2015激光原理与技术24

Information Science and Engineering Technology 第6章 激光调Q技术 改善激光器输出性能的单元技术，产生巨脉冲 满足人类对 高峰值功率、窄脉宽激光脉冲需求 脉宽：钠秒量级；峰值功率：兆瓦以上。 推动了激光雷达、激光测距、高速摄影、核聚 变等应用技术的发展。 Information Science and Engineering Technology 在连续波工作模式，激光工作在阈值附近；即使在脉 冲工作状态，激光的粒子数反转也仅仅稍高于阈值， 不适合高能量输出。 采用Q开关技术的理由： 激光器输出的驰豫振荡，每个尖 峰脉冲0.11ns，间隔为510us Information Science and Engineering Technology Q开关技术主要用于光泵浦的固体激光器，染料和气 体的自发辐射寿命太短，不适合储存大能量。 Q开关技术的适用条件： Q开关的概念 Q值量度谐振腔的品质，高Q值的谐振腔损耗 小。所谓的Q开关激光器，是指激光器的谐 振腔能够在高品质与低品质间 自由切换。 c c Information Science and Engineering Technology 6.1 激光谐振腔的品质因数Q d dt 2Q 2 谐振腔内储存的能量 每秒损耗的能量 dn(t) dt hvV d dt nhvV t R n(t) n0e Q 2R 2 Q c 2L L c 激光的单模线宽 1 2 R 连续 波激光器： 6.2、调Q激光器工作原理 Q 开 关 激 光 器 Information Science and Engineering Technology 动力学过程简图 调Q脉冲形成过程 连续泵 浦高重复率调Q过程 Information Science and Engineering Technology Information Science and Engineering Technology 从激光开始振荡到巨脉冲形成的过程 Information Science and Engineering Technology 慢Q开关可能出现多脉冲 Information Science and Engineering Technology 通常考虑的是开关打开以后(tt1)的情况, 并且假设在tt1 后泵浦就停止. Information Science and Engineering Technology R(t) d dt (n2 n1)c 6.3 调Q激光器基本理论 调Q激光巨脉冲脉宽在纳秒量级,在脉冲形成、输出过程中 激光下能级粒子通常难以完全排空.一般采用三能级系统速 率方程分析. dn2 dt dn1 dt (n2 n1)c (n2 n1)c nc dn dt 1 t 21 0 21 Information Science and Engineering Technology t t t 1 WP 0 n nt ni nt f i D m t1tDtm t f nt nt Information Science and Engineering Technology . 0 21 s 泵浦超阈度,nt 1、0tt1 时, (t) 1 ,腔损耗很大,Q开关关闭 . 对应粒子反转数积累阶段. 泵浦开始后，上能级n2 0, 0, dn dt d dt 继续 抽运，由自发辐 射而增加. 当抽运使得n足够大时， n ni,t t1,将Q开关打开， 初始粒子反转数密度ni snt , 2、 t1 ttD 时 Q开关打开。 假设在tt1后泵浦就停止（瞬时泵浦），并且忽略Q开关 打开后自发辐射的影响。 激光振荡立即建立， 单调增长，开始一段， dn dt 几乎维持n ni Information Science and Engineering Technology 0, 0, d dt i 0, (t) 0 ，腔损耗突然降低 D,足够大， dn 雪崩式跃迁 迅速增大， Information Science and Engineering Technology , d dt 1 R 3、 经历 一段时间 后到t D , t D tt m 时, 足够大， dt d dt 0,达到极大值m. cn n迅速减小，当n减小到使得： 0, 0 21 1 21c R n nt 很大， 4、当t m tt f 时, 也很大， d dt dn dt 即n还以较快的速度减少， 直至：n nf , f。 Information Science and Engineering Technology ( 0,开始减少， n nt), Information Science and Engineering Technology 结论 : TD tD ti,巨脉冲生成延迟时间 ，取决于ni,L,0. 1、i D要经历 一定的时间过 程，ti tD, 2、在m之前，巨脉冲前沿时间 ： Tm tm tD,取决于ni,L。 3、后沿时间Tf t f tm,取决于0,L. 4、调Q巨脉冲前后沿不对称，前沿比后沿陡。 2*cn, (cn ) 2*1 dn n nt R d n R 0 1 21 21c R Information Science and Engineering Technology 6.4 理想阶跃 开关下调Q激光巨脉冲的 峰值 功率Pm、脉冲能量E和脉冲宽度t g2 g1 dt R dn dt d 1 ) dt L 0c (nt , R 2* (1) ( 1) (2) dt nt 1 nt 2* n Information Science and Engineering Technology (1),(2)/(1) d dn 1 2* n ni (nt ln(nni),i 0 i 1、当n nt, m,峰值光子数， . 