《现代光学基础教学课件》jg

第七章激光器技术特性的控制与改善,激光技术：改善和提高激光输出性能的各种技术,1、改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性：,模式选择、稳频、注入锁定技术,2、获得窄脉冲高峰值功率的激光束：,Q调制、锁模技术,第七章激光器特性的控制与改善7.1模式选择,横模：,在谐振腔的横截面内激光光场的分布。,纵模：,沿谐振腔轴线方向的激光光场分布。,单频激光单色性、相干性最好。,模式选择:单横模单纵模输出,横模选择：基横模输出,一、横模选择：,（一）横模选择原理,横模选择的物理基础：谐振腔对不同阶横模有不同损耗。,若，基横模阈值增益系数g次高阶横模阈值增益系数,则，可输出单横模基横模,1、谐振腔参数g、N选择法：,适当选择谐振腔的类型以及腔参数g、N值，使谐振腔的衍射损耗满足选模条件，从而使激光器输出基横模激光束。,（二）横模选择的方法,随增加而减小,随菲涅尔数N增加而变大；,（二）横模选择的方法,2、非稳腔选模,非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗有很大差异。近年来，利用非稳腔在高增益激光器中选择横模的方法被广泛采用。,3、小孔光阑法（插入附加选模元件）：,基本原理：使光斑尺寸较小的基横模无阻挡地通过小孔光阑，光斑尺寸较大的高阶横模受到阻拦而遭受较大的损耗（损耗大阈值也大，不易起振）。,（二）横模选择的方法,（二）横模选择的方法,4、聚焦光阑法（透镜聚焦选模）：为了扩大模体积，提高输出功率，腔内插入透镜，光阑放在透镜焦点上,基横模光束，聚焦后可通过小孔往返振荡；其他光束，聚焦后被小孔阻截。,改善技术（加入伽利略望远镜结构）：,扩束，增大基横模模体积；避免实焦点位置，不会因为能量过于集中而损坏光阑材料；调节望远镜凹凸镜相对位置，选择合适的离焦量，用于补偿激光工作物质的热透镜效应，获得热稳定性好的激光输出。,（二）纵模选择方法,1、短腔法（缩短腔的长度)：,相邻纵模间频率差：,满足阈值条件的振荡荧光谱线宽度内只有一个纵模，从而实现单纵模振荡。,利用腔镜反射膜的光谱特性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，设法只使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡，其他波长的光束因不具备反馈能力而被抑制掉。,2、色散腔法：,纵模选择方法,3、行波腔法：,对均匀加宽介质，采用环形腔，腔内插入一个只允许光单向通过的隔离器，形成无空间烧孔的行波腔。,纵模选择方法,4、选择性损耗法：,腔内插入标准具或构成组合腔，由于多光束干涉效应，谐振腔具有与频率有关的选择性损耗。,(1)法布里珀罗标准具法：,由于多光束干涉，只有某些特定频率的光能透过标准具在腔内往返传播，其他频率的光不能透过标准具。,纵模选择方法,（2）复合腔选纵模：,用一个短腔反射干涉系统代替腔的一个端面反射镜，形成选择性反射。,谐振条件：,第七章激光器特性的控制与改善7.2稳频技术,7.2频率稳定,7.2.1频率稳定性在精密干涉测量、光通信、激光陀螺及精密光谱研究、激光冷却与囚禁原子等领域，不仅要求单频，而且对激光器的频率稳定性要求很高。,影响频率稳定的因素：,腔长L：,环境温度起伏，激光管发热，机械振动,折射率：,环境温度变化，大气气压、湿度变化,频率漂移量：,激光频率的稳定问题，归结为保持腔长和折射率稳定的问题。,7.2.2、激光器稳频方法：,主动稳频技术：,选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏离此特定的标准频率时，鉴别器产生一个正比于偏离量的误差信号，此误差信号经放大后又通过反馈系统回来调节腔长，使激光频率回到标准的参考频率上，实现稳频。,把原子谱线的中心频率作为标准频率：,利用外界参考频率作为标准频率：,兰姆凹陷法、塞曼效应法,饱和吸收稳频法,被动稳频技术：,利用热膨胀系数低的材料制作谐振腔的间隔器或将热膨胀系数为负值的材料与热膨胀系数为正值的材料按照一定的长度配合，以使热膨胀相互抵消，实现稳频。,第七章激光器特性的控制与改善7.3调Q技术,普通脉冲激光器,调Q激光器,光脉冲宽度：,峰值功率：,需进一步压缩脉宽和提高功率,将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中，使峰值功率提高几个数量级,7.3调Q技术,调Q技术目的：获取短脉冲、提高峰值功率,在激光器发明不久之后的1961年，就有人提出了调Q的概念，并于1962年制成了第一台调Q激光器。,7.3.1调Q激光器工作原理,Q调制：,采用一定的技术和装置来控制激光器谐振腔的Q值按一定的程序和规律变化，从而达到改善激光脉冲的功率和时间特性的目的。,泵浦初期：,加大损耗，将阈值调高，抑制激光振荡的产生，使激光上能级积累大量的反转粒子。,反转粒子数积累到最大时：,突然调低阈值，上能级大量粒子雪崩式跃迁到低能级，获得巨脉冲,步骤：,调Q过程反转粒子数密度及光子数密度随时间的变化,7.3.2Q调制方法,反射损耗：,衍射损耗：,吸收损耗：,电光调Q,声光调Q,染料调Q,Q开关,主动式Q开关：,被动式Q开关：,谐振腔损耗由外部驱动源控制,谐振腔损耗取决于腔内激光光强,电光调Q、声光调Q,染料调Q,使Q值（谐振腔损耗）突变的装置或器件叫Q开关。,第七章激光器特性的控制与改善7.4超短脉冲技术锁模技术,超短脉冲：纳秒以下量级的光脉冲。,锁模技术发展历程：,1、上世纪60年代：红宝石、钕玻璃，,2、上世纪70年代：染料激光器，不稳定,3、上世纪80年代：掺钛蓝宝石，稳定,4、最近：钛宝石，,7.4.1锁模原理,利用多纵模输出的激光束，经过特殊的调制，使其各纵模之间有确定的相位关系，从而发生相干叠加，形成窄脉冲。,1、多模激光器的输出特性,2、锁模基本原理,采取适当措施，使各纵模相位差为常数。,即：使各模的相位按照“等相位差”的关系被锁定。,腔长越长，荧光线宽越大，则腔内振荡的纵模数越多，锁模脉冲的峰值功率就越大。在一般固体激光器中，振荡纵模数目很多（可达103104），所以锁模脉冲的峰值功率可以很高。,(2N1）个模式，位相锁定后，脉冲峰值光强是未锁模时的（2N+1）倍。,表71典型锁模激光器的脉冲宽度激光器类型脉冲宽度（测量值）/s氦氖61010Nd:YAG7.61011红宝石1.21011钕玻璃41013若丹明6G31014Ar1.31010GaAlAs(0.530)1012InGaAsP1013(450)1012,7.4.2实现锁模的方法,主动锁模;被动锁模；自锁模,1、主动锁模:,在激光谐振腔内插入一个受外部信号控制的调制器，用一定调制频率周期性地改变谐振腔内振荡模的振幅或相位,2.被动锁模,在谐振腔内插入可饱和吸收染料来调节腔内损耗。,工作原理：,由于染料的可饱和吸收系数随光强的增加而下降，所以弱信号损耗大，强信号损耗小，光脉冲每经过染料和工作物质一次，其强弱信号的强度相对值就改变一次，在腔内循环多次后，极