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第七章激光技术 数学与物理系王晴晴 1 什么是激光技术 答 根据不同的使用要求 采用一些专门的技术手段来提高激光输出光束的质量和单项技术指标 LaserTechnology 2 7 1光波的调制 7 2电光调制 7 3声光调制 7 4磁光效应与磁光隔离器 7 5调Q技术 7 6锁模技术 7 7选模技术 7 8稳频技术 LightModulation 4 载波 carrier 激光是一种光频电磁波 与无线电波类似可用来作为传递信息的载体 调制 Modulation 将信息加载于激光的过程 解调 Demodulation 把调制信号还原成原来的信息的过程 调制器 Modulator 完成将一个携带信息的信号叠加到载波光波上这一过程的器件 光调制 改变载波 光波 的振幅 强度 频率 相位 偏振等参数 使之携带信息的过程 一 光调制的基本概念 1 根据调制器和激光器的相对关系 直接调制 内腔调制和外腔调制 2 根据调制器的工作原理 可以分为电光调制 声光调制 磁光调制 3 按其性质可以分为 调幅 调频 调相以及强度调制等 二 光调制的分类 激光的电场强度是 载波 carrier 7 1 1 1 振幅调制 AM AmplitudeModulation 7 1 1 7 1 2 7 1 3 三 几种调制的简单介绍 定义 载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡 简称调幅 7 1 4 图7 1 1调幅波频谱及调幅信号 AM无线电台和电视信号中的图像部分都是使用调幅来编码信息的 在调幅中 正弦波的幅度 峰谷到峰顶之间的电压 是变化的 例如 一个人的说话声音产生的正弦波叠加到发射器的正弦波上就使其幅度发生了变化 2 频率调制 FM 和位相调制 PM 定义 光载波的频率或相位随着调制信号的变化规律而变化的振荡 因两种调制波都表现为总相位角的变化 统称为角度调制 7 1 5 7 1 6 7 1 7 7 1 8 7 1 9 图7 1 2角度调制波的频谱及角度调制信号 当频率余弦波调制时 其角度调制波的频谱由光载频与在它两边对称分布的边频所组成 各边频间隔 m 各边频幅度大小由Jn mf 决定 如mf 1时 J0 mf 0 77 J1 mf 0 44 频谱分布如下图所示 FM无线电台和数以百计的无线电技术 包括电视信号 无绳电话 手机等 都是使用调频的 调频的优点是很大程度上不受静电影响 在调频中 发射器正弦波的频率根据信息信号产生微小变化 3 强度调制 IM IntensityModulation 定义 光载波的强度 光强 随调制信号规律而变化的激光振荡 光强调制波的频谱可用前面类似的办法求得 和调幅波略有不同 除了载频及对称分布的两边频之外 还有低频和直流分量 7 1 10 7 1 11 图7 1 3强度调制波的频谱及强度调制信号 13 4 脉冲调制 以上几种调制方式所得到的调制波是一种连续振荡的波 称为模拟方式调制 目前光通信中还广泛采用一种不连续状态下进行调制的脉冲调制和数字式调制 脉冲编码调制 定义 用间歇的周期性脉冲作为载波 这种载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法 PM方式下 只需简单地开关正弦波 这是一种发送摩尔斯式电码的简易方式 小结 1 光调制 改变载波 光波 的振幅 强度 频率 相位 偏振等参数 使之携带信息的过程 2 调制器的分类 根据调制器和激光器的相对关系 可以分为内腔调制和外腔调制两种 根据调制器的工作原理 可以分为电光调制 声光调制 磁光调制和电源调制 激光调制按其性质可以分为 调幅 调频 调相以及强度调制等 3 振幅调制 频率调制 相位调制 强度调制和脉冲调制 15 物理基础 电光效应 一 电光效应 电光效应 某些晶体在外加电场的作用下 其折射率将发生变化 当光场通过此介质时 其传输特性就受到影响而改变 晶体折射率可写为 当有外加电场时 由一次项引起的折射率变化称为线性电光效应或泡克耳斯效应 由二次项引起的折射率变化称为二次电光效应或克尔 Kerr 效应 7 2 1 二 电致折射率变化 7 2 3 以KDP晶体为例 x y o z e 以及 o e 采用折射率椭球体方法 在未加外场时 当晶体加外电场时 假设外电场方向平行于z轴 则新方程为 7 2 2 当KDP晶体沿z轴加电场时 折射率椭球的主轴绕z轴旋转45 与外加电场大小无关 折射率变化与电场成正比 7 2 4 7 2 5 19 三 