课件激光技术讲座

物理学与激光技术 邓振波 北京交大光电子技术研究所 51688675 /dengzb/ 1. 激光的基本原理 2. 激光技术应用简介 3. 激光技术的基本内容 4. 激光技术的前景 激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术, 并列为二十世纪最重要的四大发现。是人类探索自然 和改造自然的强有力工具。 与电子电力技术、自动化测控技术的完美结合， 使激光技术能够更好的为人类创造美好生活。 （Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写。 1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验 室中做成了第一台红宝石(Al2O3:Cr)激光器。我国于 1961年研制出第一台激光器，从此以后，激光技术 得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。 光是（波长较短的）电磁波 “激光” （LASER）一词是受激辐射光放大 40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个 学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术 ，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检 测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术 ，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学 ，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可 控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学 科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发 展。 1. 激光的基本原理 按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能 量不连续的定态中，原子能量的任何变化（吸收或辐射 ）都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能 量的变化过程称之为跃迁。光子与物质原子相互作用过 程中，存在三种类型的跃迁。即：吸收、自发辐射和受 激辐射。 E1 E3 E2 如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存 在任何外来影响，它将保持状态不变。如果有一个外 来光子，能量为hv，与该原子发生相互作用。且 ，其中：E2为原子的某一较高的能量状态激发态。 则原子就有可能吸收这一光子，而被激发到高能态去 。这一过程被称之为原子吸收。值得注意的是，只有 外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时， 光子才能被吸收。 原子吸收 E1 E3 E2 图1-1 原子吸收示意图 hv E1 E3 E2 与经典力学中的观点类似，处于高能态的原子是 不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级 约为10-8s），之后，会自发地返回基态去，同时放 出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态 而放出光子的过程，叫做自发辐射。 原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿 命。 hv 图1-2 自发辐射示意图 E1 E3 E2 自发辐射 自发辐射的特点是： 这种过程与外界作用无关。各原子的辐射 都是独立地进行。因而所发光子的频率、初相 、偏振态、传播方向等都不同。不同光波列是 不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体 ，在管两端加上高电压来激发气体原子，当它 们从激发态跃迁返回基态时，便放出五颜六色 的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向 都有，初位相也各不相同。这正是普通光源的 自发辐射。 受激辐射 处于激发态的原子，在 其发生自发辐射前，若受到 某一外来光子的作用，而且 外来光子的能量恰好满足 ，原子就有可能从激发态E2 跃迁至低能态E1，同时放出 一个与外来光子具有完全相 同状态的光子。如图1-3所 示。这一过程被称为受激辐 射。 Light or laser 无辐射跃迁 E1 E2 hv E1 E2 hv hv 图1-3 受激辐射示意图 这种过程是在外界光子的刺激作用下发生的，而 且受激辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率，相 同的初相，相同的传播方向，相同的偏振态等。即与外 来光子具有完全相同的状态。在受激辐射过程中，输入 一个光子，可以得到两个状态完全相同光子的输出。并 且这两个光子可再作用于其他原子上，产生受激辐射， 而获得大量特征完全相同的光子。这便是受激辐射的光 放大。图1-4就是受激辐射光放大的示意图。 