作用，而且隨入射光的增強(qiáng)吸收系數(shù)減小。其吸收系數(shù)可以由下式表示：染料調(diào)Q裝置示意圖3.選擇染料要顧及幾個(gè)方面

染料吸收峰的中心波長(zhǎng)應(yīng)和激光波長(zhǎng)基本吻合；Is要適當(dāng)，以便得到合適的”開(kāi)光“速度；燃料溶液要具有一定的穩(wěn)定性和保存期，以利于實(shí)用744.6.5染料調(diào)Q——被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)1.下圖是染料調(diào)Q激光調(diào)制的概念4.4-4.6重點(diǎn)：激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)（模擬偏轉(zhuǎn)、數(shù)字偏轉(zhuǎn)）實(shí)現(xiàn)激光偏轉(zhuǎn)的途徑，3種何謂激光的Q值，激光調(diào)Q的原理幾種調(diào)Q類型激光調(diào)制的概念4.4-4.6重點(diǎn)：激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)（模擬偏轉(zhuǎn)§4.7激光鎖模技術(shù)76§4.7激光鎖模技術(shù)76壓縮脈沖寬度,高峰值功率,Q開(kāi)關(guān)激光器一般脈寬達(dá)ns量級(jí),如果再壓縮脈寬,Q開(kāi)關(guān)激光器已經(jīng)無(wú)能為力,但有很多實(shí)際應(yīng)用需要更窄的脈沖.(60年代后發(fā)展了鎖模技術(shù)，可將脈沖壓縮到ps甚至fs量級(jí)。)1.激光測(cè)距，為了提高測(cè)距的精度,則脈寬越窄越好.2.激光高速攝影.為了拍照高速運(yùn)動(dòng)的物體,提高照片的清晰度,也要壓縮脈寬.3.對(duì)一些超快過(guò)程的研究,激光核聚變,激光光譜,熒光壽命的測(cè)定,非線性光學(xué)的研究等需窄的脈寬.(摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中得到了8.5fs的超短光脈沖序列)。77壓縮脈沖寬度,高峰值功率,Q開(kāi)關(guān)激