第六章 激光器特性的控制与改善书中公式.ppt

6.1模式选择一、横模选择横模选择的物理基础谐振腔中具有不同的损耗在稳定腔中基模的衍射损耗最低，激光器TEM00模运转的充分条件是：TEM00模的单程增益至少应补偿它在腔内的单程损耗相邻模应满足1.小孔光阑选模2.谐振腔参数选模3.非稳腔选模4.微调谐振腔倾斜增加稳定腔高阶模的损耗,第六章激光器特性的控制和改善,6.3Q调制一、Q调制激光器工作原理1.t0光泵阶段，高损耗nt/，低Q值，反转粒子数n随时间增加2.t=0反转粒子数达到最大值ni，Q值突然升高，损耗突然降低nt3.0ttp随受激辐射腔内光子N数迅速增加，反转粒子数减少4.t=tp反转粒子数减少到阈值nt，腔内光子数增大到最大值Nm4.ttp腔内光子数迅速减少到零，反转粒子数减少到nft0t0,6.3Q调制一、Q调制方法1.电光调QKD*P纵向加压,电光晶体,薄膜偏振片,激光晶体,/4波片,加压式调Q,退压式调Q,x,y,x/,y/,一、Q调制方法2.声光调Q当声波在介质中传播时，导致介质折射率的周期变化，形成等效的位相光栅光栅常数等于声波波长，当声波频率较高声光作用距离足够长，满足入射光与声波面夹角满足出射光分裂为零级、+1级，或-1级布拉格衍射，一级衍射光与入射光强之比为：位相变化幅度为,Ii,I-1,I0,3.被动调Q饱和吸收效应可以控制谐振腔的损耗利用两能级速率方程，可求出中心频率处的吸收系数中心频率处的饱和光强,T,I/Is/,激光晶体,饱和吸收晶体,三、Q调激光器基本理论1.调Q激光器的峰值功率Q开关打开时的腔内光子数和反转粒子数的速率方程脉冲形成时间极短，忽略自发辐射和泵浦激励消去dt对上式积分得,当反转粒子数等于阈值反转粒子数时，腔内光子数达到极值所以激光器的峰值输出功率为,2.巨脉冲的能量,三能级系统中每发射一个光子，反转粒子数减少2，腔内巨脉冲能量为式中是储存在工作物质中可转变为激光的初始能量储能，减去巨脉冲熄灭后剩余能量输出巨脉冲能量为能量利用率为储能越高，巨脉冲能量就越大，nf/ni越小，则越高,3.巨脉冲的时间特性,巨脉冲的宽度定义为对反转粒子数方程积分得代入腔内光子数，得则可求得巨脉冲上升沿和下降沿（1）初始反转粒子数与阈值反转粒子数之比越高（泵浦越强），脉冲宽度越窄（2）腔寿命与脉冲宽度成正比，因此和腔长成反比。,nN,nt/,nt,n,N,Nm,nf,ni,t,tp,Nm/2,t,tc,电光晶体,薄膜偏振片,激光晶体,/4波片,腔倒空式调Q激光器,四：脉冲透射式调Q激光器,6.5锁模调Q技术压缩激光脉冲宽度获得高峰值功率的下限L/C腔长比光速类比光栅中的多光束干涉（频率空间），在时间空间各个纵模相干叠加获得超短脉冲一、锁模原理一般激光器的输出具有多个纵模，每个纵模电场分量如下：两个相邻纵模的的角频率差若两个纵模的初始位相和强度相等t=0时干涉光强最大，经T0后位相差增加2因此当t=mT0，二模位相差再次增加2，再次干涉光强最大，其周期为对腔内所有可能的2N+1个模式振荡若初始相位差保持一定（相位锁定）,忽略频率牵引和频率推斥，在z=0处，第q个模的电场强度为2N+1个模式合成的电场强度为设各模式的振幅相等，则利用三角级数求和公式，可得2N+1个模式合成的电场的频率为0，振幅A(t)随时间而变化，输出光强,当（t+）=2m，光强最大，最大峰值光强为模式未锁定时，各模不相干，输出功率为各模功率之和模式锁定后，峰值功率提高了2N+1倍相邻脉冲的时间间隔为T0周期T0等于光脉冲在谐振腔内往返一周所需的时间脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔为脉冲宽度等于全部纵模的带宽，显然它必须小于工作物质增益线宽,一、实现锁模的方法1.主动锁模增益曲线中心的纵模首先振荡，在声光调制器的作用下，其电场强度为令Em/E0=Ma,称调幅系数，电场强度改写为将上式展开除含有原有频率外又产生上下两个边带，又激起新的边带，直至增益线宽超阈值范围的纵模均被耦合而产生振荡。另一解释为，所有锁定的纵模锁模脉冲在特定时间内无损耗地通过调制器，其他光信号因损耗被抑制，形成周期为2L/c窄脉冲,1.被动锁模SESAM半导体可饱和吸收镜半导体可饱和吸收镜因饱和吸收损耗可用于纵模相位锁定，脉冲的前