激光原理及应用：第7章激光器特性的控制与改善

1、第七章 激光器特性的控制与改善,模式选择、稳频等：改善激光器输出光的 时间相性或空间相干性。 Q调制、锁模等：获得窄脉冲高峰值功率的激光束。 本章介绍以上控制与改善激光器特性的各种技术的原理及其理论,7.1 模式选择,7.1 模式选择,一、横模选择,7.1 模式选择,谐振腔中不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础,激光器以TEM00模单模运转的充分条件是: TEM00模的单程增益至少应能补偿它在腔内的单程损耗，即应有,而损耗高于基模的相邻横模(如TEM10模)，却应同时满足,在各个横模的增益大体相同的条件下，不同横模间衍射损耗的差别就是进行横模选择的根据。因此，必须尽量增大高阶横模与基模的

2、衍射损耗比，10/00越大，则横模鉴别力越高。同时尽可能减少其他损耗，增加衍射损耗在总损耗中占有足够的比例,7.1 模式选择,衍射损耗的大小及模鉴别力的高低与谐振腔的腔型和菲涅耳数有关,横模选择的几种具体方法,1. 谐振腔参数g、N选择法：适当选择谐振腔的类型和腔参数g、N值，使谐振腔的衍射损耗满足在上面两式 ，可使激光器输出基横模激光束,7.1 模式选择,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，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.小孔光阑选模：实质是使光斑尺寸较小的基模无阻挡地通过小孔光阑，而光斑尺寸较大的高阶横模却受到阻拦而遭受较大的损耗,7.1

3、模式选择,4.腔内加入透镜选横模： （1）单透镜聚焦选模,2）望远镜谐振腔选模,7.1 模式选择,二、纵模选择,谐振腔中不同纵模有着相同的损耗，但由于频率的差异而具有不同的小信号增益系数。扩大和充分利用相邻纵模间的增益差，或人为引人损耗差是进行纵模选择的有效途径。 具体方法如下: 1.短腔法,式中 为由G0()/l条件决定的振荡带宽。这一方法适用荧光谱线较窄的激光,缩短谐振腔长度，可增大相邻纵模间隔，以致在荧光谱线有效宽度内，只存在一个纵模，从而实现单纵模振荡,7.1 模式选择,2.法布里珀罗标准具选纵模,自由光谱区,7.1 模式选择,3.复合腔法,福克斯史密斯干涉仪选模,1,2,7.2 频率

4、稳定,7.2.1 频率的稳定性,1 、频率的稳定度和复现性,稳定度,复现性,在一定时间内,在不同时间、地点、环境,2 、影响频率稳定的因素,当谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的纵模频率q为,频率q在一定的范围内漂移,7.2 频率稳定,1、兰姆凹陷稳频,兰姆凹陷法以增益曲线中心频率。为参考标准频率，电子伺服系统通过压电陶瓷控制激光器的腔长，使频率稳定于0,7.2.1 稳频的方法,分类：主动稳频和被动稳频,考虑一个原子的两个能级之间的光谱跃迁，在无外磁场时，这个跃迁的能量为： 在外加磁场时，两能级的能量分别为： 或,2、塞曼稳频,选择定则是,其中M=0跃迁谱线称为分支线， M=1跃迁谱线称

5、为分支线,双频稳频系统的组成,塞曼稳频系统的工作原理,3、饱和吸收稳频,1)饱和吸收稳频装置,2)饱和吸收稳频原理,7.3 Q调制,7.3 调Q技术,7.3.1 调Q激光器工作原理,7.3 Q调制,储存在腔内的总能量； P：单位时间内损耗的能量,7.3.2 Q调制方法,某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体的不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变化的现象称为电光效应。 其中折射率的变化和电场成正比的效应称为普克尔效应； 折射率的变化和电场强度平方成正比的效应称为克尔效应。 电光调Q就是利用晶体的普克尔效应来实现Q突变的方法,1.电光调Q,2.声光调Q,当声波在

6、某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期变化，形成等效的位相光栅，其光栅常数等于声波波长s，光束射经此介质时发生衍射，一部分光偏离原来方向,3.染料调Q(被动控制,以上讨论的Q调制方式属于工作物质储能调Q，即在低Q值状态下激光工作物质的上能级积累粒子，当Q值突然升高时形成巨脉冲振荡，同时输出光脉冲，如图所示，上述方式称作脉冲反射式调Q,4. 脉冲透射式调Q-(腔倒空,图(b)示出另一种谐振腔储能调Q过程。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