电光相位延迟 沿z轴加的电压 7 2 6 当一束线偏振光沿z轴方向入射晶体 E矢量沿x方向 进入晶体后即分解为沿x 和y 方向的两个垂直偏振分量 当经过长度L后两偏振分量的相位延迟分别为 当波长和电光晶体确定后 相位差的变化仅决定于外电压 相位延迟完全决定于电光效应造成的双折射 21 一 声光调制的物理基础 物理基础 声光相互作用声波在介质中传播时 介质的折射率沿声波的传播方向发生周期性变化 介质就如同一个光学的 相位光栅 当光波通过此介质时 就会产生光的衍射 衍射光的强度 频率 方向等都随着超声场的变化而变化 22 超声行波在介质中的传播 超声驻波 结论 声行波形成的光栅以声速向前推进 频率为fs 结论 声驻波在一个周期内 介质两次出现疏密层 若超声频率为fs 光栅出现和消失的次数为2fs 光波通过该介质后受到的调制频率为2fs 23 二 声光相互作用的类型 1 Raman Nath衍射 特点 声波频率较低光波平行于声波面入射 垂直于声场传播方向 声光互作用长度L较短 结论 存在多级衍射 最强的以及光衍射效率也不会超过34 24 2 Bragg衍射 特点 声波频率比较高光波与声波以一定的角度斜入射声光互作用长度L比较长 光波在介质中穿过多个声波面 当入射光与声波面间夹角满足一定条件时 介质内各级衍射光相互干涉 各高级项衍射光将互相抵消 只出现0级和 1级 1级 衍射光 结论 理想的Bragg衍射 入射光可以全部转化为衍射光 衍射效率达到100 故声光调制器中多采用Bragg衍射效应 25 三 声光调制器 1 声光体调制器的组成 1 声光介质 2 电声换能器 利用某些压电晶体 石英等 在外加电场作用下产生机械振动而形成超声波 3 吸声 或反射 装置 对于行波超声波 用来吸收已通过介质的残留超声波 防止返回介质产生干扰 对于驻波超声波 用反射装置以形成驻波 26 2 声光调制的工作原理 声光调制 利用声光效应将信息加载于光频载波上 调制信号以电信号形式作用于电声换能器上超声场光强强度调制波 调制特性曲线 类似于电光强度调制 一般情况下为非线性调制 需加超声偏置 使其工作在线性较好的区域 27 一 自然旋光效应二 磁光效应 法拉第效应三 磁光调制器 7 4磁光效应与磁光隔离器 28 一 自然旋光效应 自然旋光现象 一束线偏振光沿石英晶体的光轴方向传播时 其振动平面会相对原方向转过一个角度 由于石英晶体是单轴晶体 光沿着光轴方向传播不会发生双折射 因而该现象应属另外一种新现象 这就是旋光现象 实验证明 一定波长的线偏振光通过旋光介质时 光振动方向转过的角度 与在该介质中通过的距离l成正比 l比例系数 表征了该介质的旋光本领 称为旋光率 它与光波长 介质的性质及温度有关 29 2 自然旋光现象的理论解释 菲涅耳假设 线偏振光 右旋圆偏振光 左旋圆偏振光菲涅耳认为 在各向同性介质中 线偏振光的右 左旋圆偏振光分量的传播速度相等 因而其相应的折射率相等 在旋光介质中 右 左旋圆偏振光的传播速度不同 其相应的折射率也不相等 在右旋晶体中 右旋圆偏振光的传播速度较快 在左旋晶体中 左旋圆偏振光的传播速度较快 右旋石英与左旋石英 30 二 磁光效应 法拉第效应 法拉第效应 本来不具有旋光性的介质 在强磁场作用下产生旋光现象的效应叫磁致旋光效应 简称为磁光效应 法拉第效应 振动平面转过的角度与光在物质中通过的长度l和磁感应强度B成正比 即 VBl式中 V是与物质性质有关的常数 叫维尔德常数 31 2 旋光现象的物理成因 当一束线偏光通过时 分解为左旋圆偏光和右旋圆偏光 它们通过厚度为L的介质之后产生的相位延迟分别为 通过介质后 又合成一线偏光 其偏振方向相对于入射光旋转了一个角度 注意 磁致旋光效应的旋转方向仅于磁场方向有关 而与光线传播方向的正反无关 因此 当光通过磁光介质时 只要磁场方向不变 旋转角都朝一个方向增加 而晶体的双折射效应产生的自然双折射现象 当光束往返穿过晶体时 因旋转角相等方向相反而互抵消 32 二 磁光调制与磁光隔离器 磁光调制 先将电信号转换成与之相对应的交变磁场 再由磁光效应改变在介质中传输的光波的偏振态 从而达到改变光强度等参量的目的 33 让偏振片P1与P2的透振方向成45 角 调整磁感应强度B 使从法拉第盒出来的光振动面相对P1转过45 于是 刚好能通过P2 但对于从后面光学系统各界面反射回来的光 经P2和法拉第盒后 其光矢量与P1垂直 因此被隔离而不能返回到光源 34 小结 电光调制物理基础 电光效应某些晶体在外加电场的作用下 其折射率将发生变化 当光场通过此介质时 其传输特性就受到影响而改变 声光调制物理基础 