受激辐射的特点是： hv hv hvhv hv hv hv 输入输出 图1-4 光放大示意图 产生激光的必要条件 （1）选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物 质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件； （2）选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受 激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性 、单色性、强度等极高的激光束； （3）外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以 促成激光的产生。这些阈值条件大体包括：减少损耗， 加快抽运速度，促进（粒子数）反转等。像工作物质的 混合比、气压、激发条件、激发电压等等。 Light or laser 无辐射跃迁 激光器简介 目前激光器的种类很多。按工作物质的性质分类 ，大体可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器 ；按工作方式区分，又可分为连续型和脉冲型等。其中 每一类激光器又包含了许多不同类型的激光器。按激光 器的能量输出又可以分为大功率激光器和小功率激光器 。大功率激光器的输出功率可达到兆瓦量级，而小功率 激光器的输出功率仅有几个毫瓦。如前所述的He-Ne激 光器属于小功率、连续型、原子气体激光器。红宝石激 光器属于大功率脉冲型固体材料激光器。 激光的特性 1.单向性极好：普通光源向四面八方发射能量， 其能量分布在全空间4立体角内。而激光则是沿一条 直线传播，能量集中在其传播方向上。其发散角很小 ，一般为10-510-8球面度。若将激光束射向几千米 以外，光束直径仅扩展为几个厘米，而普通探照灯光 束直径则已经扩展为几十米。激光的单向性是由受激 辐射原理和谐振腔的方向选择作用所决定的。激光这 种良好的单向性可用于定位、测距、导航等。 2.单色性极强： 从普通光源（如钠灯、汞灯、氪灯等）得到的单色 光的谱线宽度约为10-2纳米，单色性最好的氪灯（86Kr） 的谱线宽度为4.710-3纳米。而氦氖激光器发射的 632.8纳米激光的谱线宽度只有10-9纳米。若从多模激光 束中提取单模激光，再采取稳频技术措施，还可以进一 步提高激光的单色性。利用激光良好的单色特性，可以 作为计量工作的基准光源。例如，用单色、稳频激光器 作为光频计时基准，它在一年内的计时误差不超过1微 秒，大大超过原子钟的计时精度。 600800400 n m 荧光光谱 图1-5 普通光源荧光光谱， 谱线宽度约为：150 nm 3.高亮度： 光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间 内沿单位立体角所发射的能量，普通光源的亮度 相当低，例如，太阳表面的亮度比蜡烛大30万倍 ，比白炽灯大几百倍。而一台普通的激光器的输 出亮度，比太阳表面的亮度大10亿倍。激光器的 输出功率并不一定很高，但由于光束很细，光脉 冲窄，光功率密度却非常大。 图1-6 理想锁模可获得窄脉冲激光 由于激光光源使光能量在时间和空间上高 度集中，因此，能在直径极小的区域内（10-3 毫米）产生几百万度的高温。从一个功率为 1kw的CO2激光器发出的激光束经过聚焦以后， 在几秒钟内就可以将5cm厚的钢板烧穿。工业 上利用激光高亮度的特性，在金属钻孔、焊接 、切割、表面热处理、表面氧化等方面的应用 近年来有很大的发展。 4.相干性好：普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干 长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十 公里，比普通光源大几个数量级。因此也可以说激光具 有非常好的相干性。用激光做光源进行光的干涉、衍射 实验，可以得到非常好的效果。另外，激光问世以来， 推动了全息光学技术、激光光谱技术的发展。 由于激光具有上述这些良好的特性，从而突破了传 统光源的种种局限性，引起了现代光学应用技术的革命 性发展。同时促进了包括化学、生物学、医学、工业加 工与检测技术、军事等科学的迅速发展。 激光技术的应用涉及到光、机、电、材料及检 测等多门学科，主要分为以下几类： 1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加 工机床、控制系统及检测系统。 2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理 、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。 2. 激光技术应用简介 2.1 激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电 池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允 许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG ( 钇铝石榴石)激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器 。 2.2 激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木 刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、 压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一 些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、 电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧 化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器 有YAG激光器和CO2激光器。 