7、中。 t=0时，控制M2镜使其透射率达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,7.3 Q调制,7.3.4 调Q激光器基本理论,1. 调Q激光器的峰值功率,三能级系统速率方程,由P41，式3-29得,由P142，式6-11得,消去dt,对其进行积分,2. 巨脉冲的能量,储能,工作物质中剩余能量,输出巨脉冲能量,其中,能量利用率,越小,越高,储能越大,巨脉冲能量E越大,影响,的因素,当,时，巨脉冲熄灭,3. 巨脉冲的时间特性,7.4 超短脉冲技术,目的： 压缩脉冲宽度,高峰值功率,Q开关激光器一般脉宽达10-8s-10-9s量级,如果再

8、压缩脉宽,Q开关激光器已经无能为力,但有很多实际应用需要更窄的脉冲. 例: 1.激光测距，为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好. 2.激光高速摄影.为了拍照高速运动的物体,提高照片的清晰度,也要压缩脉宽. 3.对一些超快过程的研究,激光核聚变,激光光谱,荧光寿命的测定,非线性光学的研究等需窄的脉宽,锁模的类型（激光器纵模横模） (1)纵模锁定 指同一横模中不同纵模之间的锁定，一般采用基横模中不同 的纵模， ，q是纵模序数，这种纵模锁定理论成熟，应用 广。经过纵模锁定后，激光器输出的是脉宽在ps或更窄飞秒量 级的一序列脉冲。 (2)横模锁定 指的是同一纵模不同横模锁定。q-固定值，m、n是变化的。

9、如果是圆对称横模，输出的光束是一个其横向强度分布图是高斯型的基横模的形状，但光束半径周期性变化。 (3)纵横模同时锁定 对于，m、n、q变化。输出的光束，无论在轴向或横向，光 都被限制在一个小的空间范围内，这一光点将在激光腔内按照 几何光学的路程来回扫描，因此输出的脉冲以激光输出镜的不 同位置来出现,1.末锁模多纵模激光器的输出特性 未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。多纵横，主要讨论各模之间的关系，把每一模式的光波做为一束光来处理,纵模频率,频率间隔,假定在激光器工作物质净增益线宽内超过阈值的纵模即在腔内振荡的模式有2N1个。 每个纵模电场表示式 式中 和 分别是第q模的角频率和相位， 第

10、q模的电场振幅，q 激光器内2N1个振荡模中第q个纵模数,7.4.1 锁模原理,各振荡模的振幅和相位无规则分布 -中心频率处的振幅大，远离中心小，且它们之间变化无规律。 -各模的初相位，在 之间分布， 或 常数。 对于不同的时间，每个模的 振幅和相位也有变化， 随时间漂移,激光器内2N1个振荡模的电场之和,输出的光强是各个纵模无规叠加。 输出的光强是各纵模光强的无规叠加，接收到的光强是时间的平均值。总光强的平均值是各纵模光强之和,由于激光器中存在频率牵引和排斥作用，各相邻纵模之间的频率间隔不是严格相等,要使各模变成时间相干波，需要具备三个条件，而各纵模频率间隔相等并固定 ，各模振动方向或方式相

11、同-激光器 固有性质，只要使各相邻模之间具有固定的相位关系即： 常数 锁模：即是使各相邻模之间的相位固定，使各模变成时间相干 波。 注意：每一模式看成一束光波。对于多模激光器，包括多个纵模，横模，模式不同类型不同,2. 锁模的基本原理,假设中心纵模频率 ，初相位 ，纵模序数q=0,相邻纵模角频率之差,在z=0处,第q个纵模的光波场,激光输出2N+1个纵模相干的结果,总光波场,利用三角函数,设Eq=E0,振幅,1）峰值功率,未锁定,光强与(2N+1)成正比。 锁模后，(2N+1)个模相干，光强与(2N+1)2成正比。 提高(2N+1)倍,2）周期,3）脉宽,7.4.2 锁模方法,1)主动锁模 主

12、动锁模采用的是周期性调制谐振腔参量的方法,2)被动锁模 产生超短脉冲的另一种有效的方法是被动锁模,3)自锁模 当激活介质本身的非线性效应能够保持各个振荡纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系，不需要在谐振腔内插入任何调制元件，就可以实现纵模锁定的方法,4) 同步泵浦锁模 如果要通过周期性地调制谐振腔的增益来实现锁模，则可以采用一台主动锁模激光器的脉冲序列泵浦另一台激光器来获得。这种方式就是同步泵浦锁模,1、主动锁模,主动锁模是在激光腔内插入一个调制器，调制器的调制频率应精确地等于纵模间隔，这样可以得到重复频率为fc/2L的锁模脉冲序列。 根据调制的原理，可分为相位调制(PM)(或频率调制F

