第七章激光器特性的控制与改善.ppt

速率方程 增益饱和 激光器工作特性 振荡阈值 振荡模式 输出功率 输出线宽 弛豫振荡 选模 调Q 锁模 放大 稳频 LD直接调制 增益开关DFB 调Q 锁模 谐振腔理论 高斯光束 频率变换技术 输出频率 模式选择激光器稳频调Q技术锁模原理锁模脉冲特性峰值功率 脉冲间隔 脉宽 锁模方法主动锁模 振幅调制 相位调制被动锁模 染料锁模 第七章激光器特性的控制与改善 7 1模式选择 选模意义 基横模 TEM00 发散角小 空间相干性单纵模 单色性好 时间相干性1 横模选择 横模选择的物理基础 不同横模有不同的衍射损耗 横模选择原则 尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗比 尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗 加大衍射损耗在总损耗中的比例 横模选择方法 谐振腔设计 小孔光阑 非稳腔 微调谐振腔 合理选择腔型及腔结构参数 使TEM00和TEM10模之间有足够的差异 圆形平面镜腔圆形镜共焦腔 小孔光阑选横模 基本思路 减小谐振腔的菲涅耳数 增加衍射损耗TEM00模和其它高阶模有不同的光斑尺寸特点 方法简单不易获得大功率输出 小孔光阑选模 聚焦光阑选模 非稳腔选横模适用于高增益激光器选横模非稳腔的输出光束为球面波或平面波 微调谐振腔 高损耗腔 相邻横模间衍射损耗差异大 模体积大 双凸 平凹 平凸 2 纵模选择 提高时间相干性 在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法 纵模选择原则扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差 选纵模方法 短腔法 缩短腔长 增大纵模间隔 适用于荧光线宽窄的激光器 YAG 例 He Ne 腔内插入F P标准具 F P标准具的设计考虑 L 激光工作物质 插入FP后 自由光谱区 透射宽度 1 谐振腔的锐度 品质因数Q和精细度F F P腔中的平面波为例 两反射镜反射率分别为R1R2 波阻抗 F P腔透过率曲线 纵坐标可由 或 表示 透过率T 定义品质因数Q 表示腔的锐度 或者频率敏感程度 定义 精细度 Finesse F 自由光谱区宽度 半高全宽度 F P腔内平面波传输时 例 L 1m 0 632 8nmR1 R2 0 99 c 0 4 74 1014Hz 1 2 480kHz Q 9 88 108 F 313 结论 精细度与腔长 波长无关 由F P腔端面反射率决定 抑制空间烧孔效应 行波环形腔 7 2稳频激光器一 外界因素对频率稳定性的影响纵模频率 频率稳定性 谐振腔几何长度变化 温度 振动10 3 oC折射率变化 温度 D 起伏 放电电流 驱动电流等 气压 湿度单模氦氖激光器频率稳定性 10 4 10 5Dn 1010Hz采取恒温 防震 隔声 稳压 稳流措施 10 7 二 稳频基本原理 稳定谐振腔光学长度 选择标准参考频率 获取误差信号驱动电子伺服系统自动调节腔长 三 稳频方法 兰姆凹陷 饱和吸收 塞曼吸收 F P标准具 稳频系统 光电接收 频率稳定性 10 9 n n0同相n n0反相n n02f n n0同相 n n0反相 压电陶瓷 改变腔长直流 调节激光器输出频率交流信号 搜索信号 判断 正向电压外 内 反向电压外 内 n n0同相反向压电陶瓷 腔长 q 