2.3 激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到 广泛应用，目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器 和半导体泵浦激光器。 2.4 激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽 车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展 ，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年 前的400w提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激 光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生 产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路 板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、 CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器 和半导体泵浦激光器。 3.激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、 曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时 在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我 国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激 光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。 4.激光快速成型：将激光加工技术和计算机数控技 术及柔性制造技术相结合而形成。多用于模具和模型行 业。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主 。 5.激光涂敷：在航空航天、模具及机电行业应用广 泛。目前使用的激光器多以大功率YAG激光器、CO2激光 器为主。 6.激光化学：传统的化学过程，一般是把反应物混合 在一起，然后往往需要加热 (或者还要加压)。加热的缺点， 在于分子因增加能量而产生不规则运动，这种运动破坏原有 的化学键，结合成新的键，而这些不规则运动破坏或产生的 键，有时会阻碍预期的化学反应的进行。 但是如果用激光来指挥化学反应，不仅能克服上述不规 则运动，而且还能获得更大的好处。这是因为激光携带着高 度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上，比如利用 不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改变两激光束 的相位差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光 脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在分子身上， 触发某种预期的反应。 激光化学的应用非常广泛。制药工业是第一个得益 的领域。应用激光化学技术，不仅能加速药物的合成， 而又可把不需要的副产品剔在一旁，使得某些药物变得 更安全可靠，价格也可降低一些。又如，利用激光控制 半导体，就可改进新的光学开关，从而改进电脑和通信 系统。激光化学虽然尚处于起步阶段，但其前景十分光 明。 7.激光医疗：激光在医学上的应用分为两大类： 激光诊断与激光治疗，前者是以激光作为信息载体，后 者则以激光作为能量载体。多年来，激光技术已成为临 床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。 它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献 。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生 产等诸多方面都保持持续的、强劲的发展势头。 当前激光医学的出色应用研究主要表现在 以下方面：光动力疗法治癌；激光治疗心血管 疾病；准分子激光角膜成形术；激光治疗前列 腺良性增生；激光美容术；激光纤维内窥镜手 术；激光腹腔镜手术；激光胸腔镜手术；激光 关节镜手术；激光碎石术；激光外科手术；激 光在吻合术上的应用；激光在口腔、颌面外科 及牙科方面的应用；弱激光疗法等。 激光医疗近期研究重点包括： (1)研究激光与生物组织间的作用关系，特 别是在诸多有效疗法中已获得重要应用的激光 与生物组织间的作用关系；研究不同激光参数( 包括波长、功率密度、能量密度与运转方式等) 对不同生物组织、人体器官组织及病变组织的 作用关系，取得系统的数据； (2)研究弱激光的细胞生物学效应及其作用 机制，包括；弱激光与细胞生物学现象(基因调 控和细胞凋亡) 的关系、弱激光镇痛的分子生 物学机制以及弱激光与细胞免疫(抗菌、抗毒素 、抗病毒等)的关系及其机制； (3)深入开展有关光动力疗法机制、激光介 入治疗、激光心血管成形术与心肌血管重建机 制的研究，积极开拓其他新的激光医疗技术。 (4)对医学光子技术中重要的、新颖的 光子器件和仪器设置进行开发性研究，例如 ：研制医用半导体激光系统、角膜成形与血 管成形用准分子激光设备、激光美容(换皮 去皱、植发)设备或其他新激光设备，开拓 新工作波段的医用激光系统以及开发Ho： YAG及Er：YAG激光手术刀等。 8.超快超强激光：超快超强激光主要以飞秒 激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研 究的工具和手段，飞秒激光的主要应用可以概括 为三个方面，即飞秒激光在超快领域内的应用、 在超强领域内的应用和在超微细加工中的应用。 