第6章 调Q技术与锁模

第6章调Q技术与锁模技术,6.1调Q技术6.2锁模技术,调Q技术脉宽纳秒量级峰值功率106W以上锁模技术脉宽皮秒或飞秒量级峰值功率10W,6.1调Q技术,最早出现在1962年巨脉冲：高峰值功率的窄脉冲普通脉冲激光器输出的驰豫振荡产生非线性光学分支推动激光雷达、激光测距、高速摄影、核聚变等应用技术的发展,6.1.1调Q的基本理论,一、脉冲固体激光器输出的驰豫振荡驰豫振荡：尖峰脉冲的宽度约为0.11ns，间隔约为510us,光泵越强，尖峰脉冲个数越多，但包络的峰值增加不多最根本的原因：激光器的阈值始终保持不变,二、谐振腔的品质因数可以表征谐振腔损耗的大小当,三、调的基本原理光泵初期调高器件的振荡阈值突然调低器件的阈值激光振荡的阈值条件而则调技术的本质：控制谐振腔的损耗,模式数,光子在腔内的寿命,谐振腔一般的种损耗反射损耗吸收损耗衍射损耗散射损耗输出损耗根据损耗的控制方法不同分类控制反射损耗电光调Q机械转镜调Q控制吸收损耗可饱和吸收染料调Q控制衍射损耗声光调Q控制输出损耗透射调Q,调Q激光器的要求1.工作物质高抗损伤阈值激光上能级寿命要比较长2.光泵谱速率光泵谱速率大于上能级的自发辐射速率否则反转粒子数的积累水平不高3.Q值突变Q值的变化应与腔建立激光振荡的时间相近否则使脉冲展宽,四、调Q激光器的两种储能方式工作物质储能调Q谐振腔储能调Q1.工作物质储能调Q脉冲反射式调（法）将能量以激活离子的形式储存在工作物质中(1)工作过程,三个特殊的时刻：.值阶跃上升的时刻（t0)2雪崩过程形成的时刻（t）.光子数密度达到最大值的时刻（tp)三个过程：.自发辐射为主的过程.雪崩过程.光子数密度衰减的过程,（）特点巨脉冲的宽度一般为1020ns边振荡边输出，输出光脉冲的形状与腔内光强的变化状态一致激光振荡终止，工作物质中残留一部分反转粒子数,谐振腔储能调（脉冲透射式调，法）将能量以光子的形式储存在谐振腔中，当腔内光子数密度达到最大值时，瞬间将腔内能量全部输出（腔倒空法）,偏振棱镜,（）工作过程V=0腔内损耗极大，值很低，不能形成激光振荡，积累反转粒子数,腔内损耗很低，值突增，激光振荡建立当工作物质中的储能全部转化为腔内光子能量时,迅速撤去晶体上的电压,形成巨脉冲,特点腔能瞬间倒空更窄线宽更高峰值功率更高能量利用率,6.1.2调Q激光器的速率方程,描述腔内光子数和工作物质的反转粒子数随时间变化规律的方程组几点说明：单程损耗函数是理想的阶跃变化函数工作物质的能级结构为二能级系统；开关打开前，不存在自发辐射，开关打开后，光泵立即停止只用来研究值阶跃后的脉冲形成过程,一、调激光器的速率方程工作物质受激辐射过程中,腔内光子数密度随距离Z的增长率腔内光子数密度随时间的增长率为腔内光子数密度随时间的衰减率为,值阶跃后的单程损耗率,光子在谐振腔内的寿命,腔内光子数密度总的变化率为腔内总光子数的变化率当增益等于腔损耗时,得阈值增益系数令则增益系数正比于反转粒子数N,则,设时间内，反转粒子数的变化量为dN.简化的二能级系统，每产生一个光子，反转粒子数相应地减少两个，则得速率方程,二、速率方程的解1.腔内光子数Q值阶跃变化,则当N=Nt时，腔内光子数达最大值,利用台劳级数在t附近展开2.峰值功率m设谐振腔输出反射镜的透过率为（另一腔镜为全反镜），腔长为，光在腔内的运动速度为，则,输出反射镜单位时间内光能量的衰减率,输出能量单脉冲的能量利用率定义意义：一个调脉冲可以从工作物质的储能中提取多大比率的能量对巨脉冲无贡献，以荧光的形式消耗掉脉冲终止时，,代入,调脉冲的时间特性（脉宽和波形）,脉宽：半功率点间的宽度当取值不同时，用数值法求出的一些典型激光巨脉冲波形和脉宽,上升段时间,下降段时间,由图可知，对巨脉冲的上升时间影响很大，随着，上升时间急剧缩短，下降时间与关系不大，下降时间主要取决于光子在腔内的自由衰减寿命,Q开关开启速度的快慢直接影响巨脉冲的性能,快开关开关时间远小于脉冲建立的延迟时间阶跃函数开关慢开关开关时间与脉冲建立的延迟时间相差不多或者更长线性函数开关抛物线函数开关不足：容易引起多脉冲的形成,6.1.3电光调Q,一、晶体的电光效应基础Kerr效应（二次电光效应）：各向同性的透明介质在电场作用下变为双折射介质的现象。Pockels效应：某些晶体在电场作用下产生与电场的一次方成比的电光效应。