1 2* 1 2* ni nt (nt ni) nt ni (nt ln s nt(s 1ln s), m Information Science and Engineering Technology 超越方程，图示如下： nf ni nt ni nf ni ln1 ) nf ni， nt ln( nf ni hvmST 1 2 峰值功率：Pm 2、巨脉冲能量 n nf , f 0, Information Science and Engineering Technology s ni nt nf ni 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 12345 Information Science and Engineering Technology 被利用到巨脉冲激光中去的剩余的部分能量。 参量，标志着存储在工作物质中但没有能 nf ni 1 2* hni,在单位体积工作物质中存储的能量为：Ei 1 2* h(ni nf )VE腔内 Ei -Ef 巨脉冲激光所利用到那部分能量（腔内）为： ) 1 2* Eout t 0 (ni nf )hVout,(out 1 2* hnf,在单位体积工作物质中剩余的能量为：Ef 激光巨脉冲的能量（腔外）为： （ 1 Information Science and Engineering Technology ,达最高值） 1 2* 1 2* 1 2* ) nf ni Eout （能量利用率 nihVout, 两种极端情况： （ 1 ）、近阈值泵 浦，s 1, nf ni nt, 巨脉冲激光总能量（腔外）为： 1 Eout 2* （2）、强泵浦，s 4,nf /ni 0，nf 0, 巨脉冲激光总能量（腔外）为： nt(s 1lns) hVat (ni nf )hVaout,(out 1 t 0 (ni n f )hVa Eout 2* 0 hVa t (s 1 ln s) 3、巨脉冲宽度t, ) 2*L 2* Pm 2*L 1 t P m Eout t 1 (1 n f ni 2* Rs (s 1 ln s)1 Information Science and Engineering Technology ) Rs(s 1 ln s )1 s(s 1 ln s)1 (ni n f ) Rni (s 1 ln s )1 (ni n f )L 0nt 3、巨脉冲宽度t, Information Science and Engineering Technology Eout Eout Pm P m t m D R(1s)lnlns) ), m D Tf R ln( (B )巨脉冲宽度t的近似表示. 前沿时间:Tm tm -tD,强泵浦s 1，可由速率方程近似得： Tm ), 后沿时间:Tf tf -tm,强泵浦s 1，可由速率方程近似得： 1 2 m D Information Science and Engineering Technology 1 2s (Tm Tf) t 巨脉冲宽度: Tm Tf ) 1,脉冲前沿比后沿陡。 lns ln 1 s (1 Information Science and Engineering Technology 6. 5 各种常见Q开关 常用的调Q方法有转镜调 Q、电光调Q 、声 光调Q与饱和吸收调Q等。 前三种方法中谐振腔损耗由外部驱动 源控 制制,称为主动调 Q。后一种方法中,谐振腔 损耗取决于腔内激光光强,因此称为被动调 Q。转镜调 Q是最早发展的一种调Q方法,但 目前已很少使用。 根据贮能方式分为工作物质贮 能调Q和谐振 腔贮能调Q，后者又叫腔倒空调Q Information Science and Engineering Technology 1）. 机械Q开关 （Mechanical Q Switches） 例：转镜 式Q开关 Information Science and Engineering Technology 转镜调 Q技术 Information Science and Engineering Technology 2）声光Q开关 （Acousto-Optic Q Switches） 声光调制器是由一块透明光学材料，并在其上连接 一个压电传 感器超声波发射装置。传感器的对面切 割成一定的角度，并在表面放置一个超声吸收体， 抑制反射波。 介质的声弹效应引起折射率的周期变化，使介质相 当于一块相位光栅。（行波相位光栅）它的作用是 衍射一部分入射光，使其偏离原来的传输 方向。这 种衍射效应使谐振腔引入附加损耗。 Information Science and Engineering Technology 在超声发生器的电压 足够高时，这种衍射效应足 以抑制激光振荡；关闭超声发生器，则谐 振腔切 换到高Q值状态。 图：装有声光调 制器的激光器 Information Science and Engineering Technology 3）. 电光Q开关 （Electro-Optic Q Switches） 电光Q开关主要利用电光效应，通常是Pockels 效应，这种调制器通常称为Pockels盒。包括一 块非线性晶体，并由直流电压调 制晶体的折射率。 考虑一束激光传输 到由一块偏振片和一个Pockels 盒组成的Q开关装置，如图： Information Science and Engineering Technology 入射光束的偏振方向是在xy平面内成45度角。光 电场 可以分解成Ex和Ey分量。它们初始同相位， 通过Pockels盒后，两分量的相位差为： knL 这里：k 2 /,n nx ny,L 是晶体长度。 