飞秒激光在超快现象研究领域中所起到的是 一种快速过程诊断的作用。飞秒激光尤如一个极 为精细的时钟和一架超高速的“相机”可以将自然 界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分 析、记录下来。 飞秒激光在超强领域中的应用(又称为强场 物理)归因于具有一定能量的飞秒脉冲的峰值功 率和光强可以非常之高。这样的强光所对应的 电磁场会远大于原子中的库仑场，从而很容易 地将原子中的电子统统剥落出去。因此，飞秒 激光是研究原子，分子体系高阶非线性、多光 子过程的重要工具。与飞秒激光相应的能量密 度只有在核爆炸中才可能存在。飞秒强光可以 用来产生相干X射线和其它极短波长的光，可以 用于受控核聚变的研究。 飞秒激光用于超微细加工是飞秒激光用于超 快现象研究和超强现象研究之外的又一个飞秒激 光技术的重要的应用研究领域。这一应用是近几 年才开始发展起来的，目前已有了不少重要的进 展。与飞秒超快和飞秒超强研究有所不同的是飞 秒激光超微细加工与先进的制造技术紧密相关， 对某些关键工业生产技术的发展可以起到更直接 的推动作用。飞秒激光超微细加工是当今世界激 光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研 究方向。 9.激光武器：激光测距仪是激光在军事上应 用的起点，将其应用到火炮系统，大大提高了火 炮射击精度。激光雷达相比于无线电雷达，由于 激光发散角小，方向性好，因此其测量精度大幅 度提高。由于同样的原因，激光雷达不存在“盲 区”，因此尤其适宜于对导弹初始阶段的跟踪测 量。但由于大气的影响，激光雷达并不适宜在大 范围内搜索，还只能作为无线电雷达的有力补充 。还有精确的激光制导导弹，以及模拟战场上使 用的激光武器技术运用。 机载激光武器(ABL) ，ABL的目标是研制 装在经过改造的波音 747飞机上安装激光 武器，用于从高空攻 击敌方的战区弹道导 弹。 美军移动型战术高能激光系统（THEL）的激光发射部分 激光武器的优点；无需进行弹道计算；无后坐力 ；操作简便，机动灵活，使用范围广；无放射性污染 。 激光武器的分类：不同功率密度，不同输出波形 ，不同波长的激光，在与不同目标材料相互作用时， 会产生不同的杀伤破坏效应。激光器的种类繁多，名 称各异。按工作介质区分，目前有固体激光器、液体 激光器和分子型、离子型、准分子型的气体激光器等 。按其发射位置可分为天基、陆基、舰载、车载和机 载等类型，按其用途还可分为战术型和战 略型两类 ，即战术激光武器和战略激光武器。 10.激光全息技术： 全息术的发明与发展 ：全息术即全息照 相术，是记录波动（包括机械波、电磁波和光 波）干扰的振幅和位相分布，以及使之再现的 专门技术。它广泛地用作三维光学的成像，也 可用于声波（声全息）和射频波。“全息”意 思是全部的信息，即不仅是振幅信息，还包含 位相信息在内. 1948年英藉匈牙利物理学家丹尼斯盖伯为 了提高电子显微镜的分辨本领提出了全息术的最 初设想。随后，他采用汞灯作光源，首次拍摄了 第一张全息照片（即全息图），并获得了相应的 再现像，从而创立了全息术（为此，他于1971年 得到了诺贝尔物理学奖）。但是由于当时缺乏明 亮的相干光源（激光器），全息图的成像质量很 差。在上个世纪50年代里，这方面的工作进展相 当缓慢。直到60年代出现激光这一相干强光源之 后，全息术才得以迅速发展，成为现代光学中十 分活跃的分支. 1962年随着激光器的问世，利思和乌帕特尼 克斯（Leith and Upatnieks）在盖伯全息术的基 础上引入载频的概念，发明了离轴全息术，有效 地克服了当时全息图成像质量差的主要问题 孪生像，三维物体显示成为当时全息术研究的热 点，但这种成像科学远远超过了当时经济的发展 ，制作和观察这种全息图的代价是很昂贵的，全 息术基本只是一个需要高昂经费来维持的实验. 1969年本顿（Benton）发明了彩虹全息术，掀起 以白光显示为特征的全息三维显示新高潮。彩虹全息 图是一种能实现白光显示的平面全息图，与丹尼苏克 （Denisyuk）的反射全息图相比，除了能在普通白炽 灯下观察到明亮的立体像外，还具有全息图处理工艺 简单、易于复制等优点。把彩虹全息术与当时发展日 趋成熟的全息图模压复制技术结合起来便形成了目前 风靡世界的全息印刷产业，产生了全息信用卡、全息 商标、全息钞票、全息卡通、全息装饰材料、甚至全 息服装等保安防伪及装璜装饰的全息图新应用。 拍摄全息照片的基本 光路大致如图。 一激光光源（波长为 ）的光分成两部分 ：直接照射到底片上 的叫参考光；另一部 分经物体表面散射的 光也照射到照相底片 ，称为物光。参考光 和物光在底片上各处 相遇时将发生干涉， 底片记录的即是各干 涉条纹叠加后的图像 。 全息照相的拍摄原理 11.光通信 激光是一种频率更高的电磁波，它具有很好相干性 ，因而象以往电磁波（收音机、电视等）一样可以用来 作为传递信息的载波。 由激光“携带”的信息(包括语言、文字、图像、符号 等)通过一定的传输通道(大气、光纤等)送到接收器，再 由光接收器鉴别并还原成原来的信息。这种将信息加载 于激光的过程称之为调制， 完成这一过程的装置称为调制 器。其中激光称为载波;起控制 作用的低频信息称为调制信号。 解调：调制的反过程，即把 调制信号还原成原来的信息。 3. 激光技术的基本内容 3.1 激光调制与偏转技术 3.2 激光调Q技术 3.3 超短脉冲技术 3.4 激光放大技术 3.5 模式选择技术 3.6 稳频技术（兰姆凹陷稳频和塞曼效应稳频）* 3.7 非线性光学技术 * 3.8 激光传输技术 * 3.1-1 纵向电光调制（通光方向与电场方向一致） 电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向 平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加 电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x,y。