13、M)锁模及振幅调制(AM或称为损耗调制)锁模。下面讨论其原理及实现的方法,1）振幅调制锁模（AM,利用声光或电光调制器均可实现振幅调制锁模。设在某时刻t通过调制器光信号受到的损耗为(t)，则在脉冲往返一周 时，这个光信号将受到同样的损耗， 如(t) 0，则这部分信号就会消失。而在损耗(t) 0时刻通过调制器的光，那么将形成脉宽很窄，周期为2L/c的脉冲序列输出,图所示为时域内损耗调制锁模原理波形图。图(a)为调制信号的波形； 图(b)为腔内损耗的波形，其频率为调制信号频率的两倍； 图(c)为调制器透过率波形,下面从频率域讨论锁模原理,设,调幅系数,由调制激发的边频实际上是与0相邻的两个纵模频率

14、，这样使得与它相邻的两个纵模开始振荡，它们具有确定的振幅和与0相同的相位关系。而后 ，1和-1通过增益介质被放大，并通过调制器得到调制，调制的结果又激发新的边频2= 1+ c/2L和 -2= -1- c/2L 及3= 2+ c/2L和-3 = -2- c/2L等等。此过程继续进行，直到落在激光线宽内的所有纵模被激发为止,2）相位调制锁模（AM,相位调制是在激光腔内插入一个电光调制器。当调制器介质折射率按外加调制信号而周期性改变时，光波在不同的时刻通过介质，便有不同的相位延迟，这就是相位调制的原理。下面以铌酸理(LN)晶体相位调制器为例予以说明,式中，n0为寻常光折射率； ne为非常光折射率；1

15、3和33为电光系数；Ez为在z方向施加的电场,右图表示了晶体折射率的变化n(t)、光波相位延迟(t)及频率变化情况。 相位调制器的作用可理解为一种频移，使光波的频率发生向大(或小)的方向移动。脉冲每经过调制器一次，就发生一次频移，最后移到增益曲线之外。类似于损耗调制器，这部分光波就从腔内消失掉。只有那些与相位变化的极值点(极大或极小)相对应的时刻，通过调制器的光信号，其频率不发生移动，才能在腔内保存下来，不断得到放大，从而形成周期为2L/c的脉冲序列,2、被动锁模,在腔内放一个装有机染料的染料合，依靠有机染料的饱和吸收过程（有机染料的饱和吸收原理在Q开关中已经讲过），染料的吸收率是频率和光强的

16、函数,与Q开关的区别,染料的激发态寿命不同（很短ps量级，在ns量级） 在锁模中要求染料的激发态寿命，光在往返一次的周期内，染料对光的吸收具有周期性，因而光波的变化具有周期性。周期均为 ，相当于腔内纵模变化的频率 。 染料合紧靠全反镜 一般把染料的一面做成全反即合为一体，使光通过染料合间隔,被动锁模的动力学过程,3、同步泵浦锁模,4、自锁模,利用增益介质自身的非线性克尔效应实现锁模，称为自锁模,7.5 激光调制技术,激光光波场,7.5.1 激光调制的基本概念,1、振幅调制,调制信号,2、频率调制和相位调制,调制后总相角,调制波的表达式,调相波的表达式,由于调频和调相都是调制总相角，可统一表示为

17、,利用三角公式展开,展开,调频波的表达式,式7-78,3、强度调制,3、脉冲调制,7.5.2 电光调制、声光调制和磁光调制,1、电光调制,电光调制的物理基础为电光效应,自然双折射:光入射到晶体中产生两种折射光，称为双折射,O光：遵循折射定律， e光：不遵循折射定律,线偏振光，偏振 方向垂直,晶体的光轴：光沿该方向传播不产生双折射,纵向电光调制（通光方向与电场方向一致,光强正比于电场的平方,以KDP晶体为例推导折射率变化,为KDP晶体的电光系数， 表征电光效应特性,光方向和电场方向一致,半波电压,半波电压是使二正交本征模通过晶体后产生 相位差所需要的外加电压值,电光晶体中半波电压越小越好，且常用