Information Science and Engineering Technology 为圆 偏振光，经过谐 振腔反射再次通过该 晶体后， 变为线 偏振光，只是偏振方向与原来垂直，因此 不能通过偏振片。这种情况相当于Q开关关闭， 腔内损耗大。 当给晶体加上适当的电压 ，使 2 2 ，光波变 又引入一个 2 的相位差，这样圆 偏振光又 Information Science and Engineering Technology Information Science and Engineering Technology Information Science and Engineering Technology 4）. 被动Q开关可饱和吸收体Q开关 （Saturable Absorber Q Switches） Information Science and Engineering Technology 第7章 激光锁模技术 目的: 压缩脉冲宽度,提高高峰值功率 Q开关激光器：脉宽10-8s-10-9s量级,再想压缩无能为力 锁模技术（1964）：脉冲宽度10-1110-14s（psfs）量级。 应用： 激光测距：为了提高精度, 脉宽越窄越好 激光高速摄影：拍照高速运动的物体,提高清晰度,要压缩脉 宽. 对一些超快过程的研究、激光核聚变、激光光谱荧光寿命的 测定、非线性光学的研究等需窄的脉宽). Information Science and Engineering Technology Information Science and Engineering Technology 利用多纵模输出的激光束，经过 特殊的调制 技术，使其各个纵模之间有确定的位相关系 ，使它们可以相互叠加，叠加之后，形成等 时间间 隔的光脉冲序列。 锁模技术概念 Eq(t) Eqe E (t) Eqe 7.1 锁模原理 一、多模激光器的输出特性 自由运转激光器的输出一 般包含若干个超过阈值 的纵模， 如图所示。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，每个纵模输出的电场分 量可用下式表示: i(qtq) 那么激光器输出的光波电场 是N个纵模电场的和，即 i(qtq) q Information Science and Engineering Technology Eq(t) Eqe i(qtq) E (t) Eqe i(qtq) 无关。 q Eq、q、q为第q个模式的振幅、角频率及初位相。各个模式 的振幅Eq、初位q均无确定关系,各个模式互不相干,因而激光 输出是它们的无规叠加的结果,输出强度随时间无规则起伏。 假设有三个光波，频率分别为v1 v2 和 v3，沿相同方向传播， 并且有如下关系：v2 2v1, v3 3v1 ，在未锁定时，初相彼此 v1 v2 v3 E1 E2 E3 E0 由于“破坏性”的干涉叠加， 形成的光波没有一个地方有突 出的加强，输出的光强只在平 均光强级基础上有一个小的起 伏扰动。 Information Science and Engineering Technology 如果设法使三个光波在某时刻有固定的相位关系，例如 1 =2 =3，即按关系 q1 q 0 锁定， 此时三个光波 的方程为 E1 E0 cos(2v1t) E2 E0 cos(2v2t) E3 E0 cos(2v3t) v3v1 v2 当t=0时 E E1E2 E3 3E0 E2 9E0 2 E E1 E2 E3 0 由于“建设性”的干涉 叠加，形成的光波就周 期性地出现极大值。 Information Science and Engineering Technology 当时 1 3v1 t Information Science and Engineering Technology 图2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构, (a) 非锁模,（b)理想锁模 二、锁模的基本原理 锁模技术让谐 振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的频率间 隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间 上有规 则的等间隔的短脉冲序列。 1.定义处于增益曲线中心频率的纵模 q0，因此在腔内参与振荡 c L q q1 c 2L 的模式个数共2N1个 q 2c 2L q q 0 qq 0 q 常数 它们的初位相始终相等,并有q=q-1=0。 Iq = Iq-1 = I0 2. 假设各模振幅相等 Eq E0,光强相等 则激光器输出的总光波场是2N1个纵模相干的结果. Information Science and Engineering Technology Eq(t) Eqe E(t) E0(eiqt)ei0t E(t) E0(eiqt)ei0t E0 sin (2N 1)t e 0 sin (t) sin (2N 1) sin2 Information Science and Engineering Technology 则第q个模式的电场强度为 i(qtq ) N N Eq=E0, q=q-1=0 N N 按指数形式展开，再用三角函数可得： 1 2 i t 1 2 N N 振幅随时 间而变化 输出光强 I(t) E0 2 2 t 2 t 2 光强随时 间而变化 E(t) E0(eiqt)ei0t E0 sin (2N 1)t e 0 A(t)e 0 sin (t) 下图为(2N+1)=7时I(t)随时间变 化的示意图。 T 由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的变化规律，即可了解输 出激光的持性。找出它的周期、极值点、0点。 