华中科技大学激光工程第10讲-激光调制,调Q,激光技术-A-朱长虹-.ppt

主讲人 朱长虹 激光技术综述 主要内容 调制的基本概念 电光调制与声光调制 激光调Q技术 激光锁模技术 1调制的基本概念 激光调制的意义 调节 与 控制 激光 1调制的基本概念 在激光器以外的光路上放置调制器 M 当激光通过调制器时 会使光波的参量发生变化 外调制 在激光谐振腔内放置调制器 M 改变激光器的振荡参数 从而改变激光器的输出特性 内调制 外调制与内调制 1调制的基本概念 调制的基本方式 使光波的振幅 相位 光强随调制信号的变化而变化 1调制的基本概念 振幅调制 AM 时域调制波形以信号波为上下对称包络的波形 频域调制波形以信号波频率为间隔 左右对称两个边频 1调制的基本概念 相位调制 PM 时域调制波形为等振幅变周期振荡形式 1调制的基本概念 调制的基本方法 对激光进行调制 必须考虑通光介质中电偶极子振荡机制 利用折射率的变化 对激光进行调制 根据光与物质相互作用类型 主要表现为电场 声场对光的控制作用 相对应为电光调制 声光调制 电光调制器件 声光调制器件 2电光调制与声光调制 电光效应 电光效应就是电致折射率变化 体现为介质折射率椭球的形变 即主轴的方向与长度发生变化 2电光调制与声光调制 电光调制 晶体受到外加电场作用 其折射率发生改变 当偏振光通过时 其偏振特性发生改变 利用电光效应来调节控制光波称为电光调制 Electro opticcrystal V 2电光调制与声光调制 电光相位调制 PM V 偏振器 入射光 出射光 载波 相位调制波 2电光调制与声光调制 入射光电场偏振方向平行主轴 无检偏装置 光波偏振状态不发生改变 电光强度调制 IM V 起偏器 入射光 出射光 检偏器 2电光调制与声光调制 入射光电场矢量按主轴分解 出射光波按分量相位差合成 经过检偏器后光强发生改变 电光调制晶体的性质 非中心对称晶系 吸收和散射损耗小 晶体折射率均匀 物理化学性能稳定 激光损伤阈值高 2电光调制与声光调制 常用的电光调制晶体有 KDP DKDP RTP LN等 2电光调制与声光调制 声光效应 介质中声波和光波相互作用 折射率呈空间周期性变化 声波波阵面对光波呈现部分 反射 和 透射 2电光调制与声光调制 W L Bragg 布拉格 Bragg 衍射 声波频率较高 声光作用长度较大 且光束与声波波面之间以一定的角度斜入射时 光波在介质中要穿过多个声波面 有 体光栅 的性质 布拉格衍射只出现0级和1级衍射光 合理选择参数 可以使入射光能量全部转移到1级衍射上 衍射光 非衍射光 入射光 2电光调制与声光调制 粒子模型 利用动量守恒条件推导 波矢量图 2电光调制与声光调制 声光Bragg衍射频率 Bragg公式 2电光调制与声光调制 声光调制器件 二维声光调制器 3激光调Q技术 调Q技术可将连续或脉冲激光能量压缩到时间宽度为纳秒量级的短脉冲中发射 从而使激光的峰值功率提高几个数量级 激光脉冲的分类 1 2 3 4 3激光调Q技术 激光测距 提高测量精度 脉冲宽度与测量精度的关系 3激光调Q技术 增加激光器的泵浦功率 只能增加尖峰频率 减小尖峰的间隔 既不能减少激光脉宽 也不能增加激光器的峰值功率 激光尖峰脉冲系列 3激光调Q技术 弛豫振荡现象 普通脉冲固体激光器输出脉冲由许多振幅 脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成 脉宽约0 1 1us 间隔为数us 脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦持续时间相等 激光器不能有效聚集能量 每个尖峰脉冲输出发生在阈值附近 3激光调Q技术 