因此，沿z轴入射的光束经起偏器 变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x和y方向的两个分 量，两个振幅(等于入射光振幅的1/ ）和相位都相等分别为： 图3.1 是一个纵向电光强度调制的典型结构。 图3.1 纵向电光强度调制 1 2 2 1 3 3 4 4 5 5 若调制器工作在非线性部分,则调制光将发生畸变。为了 获得线性调制，可以通过引入一个固定的 2相位延 迟，使调制器的电压偏置在T50的工作点上。常用 的办法有 V 图3.2 电光调制特性曲线 3.1-2 直接调制 直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源(激 光二极管LD或半导体二极管LED)，从而获得已调制信号。由于它 是在光源内部进行的，因此又称为内调制，它是目前光纤通信系统 普通使用的实用化调制方法。根据调制信号的类型，直接调制又可 以分为（连续的）模拟调制和数字（脉冲编码）调制两种。 一、半导体激光器(LD)直接调制的原理 半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能量直接转换的器 件。图3.3 示出了砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功 率与驱动电流的关系曲线。半导体激光器有一个阈值电流 It，发射 激光的强弱直接与驱动电流的大小有关。若把调制信号加到激光器( 电源)上，即可以直接改变(调制)激光器输出光信号的强度。 图 3.3 图3.4 所示的是半导体激光器调制原理的示意图，图(a)所示是电原 理示意图，图(b)所示是输出光功率与调制信号的关系曲线。为了获 得线性调制，使工作点处于输出特性曲线的直线部分，必须在加调 制信号电流的同时加一适当的偏置电流Ib，这样就可以使输出的光 信号不失真。 1.5-3 半导体激光器调制 （a)电原理图；（b)调制特性曲线 图 3.4 调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它 是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值 功率可提高几个数量级的一种技术。现在，欲要获得峰值功率在 兆瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难 。 3.2 调Q(Q开关)技术 图 1-5-1 固体激光器的结构 1，晶体棒 2，反射膜；3，氙 灯，4一电源 晶体棒或玻璃棒的直径由1cm到几个cm不等，长度由十几个cm到几十个 cm不等。棒的两端面磨的很光滑，平行度很高，镀上反射膜以后就可以当成 反射镜组成光学谐振腔。泵浦源使用普通强光源，如氙灯等。固体激光器的 优点是输出功率大，体积小，坚固，贮存能量的能力较强，适合实现Q开关 、锁模等技术。下边我们分别以红宝石激光器和掺钕离子激光器为例，简介 其工作原理。 氙灯 晶体 电源 固体激光器的结构大体一致，如下图所示。 图 3.5 图 3.6 脉冲激光器输出的尖峰结构 图2.1-2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化 固体激光器的优点是输 出功率大，体积小，坚 固，贮存能量的能力较 强，适合实现Q开关、 锁模等技术。下边我们 分别以红宝石激光器和 掺钕离子激光器为例， 简介其工作原理。 一、调的基本原理 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒 子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级 的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒 子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率 不能提高的原因。 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那 么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激 光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器 的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的 反转粒子数便可积累得很多。 Q值称为品质因数，它定义为: Q=20 (腔内存储的能量 / 每秒损耗的能量） 当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累 在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间 内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。 改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。 从“激光原理”得知，激光器振荡的阈值条件可表示为 式中，g 是模式数目，A21自发辐射几率，c是光子在腔内的寿命， (2.1-1) 而 Q值称为品质因数，它定义为: Q=20 (腔内存储的能量 / 每秒损耗的能量） c是腔内能量衰减到初始能量的1/e所经历的时间 所以 （2.1-2) 0为激光 的中心频率。用W表示腔内存储的能量,表示光在腔内传 播单次能量的损耗率, 那么光在一个单程中的能量损耗为W。设L 为谐振腔腔长，n为介质折射率，c为光速，则光在腔内走一单程 所需的时间为nL/c。