Information Science and Engineering Technology 1 2 i t i t 1 2 N N sin (2N 1)t sin (t) sin (2N 1)t 0 t=0 , , , 2L 是 A(t)的0 点. sin t 0 , , 1 2 1 2 A(t) E0 1.当分子为0，分母不为0 ，则是 A(t)的0 点: 1 2 1 2 m 0,2,3(2N 1)t m, c L 所以 1 2L 2 2L 2N 1 c 2N 1 c c 2. 分母为0 的 点: 1 2 1 2 m 0,2,3t m, 2L 4L 2Ln c c c t 0, 3.因A(t)的分子、分母同时为零，利用罗彼塔法则可求得此时 A(t)的最大值 Information Science and Engineering Technology 三、讨论 A(t)的变化规律： sin (2N 1)t sin (t) 1 2 1 2 A(t)max (2N 1)E0 t lim E0 m 2 Amax (2N 1)E0 I(t) A(t)2 E0 2(2N 1)2 1.输出脉冲的峰值(最大光强) 注意：如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为 各模功率之和,即I(2N+1)E02。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比 未锁模时提高了(2N+1)倍。腔长越长,荧光线宽 越大,则腔内振荡的 纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率就越大。 2L 激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则 脉冲序列。 2L/c 光在腔内往返一次的时间 ,等于在腔内只有一个脉冲在振 荡锁模的特点。一个脉冲中包含锁定的纵模数。 Information Science and Engineering Technology 图4-30 锁模光强脉冲 (2N+1=9) t=0和t=2L/c时的极大值，称为主脉冲。 在两个相邻主脉冲之间，共有2N个零点。 所以锁模振荡也可以理解为只有一个光 脉冲在腔内来回传播。 3.脉冲的宽度 () 按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度，在这里可以近似用 极大值和0点之间的时间来表示。 T 2N 1 1 2L 2N 1 c t1 所以 t=0 为极大值 , 第一个0点: t 1 2L 2N 1 c 1 v 在调Q激光器中输出脉宽最窄的是透射式Q开关激光器，输出 1 2L 2N 1 c 2N1倍。被锁定的纵模数越多(2N1) Information Science and Engineering Technology 2 T (2N 1) 2N 1 1 脉冲的半功率点的时间间 隔近似地等于,因而可以认为脉冲宽度 等于。上式中v为锁模激光的带宽,它显然不可能超过工作物质 的增益带宽,这就给锁模激光脉冲带来一定的限制。气体激光器谱 线宽度较小,其锁模脉冲宽度约为纳 秒量级。固体激光器谱线宽 度 较大,在适当的条件下可得到脉冲宽度为10-12s量级的皮秒脉冲。 特别是钕玻璃激光器的振荡谱宽 达2535nm,其锁模脉冲宽度可达 10-13s。 Information Science and Engineering Technology 2 主动锁模 在一般激光器中,各纵模振荡互不相关,各纵模相位没有确定的 关系。并且,由于频率牵引和频率推斥效应,相邻纵模的频率间隔并 不严格相等。因此为了得到锁模超短脉冲,须采取措施强制各纵模 初位相保持确定关系,并使相邻模频率间隔相等。目前采用的锁模 方法可分为主动锁模与被动锁模两类。 一、主动锁模 主动锁模又可分为振幅调制锁模和相位调制锁模。 1. 损耗内调制锁模 如图(4-31)所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。 (恰为纵模频率设调制周期为Tm 2 2L c ，调制频率m c 2L 间隔) 由于损耗调制的周期正好是脉冲在 腔内往返一次所需的时间T0,因而调制 图(4-31) 锁模调制示意图 Information Science and Engineering Technology 设光信号在t1时刻通过调制器,并且(t1)=0,则在(t1+T0)时刻此 信号将再次无损地通过调制器。对于t2时刻通过调制器的光信号而 言,若(t2)0,则每次经过调 制器时都要损失一部分能量。这就意味 着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那部分光信号能形成振荡, 而光信号的其余部分因损耗大而被抑制,因此形成周期为2L/c的窄 脉冲输出。 从模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。 上图中损耗调制器M为一电光调制器或声光调制器,加以适当 的调制电压,使腔的损耗发生角频率为的周期性变化(=2vm)。 由于损耗的改变,每个模式的振幅也发生周期性变化。如果激光器 中增益曲线中心频率处的纵模首先振 0 荡,其电场强度为 Information Science and Engineering Technology E(t) (E0 Em cos2mt)cos20t E0(1M cos2mt)cos20t 式中M=Em/E0 称调幅系数,它的大小决定于调制信号的大小。将 上式展开得 M 2 M 2 cos2(0 m)tcos2(0 m)t E0E(t) E0cos20t E0 可见,调制的结果使中心纵模振荡不仅包 含原有角频率v0的成分,还含有角频率为 (v0vm),初位相不变的两个边带,其频谱如下 图所示。