电光调Q即是利用某些晶体所具有的线性电光效应实现Q值突变的优点：开关时间短；效率高；调Q的时间可以精确控制；系统工作稳定；重复频率高；输出脉冲窄（10-20ns);峰值功率高（几十兆瓦以上）,电光晶体：单轴晶体要求：电光系数大；抗破坏阈值高；光学质量好等常用的电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾）类晶体和LiNbO3类晶体纵向电光效应,E=0晶体在三个感应主轴方向上的折射率分布为,产生的相位差在出射表面，两偏振光合成振动的偏振状态取决于所加电压大小不同，合成的偏振光偏振状态不同,二、带偏振器的Pockels电光调器件、激光器的结构,偏振器兼作起偏和检偏作用采用KD*P晶体纵向电光效应工作原理V=0,腔的损耗很低,Q值很高，打开状态V=V/4时,腔的损耗很高,Q值很低，关闭状态器件的工作状态,关键问题1.准确控制Q开关打开的延迟时间2.电光晶体的x轴(或y轴)与偏振棱镜的起偏方向二者之间的相对位置实际运用中，关键问题的解决第一，做好“关门”实验调Q激光器安装好后,给KDP电光晶体加恒定的V/4电压,并绕其光轴转动晶体,打激光.反复微调电光晶体,直至其x轴(或y轴)与偏振棱镜的起偏方向平行.同时,适当微调V/4电压值,直至发射激光时,激光器完全不能振荡.说明电光Q开关已处于完全关闭的状态.,第二，准确调整开关的打开的延迟时间接通电光晶体上的高压退压电路,发射动态激光,微调氙灯开始泵谱到退去V/4电压之间的延迟时间电位器,边测量激光的强弱,边微调延时电位器旋纽,直到激光输出最强为止.消除电光晶体的光弹效应在外电场作用下,晶体内部会产生机械应力使晶体的折射率发生变化.给晶体加一个瞬时的负高压来消除光弹效应所造成的影响,三、单块双45电光调激光器利用LN晶体的横向电光效应激光器的结构,LN45斜面矩形长方体光轴Z轴电压X轴不影响通光,电场均匀结构优点:不需要加偏振器插入损耗小结构简单,工作原理,结论第一,AB段-起偏器;后段-检偏器;双45LN晶体等效于在两个偏振器之间夹一个电光晶体第二,当在晶体上加有V=V/2时,通过晶体的o光和e光都偏离了原来入射光的传播方向.此时,腔内光路不同,损耗很高,Q开关处于关闭状态,不能形成激光振荡.典型的双45LN调Q器件的脉宽为610ns,峰值功率大于10MW,单脉冲能量可达200mJ,四、电光晶体材料和电极结构电光晶体材料核心器件,电光晶体材料的选择:消光比,半波电压,抗破坏阈值和透过率(1)消光比衡量电光Q开关性能的重要指标取决于晶体折射率的均匀性KDP晶体的消光比可达104以上LN晶体的消光比,最高可达103(2)半波电压V/2高,使用不安全,对电路干扰大(3)抗破坏阈值能承受比较高的功率密度KD*P可达500MW/cm2LN晶体低,(4)透过率要求高的透过率,以减小插入损耗KD*P0.22.0um从可见光到1.4um,透过率85%LN晶体0.45um,最高透过率可达98%电光晶体的防潮问题:LN晶体不易潮解,无需密封KD*P易潮解,通光表面发毛,通光损耗增大,电极结构设计原则:使晶体内电场分布均匀横向运用的LN晶体,电场方向与通光方向垂直,电极作成平板形,6.1.4可饱和吸收调Q,利用可饱和吸收介质的吸收特性,将其置于谐振腔中,通过控制腔内的吸收损耗来实现Q值的突变优点:结构简单、方便实用被动Q开关最早出现于1964年,一、可饱和吸收染料调Q原理,可饱和吸收染料的性质:吸收系数非常数Is饱和吸收光强,与染料的种类和浓度有关浓度增大,Is增大可饱和吸收染料调Q适用于脉冲激光器,二、可饱和吸收染料的速率方程,二能级系统染料分子对频率v的激光辐射的吸收截面为在开始照射时，荧光很弱，染料物质在通光方向的厚度为l，初始吸收系数初始透过率为初始透过率是设计染料Q开关的主要参数。可直接用分光光度计测量,初始透过率低，腔内不能形成激光振荡，随着光泵的作用，染料分子跃迁到激发态，吸收截面减小进一步增大泵谱光，吸收截面进一步减小，最后达到动态平衡此时，吸收达到饱和，染料透明谐振腔实现了Q值的突变,产生巨脉冲,根据染料分子能级的速率方程推导其吸收截面随时间变化的规律染料分子激发态能级粒子变化的速率方程为,染料Q开关的吸收截面随时间和入射激光辐射密度变化的方程当入射光强度很强（很大）时，吸收截面很小，透过率最大，染料透明,三、染料调Q激光器结构,1染料调Q激光器结构脉冲激光器插入染料盒,染料三种基本要求:1.