第7章激光原理复习总结

1、第七章,激光器特性的控制与改善,7.1,模式选择,1,横模选择,I,I,0,r,1,r,2,1,exp,2gL,I,I,0,单模运转条件,g,0,l,0,g,00,10,l,e,r,1,r,2,1,00,1,e,r,1,r,2,1,10,1,2,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,衍射损耗差,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,1/23,影响衍射损耗的因素,a,与腔型和,g,参数有关，不同的腔型和,g,衍射损耗不同,b,同一种腔型，不同横模，衍射损耗不同,模,最小，随着模序数增加,越来越大,TEM,

2、1,00,00,c,同一种腔型，菲涅尔数,不同，衍射损耗不同,2,N,a,L,2/23,横模选择方法,谐振腔参数,g,N,选择（谐振腔设计,小孔光阑,非稳腔,微调谐振腔,3/23,小孔光阑,选横模,小孔,小孔光阑选模,基本思路,减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗,TEM,00,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,4/23,非稳腔,选横模,非稳腔属于高损耗腔，相邻横模间衍射损耗差异大，适,用于高增益激光器选横模,微调谐振腔,平面腔,腔镜倾斜使基模衍射损耗显著增加，利于高阶模的输出,稳定腔：基模体积最小，受腔倾斜的影响小，高阶模的损耗显著,增加，利于基模输出,5/2

3、3,2,纵模选择提高时间相干性,纵模,选择原则,扩大,相邻纵模的,增益差,或人为,引入损耗差,即振荡线宽内单纵模起振,选纵模,方法,短腔法缩短腔长，增大纵模间隔,c,q,osc,2,L,适用于,荧光线宽窄的激光器,选择性损耗法（腔内插入,F-P,标准具,6/23,行波环形腔,激光工作物质,外腔半导体激光器,LD,M,1,隔离器,M,2,M,3,抑制空间烧孔效应,组合腔,适当选择,M,1,M,2,的反射率，改,变,M,3,的位置可选出单模腔长,频率满足干涉仪反射频率,的模式损耗最小而起振,7/23,7.2,频率稳定,一、稳频目的,使频率本身稳定，即不随时间、地点变化，稳频是实,际的要求,q,q,

4、c,2,L,频率的稳定性主要取决于,L,的稳定,8/23,二、稳频的一般原理,1,稳频的原理,采用负反馈电路控制稳频技术。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标准,频率时,鉴频器,给出误差讯号,通过负反馈电路去控制腔,长，使激光频率自动回到标准频率上,2,鉴频器：是稳频的关键部件,任务,a,提供标准频率,b,频率鉴别：当激光器振,荡频率偏离标准频率时，能够鉴别出来,对鉴频器的要求,a,中心频率要稳定，标准频率不,能有漂移,b,灵敏度要高，微小变化能鉴别,鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器、以,外界标准频率做鉴频器,9/23,三、稳频方法,兰姆凹陷稳频,塞曼稳频,饱和吸收稳

5、频,无源腔稳频,反,兰姆凹陷稳频,10/23,7.3,Q,调,制,1,调,Q,目的意义,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,1,抑制弛豫振荡,使激光在,n,达到最大时在极短时间内发生,2,通过某种方法使,腔内损耗,按规定的程序变化,3,调节,Q,值的途径,一般采取,改变腔内损耗,的办法来调节腔内的,Q,值,4,调,Q,技术,就是通过,某种方法使腔的,Q,值随时间按一定程序变化的技术,或者说使腔的,损耗,随时间按一定程序变化的技术,11/23,5,操作程序,泵浦激励期间,激光产生之前,Q,开关关闭,高损耗,低,Q,n,t,高,反转粒子数