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为： 式中，0为真空中激光中心波长。可见，当0和L一定时，Q值与 谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振 腔的Q值(或损耗)来实现。 这样，Q值可表示为 （2.1-3) 调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值(损耗)随时间按一定程 序变化的技术。 调Q激光脉冲的建立 过程，各参量随时间的 变化情况，如图3.7所示 。 图(a)表示泵浦速率Wp随 时间的变化； 图(b)表示腔的Q值是时 间的阶跃函数(蓝虚线)； 图(c)表示粒子反转数n 的变化； 图(d)表示腔内光子数 随时间的变化。 图2.1-3 Q开关激光脉冲建立过程 ni nt Q 图 3. 7 在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很 高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻， 粒子数反转达到最大值ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下 降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此ni nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质 存储的能量在极短的时间 nt 内转变为受激辐射场的 能量，结果产生了一个 峰值功率很高的窄脉冲 。 return14 调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0 振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数增长十分缓 慢，如图2.1-4所示，其值始终很小(i)，受激辐射几率很小，此 时仍是自发辐射占优势。 tf i D 图2.1-4 从开始振荡到脉冲形成的过程 只有振荡持续到ttD时，增长到了D ，雪崩过程才形成， 才迅速增大，受 激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。 图 3.8 因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延 迟时间t (也就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长， 使ni迅速减少，到t=tp时刻， ni= nt，光子数达到最大值m 之后，由n nt ，则 迅速减少，此时n = nf 见图2.1- 3(c) ，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲 的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(ni= nt)的时 刻。 i D 综上所述，谐振腔的Q值与损耗成反比，如果按照一定的 规律改变谐振腔的值，就可以使Q值发生相应的变化。谐振腔 的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么， 我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的 调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染料 调Q技术等。 利用某些晶体的电光效应可以做成电光Q开关器件。电光调Q 具有开关时间短，效率高，调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽 度窄，峰值功率高等优点。 电光调Q 超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及 激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的 重要手段。超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、 同步泵浦锁模、碰撞锁摸(CPM)，以及90年代出现的加成脉冲 锁模(APM)或耦合腔锁模(CCM)、自锁模等阶段。自60年代实 现激光锁模以来，锁模光脉冲宽度为皮秒(10-12s)量级，70年代 ，脉冲宽度达到亚皮秒(10-13s)量级，到80年代则出现了一次飞 跃，采用光脉冲压缩技术后，获得了6fs的光脉冲。90年代自锁 模技术的出现，在掺钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超 短光脉冲序列。 3.3 超短脉冲技术 所谓模，就是在腔内获得振荡的几种波长稍微不同的波型。 纵模，也叫轴模。 在两反射镜间沿轴进行的光束，由于腔长L与光波波长的比是 一个很大的数目，所以必然有数不清不同波长的光波，能符合加 强反射的条件， 2nL= k, 即 2nL= k11 = k22 = k33 = ki（正整数）是纵模模数。 例如：L=800nm, n=1, 则 k=1时, 对应1=1600nm; k=2, 2=800nm; k=3, 3=533nm 1=1.8751014 , 2=3.751014 , 3=5.6251014 注意：=c/2nL; 32= 21= 1.8751014 8001000600 荧光光谱 横模？ 横模易观察，但其产生的原因复杂：1、偏离轴向 的光束的干涉，2、工作物质的色散，3、散射效应及腔内 光束的衍射效应等，都对横模有影响。下面只对情况1做简 单地分析。