18、静态法测出该值,失真,解决失真的方法,a.在调制晶体上加一个恒定的直流电压,该直流电压使两束光产生 相位延迟,b.在光路中增加一块 波片,电光相位延迟,当电场加在Z轴方向时,当光通过长为L的晶体后产生相位差,可见：感应双折射引起的两偏振光的相位差与外加电压V成正比,外电场不改变输出光的偏振状态，只改变其延迟相位。光通过晶体后，相位的变化为,定义：当光在建立起超声场的介质中传播时，由于弹光效应，光被介质中的超声波衍射或散射的现象,声光效应包含三方面的含义,1) 在介质中必须存在超声场,2) 弹光效应： 当介质中有超声波传播时，由于超声波是弹性波，在介质中就产生了随时间和空间周期变化的弹性应变，因

19、而介质中各点的折射率就会随着该点上的弹性应变而发生相应的改变。折射率的改变影响了光的传播特性,2、声光调制,3)光被介质中的超声波场衍射或散射,由声光介质、电声换能器、吸声(或反射)装置以及电源组成,超声波表达式为,介质折射率的变化正比于介质质点沿x方向位移 的变化率，即,式中， 弹性应变振幅,则介质折射率为,1） 行波,介质折射率为,上式说明： 1)介质折射率的增大、减小交替进行,2)折射率是时间和坐标的函数，因此光栅不是固定的。移动的速度是超声波的速度vs,2）驻波 当两列超声波在同一直线上，沿相反方向传播时，形成驻波,单一波，方程如下,则合成声波方程,布拉格衍射,喇曼奈斯衍射,声光介质是

20、声光相互作用的场所，通过控制 声场的变化，就可以控制衍射光强度的变化， 从而制成光强度调制器,电声换能器利用晶体的反压电效应制备而 成，在电场作用下产生机械振动形成超声波， 起着将调制的电功率转换成声功率的作用,吸声(反射)装置放置在超声源对面，行波则 吸收，工作与驻波则反射,2、磁光调制,磁光效应是磁光调制的物理基础。当光波通过这种磁化的物体 (磁性物质）时，其传播特性发生变化，这种现象称为磁光效应。 磁光效应包括法拉第旋转效应、克尔效应、磁双折射效应等。其中最主要的是法拉第旋转效应，它使一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度 的大小与沿光束方向的磁场强H

21、和光在介质中传播的长度L之积成正比，即 VHL,式中，V称为韦尔德(verdet)常数，它表示在单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度,磁光体调制器的组成如下图所示。工作物质钇铁石榴石(YIG或掺Ga的YIG棒)放在沿轴方向z的光路上，它的两端放置有起、检偏器，高频螺旋形线圈环绕在YIG棒上，受驱动电源的控制，用以提高平行于z轴的信号磁场。为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场Hdc，其强度足以使晶体饱和磁化。当工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播方向的磁场，入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，旋转角与磁场强度H成

22、正比,z,因此，只要用调制信号控制磁场强度的变化，就会使光的偏振面发生相应的变化。但这里因加有恒定磁场Hdc ，且与通光方向垂直，故旋转角与Hdc成反比，于是,式中，s 单位长度饱和法拉弟旋转角；H0sinH t是调制磁场。如果再通过检偏，就可以获得一定强度变化的调制光,7.5.3 直接调制,直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源(激光二极管LD)，从而获得已调制信号。由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制，它是目前光纤通信系统普遍使用的实用化调制方法。根据调制信号的类型，直接调制又可以分为（连续的）模拟调制和数字（脉冲编码）调制两种,半导体激光器是电子与光子相互作用并进行能

23、量直接转换的器件。下图示出了砷镓铝双异质结注入式半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系曲线。半导体激光器有一个阈值电流 It，发射激光的强弱直接与驱动电流的大小有关。若把调制信号加到激光器(电源)上，即可以直接改变(调制)激光器输出光信号的强度,7.6 激光偏转技术,使激光束相对于原始位置作一定规律的偏转扫描。大屏幕显示、图象传真、雷达的搜索和跟踪、印刷技术及大容量光存储器的寻址检索等应用,光偏转技术分为两类： （1）模拟式偏转，偏转角连续变化， （2）数字式偏转，在选定空间中的某些特定位置上，使光束离散(不连续)地偏转,前者多用于各种显示，后者主要用于光存储,利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动，改变反射光或折射光的方向。 转镜偏转扫描的优点是： 扫描角度大于30；可分辨象素多，光学损失小等。 反射镜鼓上有n块相同的反射 镜旋转时，每块反射镜依次将入射光束在光屏上扫描一次。 缺点:受电机转速的限制，扫描速度较低,1、机械偏转,图是一种由电光晶体和双折射晶体组合而成的数字式偏