声光相互作用声波在介质中传播时 介质的折射率沿声波的传播方向发生周期性变化 当光波通过此介质时会产生光的衍射 衍射光的强度 频率 方向等都随着超声场的变化而变化 磁光调制物理基础 法拉第效应本来不具有旋光性的介质 在强磁场作用下产生旋光现象 改变在介质中传输的光波的偏振态 从而达到改变光强度等参量的目的 35 7 5调Q技术 一 引入二 调Q原理三 电光调Q激光器四 可饱和吸收调Q激光器 36 一 引入 现象 一般固体脉冲激光器存在弛豫振荡现象 输出激光为一无规尖峰脉冲序列 其总的脉冲宽度持续几百微妙甚至几毫秒 峰值功率只有几十千瓦的水平 目的 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 作用 峰值功率达到兆瓦级 脉宽达到纳秒级 应用 激光精密测距 激光雷达 告诉摄影 高分辨率光谱学研究等 37 1961年底 邓锡铭几乎与国外同时 独立提出了高功率激光Q开关原理 把Q开关比喻为一个稍有漏水 自发辐射跃迁 的抽水马桶 当水箱被灌 光泵注入能量 满之后水箱地步的盖快速揭开 Q值突变 水 激光能量 就一涌而出 激光峰值功率输出 采用调Q技术很容易获得峰值功率高于兆瓦 脉宽为数十纳秒的激光巨脉冲 38 谐振腔品质因子Q 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 39 二 调Q原理 1 能量储存过程 在泵浦开始时使谐振腔的损耗增大 即提高振荡阈值 G L 使振荡不能形成 上能级的反转粒子数密度 n大量积累 2 激光产生和输出过程 当积累到最大值 饱和值 时 突然使损耗变小 Q值突增 激光振荡迅速建立 腔内很快建立极强的振荡 在短时间内 n大量被消耗 转变为腔内的光能量 同时在输出镜端就有一个极强的激光脉冲输出 在此过程中 弛豫振荡一般是不会发生的 输出脉冲一定时脉宽窄 10 9 10 8s 峰值功率高 大于MW 这种脉冲称为巨脉冲 40 1 Q开关激光器 第一阶段 储能阶段 降低Q值 积累反转粒子数 相当于Q开关关闭状态第二阶段 输出激光阶段 增大Q值 使输出激光 相当于Q开关打开状态 第一阶段 Q开关关闭 第二阶段 Q开关开启 41 2 Q开关激光器的特点 通过改变Q值 改变阈值 控制激光产生的时间两阶段 储能阶段 激光产生输出开关时间 从Q值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要的时间 开关时间对激光脉冲的影响很大 按开关时间的大小分为快 慢两种类型 42 三 电光调Q激光器 KDP晶体 1 电光调Q原理 电光调Q装置示意图 利用晶体的电光效应 在晶体上加一阶跃式电压 调节腔内光子的反射损耗沿晶体光轴方向z施加一外电场E 入射到晶体表面时光束分解为等幅的x 和y 方向的偏振光 在晶体中二者具有不同的折射率 x和 y 经过晶体长度d距离后 二偏振分量产生了相位差 43 第一阶段反转粒子数的积累阶段 Q开关关闭当 2时 所需电压记作U 4 线偏振光经电光晶体后 沿x 和y 偏振分量产生了 2延迟 偏450 经反射后再次通过晶体又产生 2延迟 合成后虽仍是线偏振光 但偏振方向垂直偏振器的偏振方向 不能通过偏振器 第二阶段输出激光 Q开关开启突然撤去电光晶体两端的电压 则偏振光的振动方向不再被旋转 相当于光开关被打开 则突变至低损耗 高Q值状态 于是形成巨脉冲激光 只要给KDP晶体加以U 4电压 谐振腔的Q值便很低 此时储能 当电压撤去瞬间 谐振腔Q值阶跃升高 工作物质储能迅速释放 结果形成激光巨脉冲 44 2 电光调Q技术特点 有较高的动态损耗 99 和插入损耗 15 开关速度快 同步性能好 开关时间可以达到10 9秒典型的Nd YAG电光调Q激光器的输出光脉冲宽度约为10 20ns 峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦适用于脉冲式泵浦激光器 由于该技术较高的插入损耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器 45 四 可饱和吸收调Q激光器 Cr4 YAG 定义 根据某些物质对入射光具有强烈的非线性效应原理而形成的一种被动式调Q 即利用某些可饱和吸收体本身特性 自动地改变Q值的方法 分类 可饱和吸收晶体 可饱和吸收染料优点 结构简单 使用方便 无电磁干扰 可获得峰值功率大 脉宽小的巨脉冲 吸收系数 式中 0是中心频率小信号吸收系数 I和Is分别为人射光强和饱和光强 46 透过率T随光强的变化 光强很小时 吸收系数很大 I 0时 0 