拉回n0n n0反相正向压电陶瓷 腔长 q 拉回n0n n02f0电压压电陶瓷不变n n0 频率复现性差10 7 要求兰姆凹陷对称 窄且深 饱和吸收稳频 反兰姆凹陷 压电陶瓷 吸收管内充气压 1 10Pa多普勒加宽为主低压气体吸收峰频率稳定性好 烧孔宽度 吸收曲线烧孔效应 b n1 吸收饱和 增益饱和 放置吸收管的谐振腔单程损耗 输出功率 P n1曲线上形成反兰姆凹陷 频率稳定性 10 11 10 12频率复现性10 11 632 8nm 碘同位素蒸汽 3 39mm 甲烷 1530 3718nm 乙炔 F P标准具稳频 7 3Q调制一 Q调制激光器工作原理 1 调Q意义压窄光脉冲宽度 使有限的激光能量在极短的时间内输出以提高脉冲峰值功率2 调Q基本思路 抑制弛豫振荡 使激光在Dn达到最大时的极短时间内发生 通过某种方法使腔内损耗按规定的程序变化3 调Q基本术语 调Q 调腔内损耗Q开关 执行调Q功能的器件 巨脉冲 调Q产生的激光脉冲 什么是规定程序 泵浦激励期间 激光产生之前 高损耗 低Q Dnt高反转粒子数积累 在适当时刻 低损耗 高Q Dnt低受激辐射放大形成巨脉冲 在腔内加入阶跃变化的损耗机制适当时刻 泵浦Q开关打开延迟时间 反转粒子数积累最多 激光上能级寿命 荧光寿命 Q开关关闭 Q开关打开 Highloss Delaytime Lowloss 二 调Q方法 转镜调Q 反射损耗慢开关 声光调Q衍射损耗 电光调Q 反射损耗快开关 染料调Q吸收损耗 工作物质 反射镜 转镜 慢开关开关时间 脉冲建立时间如转镜调Q快开关开关时间 脉冲建立时间 主动调Q 外加驱动源调节腔内损耗如电光 声光调Q被动调Q 由腔内光强调节损耗如染料调Q 电光调Q d 激光工作物质 Q开关关闭Dn积累 d d Q开关打开振荡形成巨脉冲 思考 是否可以只用一个偏振控制器 V Q开关关闭 工作物质 反射镜 反射镜 驱动源 声光介质 工作物质 反射镜 染料盒 全反射镜 1 102 I Is T 0 4 0 6 0 8 1 0 染料调Q 被动调Q 声光调Q 低增益连续激光器 Bragg衍射 染料吸收峰与激光辐射中心波长吻合但也不能过小 三 脉冲透射式调Q 腔倒空cavitydepletion PTM PulseTransmissionModulationPRM PulseReflectionModulation 振荡次数 泵浦激励时 V 0谐振腔处于低Q状态 积累DnV Vp两全反镜构成高Q腔 光子能量储存在腔内 不能输出V 0腔内光脉冲从格兰棱镜2输出 三 调Q激光器的基本理论用速率方程方法讨论调Q脉冲形成 研究Q突变过程中Dn和N的变化规律 脉冲峰值功率 Pm 及脉冲宽度 Dt 与Dn的关联性 特点 Q开关时间极短几ns量级 讨论前提 三能级系统激光器 为什么 L l hF 1 f1 f2及各模式振幅相等 Dni 0 t0 N Ni 1 调Q速率方程及其解理想阶跃开关 忽略泵浦及自发辐射引起的Dn的变化 四能级系统在Q开关时间 ns 内E1 E0的粒子数很少 n1不能忽略 习题7 9 2 脉冲峰值功率 Pm 7 3 5 L l 习题7 6 其中 3 调Q脉冲能量 E 前提 hF 1 腔内脉冲总能量E 输出脉冲能量 能量利用率 Ei 储藏在工作物质中可以转变为调Q脉冲的初始能量Ef 巨脉冲熄灭后剩余的能量 通过自发辐射逐渐消耗 注意公式条件P 174 结论 熄灭时 调Q激光器能量利用率 能量利用率 4 调Q脉冲宽度 Dtr Dte 