因调制频率vm正好等于相邻两纵模 模频率。这就是说,在激光器中,一旦在增益曲 线的某个角频率v0 形成振荡,将同时激起两个 相邻模式的振荡。并且,这两个相邻模幅度调 制的结果又将产生新的边频,因而激起角频率 为(v02vm)模式的振荡,如此继续下去,直至线 宽范围内的纵模均被耦合而产生振荡为止。 Information Science and Engineering Technology 图(4-32) 中心频v0vm率及两边频 Information Science and Engineering Technology 2. 相位内调制锁模 如果在谐振腔中插入一个电光位相调制器，也可达到锁模的 目的。设光振幅不变，位相以频率m 变化，即 E(t) E0cos(20t sin2mt) E(t) E0J0()cos20t J1()cos2(0 m)tJ1()cos2(0 m)t J2()cos2(0 2m)t J2()cos2(0 2m)t J3()cos2(0 3m)t J3()cos2(0 3m)t J4()cos2(0 4m)t J4()cos2(0 4m)t 位相调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁 模。 Information Science and Engineering Technology 3被动锁模 被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸收染料 的“盒”即可 染料必须具备以下几个条件：第一，染料的吸收线应和激光波 长很接近；第二，吸收线的线宽要大于或等于激光线宽；第三， 其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次的时间，否则就成为被动 调Q激光器了。 Information Science and Engineering Technology 6.5.1 锁模原理 1. 非均匀增宽激光器中某一纵模电矢量大小可写成 i(qtq) ，各纵模为非相干叠加。则总的输出为 E(t) Eqe i(qtq) q 2. 锁模技术让谐 振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的 频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输 出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。 3.设腔内有q-N，-(N-1)，0，(N-1)，N 共(2N+1) 个模式，又设相邻模式的圆频率之差 c L，则q 0 q N N Information Science and Engineering Technology i0t N eiqt E(t) Eq e sin (2N 1)(t) E0e sin (t) 4. 如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0， 则 N i0t 1 2 1 2 2 t 2 t 2 当 2 m 时，m=0，1，2，光强最大 2 t 2 0 m 2 2 Information Science and Engineering Technology 下图是2N+19个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。 相邻脉冲峰值间的时间间 隔 2L c T 2 图6-30 锁模光强脉冲 脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时 间间隔 1 1 2N 1 q 2 (2N 1)2q 2 (2N 1) 调Q脉冲：最短为：C/2L 锁模：(C/2L)*(1/(2N+1) Information Science and Engineering Technology Information Science and Engineering Technology 综上所述,由于各纵模的相位锁定,锁模激光器可以输出一周 期T。=2L/c的光脉冲序列。峰值功率较未锁定时大(2N+1) 倍,一般峰值功率达到几千兆瓦是不困难的。光脉冲的宽度 =1/远远小于调Q脉冲所能达到的宽度。 在一般激光器中,各纵模振荡互不相关,各纵模相位没有确 定的关系。并且,由于频率牵引和频率推斥效应,相邻纵模 的频率间隔并不严格相等。因此为了得到锁模超短脉冲,须 采取措施强制各纵模初位相保持确定关系,并使相邻模频率 间隔相等。目前采用的锁模方法可分为主动锁模与被动锁 模两类。 图(6-31) 锁模调制示意图 6.5.2 锁模方法 一、主动锁 模 1. 损耗内调制锁模 如图(6-31)所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调 制器。设调制周期为Tm 2 2L c，调制频率 m c 2L (恰为纵模频率间隔) 只有通过调制器时损耗为零的光， 才能不断地被放大而增长起来，如此 得到周期为T的窄脉冲输出，如图(6 30)所示。 从模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中 心频率0 处的模首先振荡，其调制后的电矢量为： E(t) (E0 Emcos2mt)cos20t E0(1M cos2mt)cos20t Information Science and Engineering Technology 图(6-32) 中心频率及两边频 M 2 M 2 cos2(0 m)tcos2(0 m)t E0E(t) E0cos20t E0 即在激光器中，一旦形成 0的振荡，将同时激起两个相 邻模式的振荡，如图（632） 。 