除了严格平行光轴的光束(名基模TEM00 ）以外 ，总有一些偏离光轴而走Z字形的光束。虽然经多次反射也 未偏出腔外，仍能符合2nLcos =k的条件；因而，在某一 方向存在着加强干涉的波长。设z代表腔轴方向，垂直z的 截面为xy平面。该截面内所产生的部分横模如图，标记 TEMmn 中的TEM代表电磁横波，下标m代表x方向的波节数 ，n代表y方向的波节数。 图3.9 不同横模的光场强度 下面将讨论超短脉冲激光器的原理、特点、实现的方法，几 种典型的锁模激光器及有关的超短脉冲技术，如超短脉冲脉宽的 测量方法、超短脉冲的压缩技术等。 为了更好地理解锁模的原理，先讨论未经锁摸的多纵模自由 运转激光器的输出特性。腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为 （3.1-1) 一、多模激光器的输出特性 自由运转激光器的输出 一般包含若干个超过阀值的 纵模，如图3.10所示。这些 模的振幅及相位都不固定， 激光输出随时间的变化是它 们无规则叠加的结果，是一 种时间平均的统计值。 假设在激光工作物质的 净增益线宽内包含有N个纵 模，那么激光器输出的光波 电场是N个纵模电场的和， 即 N=11 荧光光谱 图 3.10 假如各个模的振幅及相位都固定，也可推得输出脉冲的峰值功率 正比于 ，因此，由于锁模，峰值功率增大了N倍。 可以推得总光强： 该式说明了平均光强是各个纵模光强之和,每 个脉冲的宽度 约为： 每个脉冲的宽度 , 可见增益线宽愈宽，愈可能得到 窄的锁模脉冲。 先看三个不同频率光波的叠加：Ei = E0cos(2 i t+ i ) i=1,2,3 设三个振动频率分别为1 、 2 、 3 的三个光波沿同一方向传播， 且有关系式： 3=31， 2= 21 , E1 = E 2 =E3 = E0 若相位未锁定，则此三个不 同频率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关，如左图 ，由于破坏性的干涉叠加， 所形成的光波并没有一个地 方有很突出的加强。输出的 光强只在平均光强3 E02 /2级 基础上有一个小的起伏扰动 。 3 E02 /2 二、锁模的基本原理 注意 (3.1-6)式 3 E02 /2 但若设法使 1 = 2 = 3 =0时，有 E1 = E0cos(21 t) E2 = E0cos(41 t) E3 = E0cos(61 t) 当 t=0 时, E = 3E0, E2 = 9E02; t = 1/(31)时, E1 = E0cos(2/3) = -E0/2， E2 = E0cos(4/3) = -E0/2, E3 = E0cos(2) = E0 , 三波叠加的结果是： E = E1 + E 2 + E3 = 0; 同理可得，t=2/(31 )时，E = 0； t = 1/1时，E = 3E0 。这样就会出现一系列周期性的脉冲，见 下图。 当各光波振幅同时达到最大值处时，由于“建设性”的干涉 作用，就周期性地出现了极大值（ I = E2 = 9E02 ）。当然, 对于谐振 腔内存在多个纵模的情况，同样有类似的结果。 要获得窄脉宽、高峰 值功率的光脉冲，只有采 用锁模的方法，就是使各 纵模相邻频率间隔相等并 固定为 ，而且相 邻纵模的初位相差为常量 。这一点在单横模的激光 器中是能够实现的。 3 E02 /2 -5 -101 5 N=5, 2N+1=11 式中，q为腔内振荡纵模的序数 。 (3.1-7) 下面分析激光输出与相位锁定的关系，为运算方便，设多 模激光器的所有振荡模均具有相等的振幅E0，超过阈值的纵模 共有2N十1个，处在介质增益曲线中心的模，其角频率为0， 初相位为0，其模序数q=0，即以中心模作为参考，各相邻模的 相位差为，模频率间隔为 ，假定第q个振荡模为 这里不推导具体表达式。图3.16给出了7个振荡模的输出光强曲线。 图 3 . 16 多模(0+qq )激光器相位锁定的结果，实现了q+1 - q=常 数，导致输出一个峰值功率高，脉冲宽度窄的序列冲。因此多纵 模激光器锁模后，各振荡模发生功率耦合而不再独立。每个模的 功率应看成是所有振荡模提供的。# 1.主动锁模： 主动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量 的方法。主动锁模是在激光腔内插入一个调制器，调制 器的调制频率应精确地等于纵模间隔，这样可以得到重 复频率为fc/2L的锁模脉冲序列。 三、锁模的方法 2.被动锁模：产生超短脉冲的另一种有效的方法是被动 锁模。在激光谐振腔中插入可饱和吸收染料来调节腔内 的损耗当满足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉 冲。 4. 同步泵浦锁模 如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实现锁模 ，则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一 台激光器来获得。这种方式就是同步泵浦锁模。 3.自锁模：当激活介质本身的非线性效应能够保持各个 振荡纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系， 不需要在谐振腔内插入任何调制元件，就可以实现纵模 锁定的方法。 一、 概 述 利用己介绍的调Q或锁模技术，可以获得极高的峰值功率(109 1012w)。其峰值功率之所以大得惊人，是由于把能量压缩在极 短暂的时间内释放出来的缘故。但是这种高峰值功率激光器实际 上所输出的能量往往不一定很大。因此，为了获得性能优良的高 能量激光，应用激光放大技术则是一种最佳方法。 3.4 激光放大技术 二、激光放大器的类型 外注入放大（再生放大 / 注入锁定） 自注入放大（腔内剪切，予激光锁定，予激光选单纵模 2. 注入放大 单程行波放大 多程行波放大 1. 