激光尖峰系列 激光调Q脉冲 调Q效果 3激光调Q技术 品质因数 Q值 定义 ts Q开关时间 3激光调Q技术 调Q脉冲 调Q的比喻 Q低值则损耗大 可抑制激光产生 使粒子在上能级不断积累到一定程度后 突然提高Q值降低损耗 激光振荡迅速建立 形成调Q脉冲输出 3激光调Q技术 调Q对激光介质的要求 介质上能级寿命要比较长 抗损伤阈值高 调Q的关键参量 3激光调Q技术 高的超阈度对应泵浦强 损耗低 激光脉冲建立时间短 超阈度与各参量的关系 3激光调Q技术 激光调Q对开关调制器的要求 调Q晶体抗激光损伤阈值高 激光调Q方法 电光调Q 调透射损耗 声光调Q 调衍射损耗 饱和吸收体调Q 调吸收损耗 主动式 被动式 3激光调Q技术 典型的Q开关调制器件 电光调Q器 声光调Q器 饱和吸收体Cr YAG 3激光调Q技术 电光调Q 退压式 3激光调Q技术 电光调Q PTM 腔倒空谐振腔 有两个全反射镜 3激光调Q技术 蝶片激光腔倒空装置 3激光调Q技术 声光调Q 在激光谐振腔内 利用声光调制器作为Q开关 声光调Q器件一般采用行波工作方式 声光调制器的1级衍射为损耗 要求衍射效率大于激光单程增益 3激光调Q技术 在Bragg效应的作用下 轴向光线衍射出腔外 反转粒子数上升 一旦消除行波场 则激光振荡建立 产生Q脉冲输出 射频信号 激光脉冲 对于声光调Q 开关的时间ts主要由声行波通过光束的渡越时间决定 相邻两个Q脉冲的时间间隔大致要与激光工作物质的上能级寿命相等 声光调Q通常用于连续激光器 输出KHz系列的高重复率Q脉冲激光 3激光调Q技术 被动调Q 透反镜 泵浦 激光介质 饱和吸收体 全反镜 饱和吸收体的能级应当与激光能级匹配 即饱和吸收波长与激光波长一致 将饱和吸收体放在谐振腔内 初始腔内光强很弱 同时吸收损耗大 Q值低 谐振腔处于关闭状态 不能形成激光振荡 在泵浦的作用下 随着激光介质反转粒子数的不断积累 腔内自发辐射荧光也逐渐增强 当荧光光强可与饱和吸收光强相比拟时 吸收系数变小 透过率增大 饱和吸收体突然被漂白 这时腔内Q值猛增 产生激光振荡 输出调Q激光脉冲 3激光调Q技术 输出调Q激光脉冲后 由于腔内光子数急剧下降 同时吸收损耗增大 从而使谐振腔又处于关闭状态 这就是被动调Q开关的一个动作周期 如此往复形成多脉冲调Q激光输出 被动调Q激光器的多脉冲现象 4激光锁模技术 高精度激光测距 精细激光加工 微观超快过程的研究和非线性光学应用等 必须采用超短激光脉冲 化学分子在飞秒激光作用下的分离过程 超短脉冲激光加工的太阳能电池 心脏动脉血管支架 4激光锁模技术 Q开关技术由于脉宽受腔长制约的局限性 目前仅依靠调Q技术还不能将激光脉冲压缩到皮秒至飞秒量级 多纵模自由运转激光器的光强为各纵模光强的之和 为非同步的受激辐射 各纵模之间没有确定的相位关系 各纵模光电场无规则 非相干叠加 不可能产生超短脉冲 4激光锁模技术 在多纵模激光器中实现各纵模之间相位差恒定 纵模间隔严格相等 以同步受激辐射为基础 产生由激光介质增益线宽倒数所决定的皮秒 PS 至飞秒 FS 量级的超短激光脉冲 激光锁模 4激光锁模技术 锁模条件 激光增益线宽之内至少要有三个以上的纵模 各纵模之间的相位差恒定 所有相邻纵模的间隔严格相等 总光电场为各纵模光电场的相干叠加 实现时间区域内的 干涉 效应 4激光锁模技术 锁模激光性质 只有一个锁模脉冲在腔往返内一次输出 锁模脉冲宽度约等于振荡增益线宽的倒数 荧光线宽越宽的激活介质 可产生更窄的激光脉冲 例如 钕玻璃介质锁模可以得到PS量级的超短脉冲 而对于He Ne激光器 就不能获得小于1ns的脉冲 4激光锁模技术 锁模激光性质 锁模脉冲的峰值功率比自由运转的提高了纵模数倍 峰值功率由所有纵模共同提供 