2. 相位内调制锁模 如果在谐振腔中插入一个电光 位相调制器，也可达到锁模的目 的。设光振幅不变，位相以频率 m 变化，即 E(t) E0cos(20t sin2mt) E(t) E0J0()cos20t J1()cos2(0 m)t J1()cos2(0 m)t J2()cos2(0 2m)t J2()cos2(0 2m)t J3()cos2(0 3m)t J3()cos2(0 3m)t J4()cos2(0 4m)t J4()cos2(0 4m)t 位相调制后也能激起带宽内的所有单频光同步振荡，实现锁 模。 Information Science and Engineering Technology Information Science and Engineering Technology 二、被动锁模 被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸 收染料的“盒”即可 染料必须具备以下几个条件：第一，染料的吸收线应和 激光波长很接近；第二，吸收线的线宽要大于或等于激光 线宽；第三，其驰豫时间应 短于脉冲在腔内往返一次的时 间，否则就成为被动调Q激光器了。 Information Science and Engineering Technology 在谐振腔中插入一薄层饱和吸收体(如染料盒)可构成被 动锁模激光器。饱和吸收体的透过率与光强有关，在自发辐 射基础上发展起来的光信号不可避免地存在强度起伏。经过 饱和吸收体时,弱信号遭受较大的损耗,而强的尖峰信号却衰 减很小。如果吸收体的吸收高能级寿命2L/c, 强尖峰光脉冲和弱光信号经受着相同的增益和相差悬殊的损 耗,其结果是强光脉冲形成稳定振荡,而弱光信号衰减殆尽。 同时,在强尖峰光脉冲多次经过饱 和吸收体时,其前后沿又因 经受较大损耗而不断削弱,所以形成了周期T。=2L/c的超短 光脉冲序列。 Information Science and Engineering Technology 由以上分析可知,被动锁模过程自发完成,不需外加调制信 号,这种锁模方法虽然简单,但却很不稳定,锁模发生率仅为 60%70%。 Information Science and Engineering Technology 6.1 激光器输出的选模 图6-1 均匀增宽型谱线纵 模竞争 6.1.1 激光单纵 模的选取 1. 均匀增宽型谱线的纵模竞争 (1) 当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增益系数相 应下降，但光谱的线型并不改变。 (2) 多纵模的情况下，如图6-1所示，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振荡条件。 随着腔内光强逐步增强，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光强继续增长， 最后变为曲线3的情形。 (3)若此时的光强为Iq，则有G(q,Iq) G阈，于是振荡达 到稳定，使激光器的内部只剩下q纵模的振荡。这种现 象叫做“纵模的竞争”，竞争的结果总是最靠近谱线 中心频率的那个纵模被保持下来。 (4)在均匀增宽的稳定态激光器中，当激发比较强时， 也可能有比较弱的其他纵模出现，如何解释？这种现 象称为模的“空间竞争”。 Information Science and Engineering Technology Information Science and Engineering Technology 图(6-2) 法布里-珀罗标准具法示意图 2. 非均匀增宽型谱线的多纵模振荡 非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模。 3. 单纵模的选取 (1) 短腔法： 两相邻纵模间的频率差q c (2L)，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔 长，使q 的宽度大于增益曲线阈值 以上所对应的宽度 缺点：输出功率受限；一般情况下腔长不可能太短 。 (2) 法布里-珀罗标准具法： 如图6-2所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法 布里珀罗标准具 由于多光束干涉的结果，对于满足下列 条件的光具有极高的透射率 mc 2d 2 2sin2 能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为 c 2d 2 2sin2 m Information Science and Engineering Technology (3) 三反射镜法： 如图6-3所示，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和 M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当 于两个谐振腔的耦合 图6-3 三反射镜法 两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3) 只有同时满足上面两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要选取 L2+L3足够小就可以获得单纵模输出。 exp( ) ( 0 I I 2 1 0 exp( 2 ) ( I d I 2 ) d 2 1 1 2 0 I 2a exp( 2 ) ( 1 d I ) 2 a D exp 2 2 a 2 N N D 2 exp L Information Science and Engineering Technology 6.1.2 激光单横模的选取 1. 