波长匹配且吸收带宽窄(见书251页)对激光波长具有强烈的可饱和吸收2.染料要有适当的饱和光强值表征染料饱和效应强弱的重要参量3.染料溶液要有良好的光化学稳定性,2.染料调Q激光器的输出特性（1）阈值输入能量使激光器输出单脉冲所对应的最低输入能量,（2）坪宽产生双脉冲的阈值输入能量与产生单脉冲的阈值输入能量之差泵谱能量控制在坪区的中点附件（3）阈值效率在阈值泵谱条件下,器件的输出能量与输入能量之比,3.影响染料调Q激光器输出特性的主要因素（1）染料浓度存在最佳浓度或最佳透过率当时,器件阈值效率最高对于输出波长1.06的中小功率器件,最佳透过率约为50%60%.（2）输入能量（3）染料盒结构染料盒溶液层的厚度和容积对输出性能的影响当T一定,染料层越薄,染料浓度越大（4）谐振腔输出镜反射率R应遵从小于静态激光器最佳值的原则,一般L=1mm,6.1.5声光调Q,将声光器件置于激光器的谐振腔中利用声光器件的声光衍射效应来控制谐振腔损耗以实现Q值的突变优点:性能稳定、重复频率高、调制电压低适用于中小功率、高重频的脉冲器件,一、弹光效应,由于外力作用而引起介质光学性质变化的现象称为弹光效应,二、声光效应,声波是一种弹性波(纵向应力波)，在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化.,由于声波的作用而引起介质光学性质变化的现象称为声光效应声光效应是弹光效应的一种类型,超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距(光栅常数)等于声波波长s当光波通过此介质时，就会产生光的衍射，其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化,光穿越声波传播的介质时，产生衍射按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光互作用可以分为：1.喇曼奈斯(Raman-Nath)衍射2.布喇格(Bragg)衍射,一、喇曼奈斯衍射,当超声波频率较低，光波垂直于声场传播方向入射，声光互作用长度L较短时，产生喇曼-奈斯衍射由于声速比光速小很多，故声光介质可视为一个静止的平面相位光栅声波长s比光波长大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制,通过光密(折射率大)部分的光波波阵面将推迟通过光疏(折射率小)部分的光波波阵面将超前通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱曲面由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分布的多级衍射光,声波在介质引起的弹性应变场：声光介质中折射率分布：声行波近似不随时间变化由于介质折射率发生了周期性的变化，所以会对入射光波的相位进行调制如果考察的是一平面光波垂直入射的情况，出射的光波不再是单色平面波，而是一个被调制了的光波，其等相面是由函数n(x)决定的折皱曲面波面上各点作为次波源，发出子波在空间相互干涉形成多级衍射条纹,n0：平均折射率n：声致折射率变化,衍射角,喇曼-奈斯声光衍射结果使光波在远场分成一组衍射光，它们分别对应于确定的衍射角(即传播方向)和衍射强度,对应不同m的取值，不同角方向的衍射光取极大值对于一定的和s，只有某些角满足条件例：m0,0为零级极值方向m1,为1级极值方向零级亮纹两边对称分布各高级亮条纹,衍射光强,这一组衍射光是离散型的各级衍射光对称地分布在零级衍射光两侧光功率分布在零级条纹上最大，各衍射条纹的光强值递减同级次衍射光的强度相等,二、布喇格衍射,当声波频率较高，声光作用长度L较大，而且光束与声波波面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，故介质具有“体光栅”的性质当入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质内各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+l级(或-1级)(视入射光的方向而定)衍射光，即产生布喇格衍射,若能合理选择参数，超声场足够强，可使