T很小光强与饱和光强可相比拟时 吸收系数突然变小 透过率T突然增大光强很大时 吸收系数很小 I Is时 0 T很大 47 工作原理在初始阶段 Cr4 YAG的透过率T较低 随着泵浦作用增益介质的反转粒子数n不断增加 当增益等于损耗时 n达到最大值 此时T仍为初始值 随着泵浦的进一步作用 腔内光子数N不断增加 T也逐渐变大 并最终达到饱和 此时 T突然增大 N迅速增加 激光振荡形成 N达到最大值时 激光为最大输出 此后 由于n的减少 N也开始减低 则Cr4 YAG的T也开始减低 当N降到初始值时 Cr4 YAG的T也恢复到初始值 调Q脉冲结束 48 7 6锁模技术 调Q技术与锁模技术比较 相同 应人们对高峰值功率 窄脉宽激光脉冲的应用需求而发展起来的 不同 两种方式机理不同 压缩的程度也不同 调Q技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级 峰值功率大106W以上锁模技术可将激光脉宽压缩至皮秒甚至飞秒量级 峰值功率科大1012W 锁模技术就是获得超短脉冲的一种技术 本节简要了解锁模的基本原理及方法 49 一 锁模的基本原理 1 未经锁定各纵模的相位差 获得非相干光 激光输出随时间的变化时它们无规则叠加的结果 是一种时间平均的统计值 所形成的光波并没有在一个地方有很突出的加强 输出的光强只在平均光强基础上有一个小的起伏扰动 50 2 锁定个纵模之间的相位差 由于相长性的干涉作用 周期性地出现了极大值 I 9E02 对于谐振腔内存在多个纵模的情况 结果类似 51 3 锁模技术 锁相技术 采用适当的措施使各自独立的纵模在时间上同步 及把它们的相位相互联系起来 使之有一确定的关系 q 1 q 常数 就可获得脉宽极窄 峰值功率很高的光脉冲 使各纵模的相位角有一定关系的技术即锁模技术 又称锁相技术 52 53 二 锁模方法 主动锁模 在激光腔内插入一个调制器 调制器的调制频率应精确的等于纵模间隔 这样可以得到重复频率为f c 2 L的锁模脉冲序列 被动锁模 在激光腔内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 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 不需要再谐振腔内插入任何调制元件 就可以实现纵模锁定的方法 同步泵浦锁模 如果要通过周期性的调制谢政权的增益来实现锁模 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 54 7 7选模技术 目的 减少激光模式数 改善激光的方向性 提高单色性 模式 腔内可能存在的稳定光场的本征态 包括纵模和横模 纵模 沿腔轴方向电磁场的本征态 纵模数表示激光振荡频率数 纵模数越多 单色性越差 横模 沿垂直腔轴方向的电磁场的本征态 不同横模 光场分布不同 发散角不同 横模数越多 方向性越差 应用 如激光打孔要求方向性好 激光全息 精密干涉计量等要求单色性好 55 一 横模选择 考察两个最低阶次的横模TEM00和TEM10模 假定激活介质对横模的增益系数相同 若同时满足如下不等式 则激光器可实现单横模运转 原则上采取一定的方法加大基模和高阶模的衍射损耗比 使高阶横模的损耗大于增益不能振荡 而基模满足阈值条件 达到选出基横模的目的 1 选择原则 56 2 影响衍射损耗的因素 与腔型和g参数有关 不同的腔型和g 衍射损耗不同 同一种腔型 不同横模 衍射损耗不同 基模最小 随着模序数增加 衍射损耗越来越大 同一种腔型 菲涅尔数N不同 衍射损耗不同 57 3 基模体积 横模体积表示某一模式在腔内所扩展的空间范围 一个模式体积的大小表示了对该模的振荡有贡献的反转粒子数的多少 因而影响输出功率的大小 基模体积和腔型的关系 增大腔镜的曲率半径R 基模体积增大 当R一定时 L有最佳值 当R L时 模集体最大 58 4 横模选择的方法 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 气体激光器 在一定的谐振腔内插入附加的选模元件来提高选模性能 固体激光器 光阑法选模 1 小孔光阑选模 2 聚焦光阑法 59 二 纵模选择 首先选单横模振荡 若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 就可最终得到增益较大 损耗较小的中心频率所对应的单纵模 1 选择原则 60 短腔法缩短谐振腔长度以增大相邻纵模频率间隔 使得在荧光谱线宽度内只存在一个纵模振荡 从而实现单纵模输出 色散腔法在腔内