衍射损耗和菲涅耳数 (1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。 (2)如图6-4所示的球面共焦腔，镜面上的基横模高 斯光束光强分布可以表示为 ) 22 (3)单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率与射向镜面的总光功率之比 1 0 0 22 I0 2 1 2 (4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数”的参量，它 定义为 a2 1 L 图6-4 腔的衍射损耗 2. 衍射损耗曲线 图6-5给出了圆型镜共焦腔和圆型镜平行平面腔的衍射损耗菲涅尔数曲线。 3.光阑法选取单横模 (1) 基本做法是在谐振腔内插入一个适当大小的小孔 光阑。 4.聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模 (1)聚焦光阑法：如图6-6所示，在腔内插入一组透镜 组，使光束在腔内传播时尽量经历较 大的空间，以提 图6-5 不同腔的衍射损耗曲线 (2)腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图6-7所示。 图6-6 聚焦光阑法 图6-7 腔内望远镜法 Information Science and Engineering Technology Information Science and Engineering Technology 优点：充分利用激光物质；可通过调节 望远镜的离焦量得到热稳定 性很好的激光输出；输出光斑大小适当，不致损伤光学元件 Information Science and Engineering Technology 6.2 激光的稳频 c 2L 对共焦腔的TEM00模来说，谐振频率的公式可以简化为： q 当L的变化为L，的变化为时，引起的频率相对变化为： ) ( L L S 复现性是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量 R 6.2.1 影响频率稳定的因素 1. 腔长变 化的影响 (1) 温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架 (2) 机械振动：采取减震措施 2. 折射率变化的影响 (1)内腔激光器: 温度T、气压P、湿度h的变化很小，可以忽略 (2)外腔和半内腔激光器: 腔的一部分处于大气之中，温度T、气压P、湿度h的 变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于大气的部分，同时还要屏蔽通风以减 小T 、 P、 h的脉动。 Information Science and Engineering Technology Information Science and Engineering Technology 6.2.2 稳频 方法概述 1. 被动式稳频 利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值 的材料和 膨胀系数为正值的材料按一定长度配合 把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率 时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。 2.主动式稳频 (1) 把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率锁定到跃迁的 中心频率上，如兰姆凹陷法。 (2) 把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的吸收线作为参 考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激光频率相重合。如饱和吸收法。 图4-8 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构 号称为“搜索讯号” 图69 兰姆凹陷法稳频方框图 Information Science and Engineering Technology 6.2.3 兰姆凹陷法稳频 1. 兰姆凹陷的中心频率即为谱线 的中心频率0 ，在其附近频率的微小变化将会引 起输出功率的显著变化。这种稳频激光器的基本结构如图6-8所示 2.腔长自动补偿 系统的方框图如图6-9所示 压电陶瓷加一直流电压：使初始频率为0 压电陶瓷上还需加一频率为f(约为lkHz)、 幅度很小(只有零点几伏)的交流讯号，此讯 图4-10 稳频原理 3.图6-10为稳频 原理示意图。 假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引 起激光频率由0偏至A， P与 的位相正好相反 假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩短，引 起激光频率由0 偏至B， P与 的位相正好相同 在中心频率附近0 ，不论是小于0还是 大于0 ，其结果都是使输出功率P增加，而 且此时P将以频率2f变化 图(4-11) 不同同位素对兰姆凹陷的影响 4. 注意事项 第一、激光器的激励电源是稳压和稳流的。 第二、氖的不同同位素的原子谱线中心有 一定频差。 第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两 侧的斜率大小有关。 Information