积分 7 3 5 代入 上升沿 下降沿 7 3 4 Dt 数值求解 1 脉宽变窄 且前沿更陡 2 调Q激光器设计 L和T要折衷考虑 7 5锁模 ModeLocking 超短脉冲 ps fs 一 引言自由运转 非锁模 多模激光器的输出特性每个纵模的电场表达式相邻纵模间的频率间隔 总输出 各纵模建立时间不同 Eq wq jq不同 输出为多个纵模无规叠加的结果 n1 1 3n1 2 3n1 0 E t 0 极大值 极大值 极小值 极小值 I t 引伸 假设2N 1个模振荡 振幅相同 E0 相邻纵模间相位差 相邻纵模角频率间隔 锁定时 振幅调制包络 振幅 三 锁模脉冲特性 1 峰值功率Im 光强极大值 有极大值 锁模后脉冲峰值功率是未锁模时的 2N 1 倍模式个数多有利于锁模脉冲峰值功率的提高振荡模式增多的途径 模式个数 未锁定时 L q F 荧光线宽宽 3 脉冲宽度 t 通过DnF可估算锁模脉宽钕玻璃DnF 7 5 1012HZ ps 四 锁模方法 主动锁模 Activelymodelocked 腔内插入调制元件 强迫各纵模初相位相同 振幅调制 相位调制 被动锁模 Passivemodelocking 腔内放入可饱和吸收体 吸收系数与光强有关使各纵模相位锁定 从时域角度解释AM锁模损耗调制频率损耗调制周期 周期为T0 宽度极窄的光开关 t1时刻光信号可无损通过 经t1 nT0 此信号将再次无损通过 t2时刻光信号每次经过调制器则损失一部分能量 结果 的光信号 能形成光振荡 其余光信号 损耗调制器 光开关 工作物质 从频域角度 2 相位调制锁模 频率调制 h随外加电压变化 t t0 t1 t2 t3 每经过调制器一次会产生频移 使频移增大 最终导致光频移出增益曲线外 不再被放大 相位调制器的作用类似损耗调制器 纵模锁定机制与幅度调制时相似 3 可饱和吸收体被动锁模 Saturableabsorber 脉冲压缩机制 脉冲两翼较脉冲中部经历更多损耗 足够强的脉冲中部光强可使吸收饱和最终使两翼光强越来越低 脉冲顶部越来越高 脉冲被压窄 吸收体上能级寿命 上能级寿命 饱和吸收体 自启动光开关 强光打开 弱光关闭 强光尖峰脉冲 透过率大 损耗小 形成稳定振荡弱光信号 透过率小 损耗大 衰减殆尽 开关速度 问题1 最初的光尖峰脉冲如何形成 问题2 如何自启动 self starting 问题3 实际应用的快速饱和吸收体 1ps 有机染料 若丹明6G 隐化青等半导体吸收介质 单层或许多量子阱层堆叠 超晶格结构 饱和Bragg光栅 半导体光放大器光纤或半导体材料的非线性光学效应问题4 被动锁模激光器输出脉冲周期 或频率 Saturableabsorber 问题5 锁模激光器中的关键器件 orLiNbO3 主动锁模光纤环形激光器SOA 半导体光放大器EAM 电吸收调制器腔长 20米输出脉冲宽度 10ps 利用法拉第偏振旋转效应的被动锁模光纤环形激光器腔长 几十米输出脉冲宽度 几十飞秒 fs orEDFA 考察短脉冲在腔内经 增益介质 损耗调制器 反射镜反射后回到起始点是否正好能映射自身 五 均匀加宽激光器主动锁模 AM 自洽理论 自洽理论要点 考察腔内某一点的光脉冲 在腔内往返一周后能自再现 即E1 t E3 t Self consistenttheory 高斯脉冲频谱 高斯脉冲 1 B点频谱两次经过增益介质 由反射镜1反射 2 C点时域特性经反射镜2反射 并两次通过振幅调制器 小信号情况 对进行处理 傅立叶变换得