在固体激光器中振荡纵模数量可达成千上万个 所以单个锁模脉冲的峰值功率可以很高 目前实现激光锁模的方法主要有主动锁模 被动锁模和自锁模 4激光锁模技术 主动锁模 振幅调制 AM 锁模 7个振荡纵模输出的锁模脉冲 4激光锁模技术 声光振幅 损耗 调制锁膜激光器的装置 采用声光Bragg衍射方式 声光调制器位于紧靠反镜射的一端 4激光锁模技术 对于Nd YAG声光锁模激光器的典型数值是 光学腔长1 5m 调制频率100MHz其锁模脉宽大约为100ps 4激光锁模技术 电光相位调制锁模 4激光锁模技术 电光相位调制锁模 在相位调制时 激光脉冲和调制信号之间的相位关系存在双重性 极大与极小值 每半个周期出现一次 导致存在180 自发相位开关效应 也称为锁模脉冲的 跳变 即锁模激光器的输出脉冲自发地由一列跳列另一列 须采取相应的措施加以消除 4激光锁模技术 尽量减少破坏锁模效果的 标准具 子腔 效应 腔内各光学元件的端面反射率尽可能的降低 采用布儒斯特角 高增透膜和端面不垂直光路的安装方式 主动锁模激光器的设计要点 4激光锁模技术 主动锁模激光器的设计要点 调制器上所施加的调制周期和激光脉冲在腔内往返的周期之间必须很准确的同步 采用热不灵敏腔型 用热膨胀系数小的殷钢或大理石作为光学导轨 与外界绝热 隔震 采用电子反馈 实时跟踪 闭环控制 伺服装置 利用激光输出信号所产生的误差信号来校正驱动振荡频率或校正腔长 4激光锁模技术 被动锁模 将快可饱和吸收体放在激光谐振腔内 来调节腔内的透射损耗 当满足锁模条件时 则可得到一系列锁模脉冲 4激光锁模技术 被动锁模由不规则的脉冲演变到锁模激光脉冲 大致分为三个阶段 线性放大阶段 光脉冲通过可饱和吸收体和激光介质 在激光介质中产生线性放大 非线性吸收阶段 激光辐射场的最强脉冲使吸收饱和 而大量的弱脉冲受到吸收而被抑制 非线性放大阶段 强脉冲经过激活介质时 前沿及中心部位放大得多 由于反转粒子数的消耗 致使脉冲后沿放大的少 甚至得不到放大 其结果使前后沿变陡 而小脉冲几乎被完全抑制 最后输出一个高强度 窄脉宽的脉冲序列 4激光锁模技术 用于被动锁模的可饱和吸收材料 除了传统的染料之外 近年来还有Cr YAG晶体和半导体可饱和吸收镜 SESAM 等 被动锁模的可饱和吸收体必须具备如下条件 吸收谱线与激光波长相匹配 吸收线宽要大于激光线宽 其弛豫时间短于脉冲在腔内往返一次的时间 4激光锁模技术 碰撞锁模 CPM 20世纪80年代 贝尔实验室Fork等提出并实现了碰撞锁模 CPM 得到了稳定的80Fs激光脉冲序列 CPM技术使得被动锁模的非线性过程加强 加快 可获得更窄的锁模脉冲 对于Nd YAG激光器 采用CPM技术后 得到10ps的锁模脉宽 较主动锁模脉宽窄了1个数量级 基本达到增益线宽的倒数 CPM技术适用慢饱和吸收体的被动锁模 4激光锁模技术 自锁模 激光介质 锁模介质 在激光器内没有外加主动与被动锁模元件 而激光介质本身的非线性效应 能自动满足锁模条件 实现规则的超短脉序列输出 则该激光器称为自锁模激光器 4激光锁模技术 上世纪90年代初 在掺钛兰宝石激光器上获得飞秒量级的超短脉冲 这类自锁模激光器结构简单 激活介质本身就是锁模元件 锁模谱线宽度也就是增益线宽 并且输出稳定性好 可获得最短的锁模脉冲 是目前产生飞秒超短脉冲的主要器件 自锁模掺钛兰宝石激光器的装置示意图 4激光锁模技术 光克尔 Kerr 效应 对于自锁模的飞秒激光介质 具有一个非常重要的性质 即光克尔 Kerr 空间自聚焦效应 利用光阑选模作用 将脉冲前 后沿对应的低强度光强进行空间 滤波 相当于对光脉冲在时域上的进行压缩 进一步增强锁模效果 目前 几乎所有的飞秒脉冲都是通过光克尔效应进行锁模的 超短脉冲的压缩方法 棱镜角度色散 棱