6、积累,在适当时刻,增益达到极大值,Q,开关打开,低损耗,高,Q,n,t,低,受激辐射放大形成巨脉冲,6,调,Q,过程,能量贮存过程,激光产生与输出过程,12/23,7,调,Q,方法,1,电光调,Q,2,声光调,Q,3,饱和吸收调,Q,4,转镜调,Q,13/23,一、电光调,Q,基本工作原理,透反镜,4,电压,YAG,偏振器,全反镜,氙灯,带偏振器的电光调,Q,装置,电光晶体,电光晶体调,Q,属于,快开关类型,是目前应用最广泛的一种,Q,开,关,其主要缺点是半波电压较高，需要几千伏的高压脉冲，对,其他电子线路易造成干扰,14/23,二,声光调,Q,原理,输出镜,激光介质,声光器件,全反镜,声光调

7、,Q,属于,快开关类型,只能用于低增益的连续激光器上,15/23,三、饱和吸收染料的调,Q,原理,激光,激光介质,染料盒,全反镜,输出镜,氙灯,染料透过率与光功率密度的关系,开始泵浦,腔内荧光弱,吸收系数大,Q,值低,不能形成激光,继续泵浦,腔内荧光变强,吸收系数变小,荧光达到一定值时，吸,收系数饱和,燃料被漂白,Q,值突增，形成激光脉冲,泵浦结束,饱和吸调,Q,是,一种被动式的快开关类型,结构简单，使用方便,没有电的干扰,产生调,Q,脉冲的时刻有一定的随机性，不能人为,地控制。染料易变质，需经常更换，输出不稳定,16/23,四、转镜调,Q,利用改变反射镜的平行度反射损耗来控制,Q,值的方法。

8、如图所示,的是转镜调,Q,激光器的示意图。它是把脉冲激光器谐振腔的全反,射镜用一直角棱镜取代，该棱镜安装在一个高速旋转马达的转,子上，由于它绕垂直于腔的轴线作周而复始的旋转，因此构成,一个,Q,值作周期变化的谐振腔,镜架,棱镜,磁头,磁钢,激光介质,半反,激光,光泵,电源,电动机,转镜调,Q,属于慢开关类型,目前已基本上不采用,触发电路,17/23,四、脉冲透射式调,Q,腔倒空,cavity depletion,谐振腔由全反射镜,M1,和,可控反射镜,M2,组成,t0,时,M2,镜全反,射,谐振腔处于高,Q,值状态,激光器振荡但无输出。激光能量储存,于谐振腔中,t=0,时,控制,M2,镜使其透

9、射率达,100,储存于腔内,的激光能量迅速逸出腔外,于是输出一巨脉冲。这种调,Q,方式称,作,脉冲透射式调,Q,或腔倒空,由于这种调,Q,方式是在全透射情况,下输出光脉冲,光子逸出谐振腔所需最长时间为,2L/c(L,为谐振腔,光程长,所以输出光脉冲持续时间约等于,2L/c,脉宽仅为数纳秒,18/23,PTM,Pulse Transmission Modulation,PRM,Pulse Reflection Modulation,振荡次数,调,Q,方式,特,点,建立时间,脉宽,脉冲反射式调,Q,能量储存在,介质,脉冲透射式调,Q,能量储存在,腔内,工作物质储能,输出激光脉冲,谐振腔储能,输出激

10、光脉冲,2nL/c,几十,ns,2L/c,几,ns,脉冲反射式调,Q,脉冲透射式调,Q,工作物质储能,谐振腔储能,输出激光脉冲,脉冲反射透射式调,Q,19/23,7.4,注入锁定,注入锁定,弱信号注入一自由运转的振荡器中产生锁定振荡器振,荡特性的现象,注入锁定意义,用一束弱的、性能优良的激光束控制一个强激光器输,出光束的光谱、模式相位及空间特性,20/23,7.5,锁模,锁模概念,使各纵模在,时间上同步，频率间隔也保持一定,则激光器,将输出脉宽极窄、峰值功率很高的,超短脉冲,实现锁模的锁模的主要方法,主动锁模,Actively mode locked,被动锁模,Passive mode locking,自锁模,self mode locking,