入射光能量几乎全部转移到+1级(或-1级)衍射极值上光束能量可以得到充分利用利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率,图2声光调制器：(a)拉曼-纳斯型；(b)布喇格型,同一镜面上的衍射情况要使声波面上所有点同时满足这一条件，只有使不同镜面上的衍射情况,(m=0,1),(m=0,1),布喇格方程,考虑到，所以（取m=1)只有使入射角等于布喇格角时，声波面上衍射光波具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值,布喇格角,声波波速,判别喇曼奈斯衍射与布喇格衍射的条件：喇曼奈斯衍射：LL0,一、声光调Q原理,利用激光通过声光介质中的超声场时发生Bragg衍射,使光束偏离出谐振腔.损耗大,Q值很低当工作物质上能级粒子数积累到极大值时,突然撤去声光介质中的超声场,二、声光调Q激光器,组成：声光介质、电声换能器、吸声材料和驱动电源,声光介质：熔融石英、玻璃、钼酸铅等换能器：石英、铌酸锂等晶体制成吸声材料：铅橡胶或玻璃棉等声光Q开关一般用于增益较低的连续激光器,常用声光介质及其主要性能参数对声光介质的主要要求：对入射激光及超生波的吸收要小，具有大的品质因数，热学性能良好，介质在光学上是均匀的且能生成足够大的尺寸。,三声光调Q激光器的动态试验,试验步骤,使连续泵浦的YAG激光器正常运转，输出激光，并用功率计测量其输出功率将高频电信号注入声光器件，并逐步增加高频电压以增大超声功率直至激光被关断。加入KHZ量级的脉冲调制信号，使注入的高频电信号受到调制，开关时间（微秒量级）必须小于其脉冲建立时间。,6.1.6机械转镜调Q,原理采用机械转镜的方法控制谐振腔的反射损耗优点无插入损耗、无光损伤、适用于脉冲能量比较大的器件缺点开关速度慢,容易产生多脉冲,对机械件要求高,易磨损.,一、机械转镜调Q激光器的结构,二、工作原理,当谐振腔两个反射镜相互平行时,Q大其它时刻Q小当磁钢与磁头相切时,磁头线圈感应出脉冲信号准确控制触发脉冲至工作物质反转粒子数积累达到最大值的时间.延迟时间,6.2锁模技术,超短脉冲激光热核反应激光同位素分离精密测量等调Q技术无法获得超短脉冲产生1964年宽度皮秒至飞秒,6.2.1锁模的基本理论,模式纵模和横模锁模:纵模锁模横模锁模纵横模锁模,一、一般多纵模自由振荡激光器的输出特性,自由振荡激光器,多纵模输出,并由于各振荡模的非相干叠加而表现为随时间的不规则起伏,是一种时间平均的统计值.设激光器有2N+1个纵模振荡,其输出的电场为2N+1个纵模的电场之和,有多纵模自由振荡激光器的输出特点:(1)各纵模初相位无确定关系,它们是完全独立和随机的(2)频谱:各纵模不相干(由于频率牵引和推斥作用),(3)输出光强求和得若各纵模的振幅相等为则,二、锁模的基本原理,1.锁模的概念各振荡纵模初始相位锁定各振荡纵模频率间隔相等并固定为锁模激光器锁相,2.锁模脉冲的特征第q个纵模的光波电场为激光输出是2N+1个纵模相干的结果，总光波电场为利用三角级数求和公式,式中，振幅结论（1）2N+1个振荡纵模经过锁相后，总的光波电场为振幅受到调制、角频率为的单色余弦波,（2）锁模脉冲的周期、脉宽与极大值周期,极值点和零点2N+1个极值点和2N个零点脉宽,6.2.2实现锁模的主要方法,主动锁模:周期性调制谐振腔的参量被动锁模同步泵谱锁模自锁模碰撞锁模,6.2.3主动锁模原理与器件,一、振幅调制锁模（AM）1.工作原理(1)从时域角度分析,(2)从频域角度分析设调制信号,2.振幅调制锁模激光器(1)激光器结构,(2)调制器类型声光调制器优点：调制对比度高、功耗低和热稳定性好分类：Bragg衍射和Ramma-Nath衍射电光调制器(3)调制器的位置和尺寸尽量放置在靠近谐振腔反射镜的地方通光方向的尺寸应尽量小,（4）对锁模激光器的要求腔长L必须稳定，以保证纵模间隔稳定稳定腔长的措施：防震隔热设计稳定腔采用电子反馈系统监测腔长的变化并予以补偿,二、相位调制锁模(FM)在谐振腔内插入一个电光调制器实现原理：利用晶体的电光效应。当电光介质的折射率按照外加调制信号做周期性的变化时，光波在不同时刻通过该介质，变会产生不同的相位延迟。LiNbO3,沿晶体Z方向施加的电场为晶体的折射率为光波沿晶体x方向通过后产生的相位延迟为,相位调制器的作用理解为一个频