行波放大* 采用行波放大技术有如下优点：其一， 由于激光束一次通过放大介质，因此介质的 破坏阈值可以大大提高；其二，当需要大能 量激光时，可根据需要采用多级行波放大； 其三，振荡器放大器系统，可由振荡器决 定其脉冲宽度、谱线宽度和光束发散角等， 而由放大器决定其脉冲的能量和功率，所以 二者结合起来，既可以得到较优良的激光特 性，又能够大大提高其输出激光的亮度。 激光放大器与激光(振荡)器基于同一物理过程(受激辐射的光 放大)，其主要区别是激光放大器(行波)没有谐振腔。 激光放大器要求工作物质具有足够的反转粒子数，以保证光 脉冲信号通过它时得到的增益大于介质内部各种损耗。 另外，为了得到共振放大，要求放大介质有与输入信号相匹 配的能级结构。 图 3.17 为激光 器与放大器串接工 作的示意图。当第 一级输出的激光进 入放大器时，放大 器的激活介质应恰 好被激励而处于最 大粒子数反转状态 ，即产生共振跃迁 而得到放大。 行波放大器 图 3.17 3.5 模式选择技术 要求激光方向性或单色性很好。要求对激光谐振 腔的模式进行选择。模式选择技术可分为两大类: 一 类是横模选择技术; 另一类是纵模选择技术。 从激光原理可知, 所谓横模, 就是指在谐振腔的 横截面内激光光场的分布。横模阶数越高, 光强分布 就越复杂且分布范围越大, 因而其光束发散角越大。 反之，基模 (TEM00) 的光强分布图案呈圆形且分布范 围很小, 其光束发散角最小, 功率密度最大，因此亮 度也最高，径向强度分布是均匀的。横模选择技术是 使激光发散角小。不同横模的衍射损耗不同，是选择 横模的基础。 横模选择方法可分为两类：一类是改变谐振腔的结构和 参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选 模性能；另一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元 件来提高选模性能。气体激光器采用前类方法，固体激 光器采用后类方法。 图3.18 采用小孔光阑作为选模元件 如: n为折射率，L为腔长, 因 所以 取微分后 = c/2nL 纵模选择技术则是单频激光运转的必要手段。 所谓纵模, 就是指沿谐振腔轴线方向上的激光光场分 布。对于一般腔长的激光器, 往往同时产生几个甚至几百 个纵模振荡; 纵模个数取决于激光的增益曲线宽度及相邻 两个纵模的频率间隔。 下面主要讲述纵模（单色激光）选择的原理。 激光器的振荡频率范围是由工作物质的增益谱线 的宽度决定的，而产生多纵模振荡数则是由增益线宽 和谐振腔两相邻纵模的频率间隔决定的，即在增益线 宽内，只要有几个纵模同时达到振荡阈值，一般都能 形成振荡。如以0表 示增益曲线高于阈值部 分的宽度，相邻纵模的 频率间隔为q，则可 能同时振荡的纵模数 一.纵模选择原理 q 0 图3.18 激光振荡的纵模数 对于一般稳定腔来说，由衍射理论可知，不同的横模(TEMmm)具 有不同的谐振频率数,故参与振荡的横模数越多，总的振荡频谱 结构就越复杂；当腔内只存在单横模(TEM00)振荡时, 其振荡频 谱结构才较简单，为一系列分立的振荡频率，其间隔为=c/2nL 。 纵模选择的基本思想：激光器中某一个纵模能否起振和维持振荡 主要取决于这一个纵模的增益与损耗值的相对大小。对于同一个 横模的不同纵模而言，其损耗是相同的，但是不同纵模间却存在 着增益差异，因此，利用不同纵模之间的增益差异，在腔内引入 一定的选择性损耗，使欲选的纵模损耗最小，而其余纵模的附加 损耗较大，只有中心频率附近的少数增益大的纵模建立起振荡。 最终形成并得到放大的是增益最大的中心频率所对应的单纵模。 如果激光工作物质具有发射多条不同波长的激光谱线 ，那么，在纵模选择之前，必须将频率进行粗选, 将 不需要的谱线抑制掉。例如, He-Ne激光器，可发射 623.8 nm，1.15 m = 1150 nm，3.39 m = 3390 nm三 条谱线。 二.纵模选择的方法, (色散腔粗选频率、短腔法、标准具法、复合腔法等) 1.色散腔粗选频率 He-Ne laser: 632.8nm, 1.15 , 3.39 图3.19 He-Ne激光器所能产生的激光谱线 通常是利用腔镜反射膜的光谱特性(只对某个波段 反射率大)或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工 作物质发出的不同波长的光束在空间分离，然后设法， 仅使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡。 图3.20所示的是腔内插入色散棱镜的粗选装置图。谐振 腔所能选择振荡的最小波长范围由棱镜的角色散和腔内 振荡光束的发散角决定。 图3.20 色散棱镜的粗选装置图 另一种色散腔是用一个反射光栅代替谐振腔的一个 反射镜，如图3. 21所示。 设d为光栅栅距(光栅常数)，1为光线在光栅上的入射角 ，2为光线在光栅上的反射角，则形成光栅衍射主极大 值的条件是 图3.21 光栅色散腔粗选频率 式中，m1,2为衍射级次。 (5.3-4) 图3.21 光栅色散腔粗选频率 色散腔法虽然能从较宽范围的谱线中选出较窄的振 荡谱线，实现了单条荧光谱线的振荡；但这还只是较粗 略的选择， 在该条谱线的荧光线宽范围内，还存在着频 率间隔为 的一系列分立的振荡频率，即多个纵 模，如何进一步从单条谱线中选出单一的纵模，就要采 取如下的一些方法。 He-Ne laser: 632.8nm, 1.15 , 3.39 激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽 0和谐振腔的纵模间隔q决定。而纵模间隔 与 腔长成反比，因此选择单纵模的方法之一是缩短谐振腔 的长度, 以增大q，使得在0范围内只存在一个纵模 ，而其余的纵模都位于0之外，如图3.22所示, 此即所 谓短腔法选纵模。 .短腔法 如He-Ne激光器，当L=1m时 ，其纵模间隔 =150MHz (设n=1)。因0 = 1500 MHz,若要求单纵模振荡 就要求L=0.