1-第三章-激光原理与技术

1、 光电子技术基础与应用 第一章 激光原理与技术 第一讲物理与微电子科学学院School of Physics and MicroelectronicsScience 2016 年 3 月第五章第五章 光调制技术光调制技术光信息系统的信号加载与控制（八、九、十讲）光信息系统的信号加载与控制（八、九、十讲） 第七章第七章 光电显示技术光电显示技术（十三、十四、十五讲）（十三、十四、十五讲） 第九章第九章 光盘与光存储技术光盘与光存储技术（二十、二十一、二十二讲）（二十、二十一、二十二讲）第八章第八章 光通信无源器件技术光通信无源器件技术（十六、十七、十八、十九讲）（十六、十七、十八、十九讲）1第二

2、章第二章 光学基础知识与光场传播规律光学基础知识与光场传播规律（二讲）（二讲） 2第三章第三章 激光原理与技术激光原理与技术（三、四、五讲）（三、四、五讲） 3第四章第四章 光波导技术基础光波导技术基础（六、七讲）（六、七讲） 45第六章第六章 光电探测技术光电探测技术（十一、十二讲）（十一、十二讲） 6789第一章第一章 绪论（一讲）绪论（一讲） 讲授内容 光调制技术光信息系统的信号加载与控制（五、六讲）（学生六讲） 光电显示技术（九、十讲）（学生十讲） 光盘与光存储技术（十四、十五讲）（学生十五讲）光通信无源器件技术（十一、十二、十三讲）（学生十二、十三讲）激光原理与技术（第一、二讲）（学

3、生二讲）3光波导技术基础（三、四讲）（学生四讲） 4 讲授内容 5光电探测技术（七、八讲）（学生八讲） 6789 讲授内容 n 上课安排：n 共七章，每章我讲一次，研究生讲一次（第六章二次），三人一组（第六章二组，七人），自由分组。每组选一位组长，负责内容协调。 n 成绩构成：n 上课签到：30%n 课堂讲解：30%n 结题报告：40%上课安排及成绩构成 激光原理与技术 1相干光相干光源、非源、非相干光相干光源与激源与激光光 3.1 3.3 3.2 3.5 光与物质光与物质相互作用相互作用理论理论 激光产生激光产生与传播基与传播基础础 激光激光产生产生的条的条件件 激光器激光器的基本的基本结构

4、及结构及输出输出 激光激光的特的特点点 3.4 激光激光器的器的种类种类 3.6 3.8 3.7 3.10 激光激光脉冲脉冲技术技术 激光激光选模选模技术技术 激光激光稳频稳频技术技术 其他其他激光激光技术技术 3.9 n 按功率： u 超大、 u 大、 u 中、 u 小； n 输出激光连续性： u 连续、 u 脉冲； n 泵浦方法： u 光泵浦、 u 电泵浦； p 气体： p 应用广： u 小功率He-Ne， u 大功率CO2； p 多连续，激励涉及能级固定，气体放电电子碰撞激发； p 能级跃迁： u 原子、 u 离子、 u 分子、 u 准分子。 3.6.1 气体激光器气体激光器 3.6.2

5、 液体激光器 3.6.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 n 常按工作物质： n 工作物质：中性气体原子； n 代表: He-Ne; He:Ne=1:10, Ne供跃迁能级； p 发光 ：0.6328 m红，3.39, 1.15 m红外。腔镜0.6328 m； p 输出功率：小（几-100mW）；

6、p 转换功率：低（0.01%）；）； p 性能：单色好，线宽窄， 稳，方向好，发散角小，相干长度（几十km） p 应用：精量、准直、测距、通讯、跟踪及全息。 1. 原子气体激光器原子气体激光器 2. 离子气体激光器 3.6.1 气体激光器气体激光器 3.6.2 液体激光器 3.6.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器 3.6.5 常

7、见激光器性能比较 3. 分子气体激光器 4. 准分子激光器 图图3-19 He-Ne激光器结构激光器结构 n 工作物质：离子气体； n 输出 ：紫外、可见；最强0.4880蓝和0.5145 m绿； n 输出功率：原子气体；500MW/cm2，最大150W，可见光连续输出功率最大气体激光器，脉冲1kW/ s； n 代表：Ar+； n 能转功率：几 n 需泵浦功率高，耗热多， 加冷却水，热交换器; n 用途： 彩电，全息照相，信息存储，快速排字，医学，染料激光器泵浦源。 1. 原子气体激光器 2. 离子气体激光器离子气体激光器 3.6.1 气体激光器气体激光器 3.6.2 液体激光器 3.6.3

8、固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 3. 分子气体激光器 4. 准分子激光器 图图3-19 Ar+激光器结构激光器结构 (b) 横向放电大气压(TEA) n 工作物质：中性气体分子； n 代表：CO2，充气：1:4:5=CO2:N2:He n 输出 ：10.6 m红外，通信“大气窗口” n 用途：地面和

9、空间通信光源；效率：30% n 输出功率I：管长正比，易从1m激光器获100W连续I 输出; n 分：(a) 直流放电、(b) 横向放电大气压和(c) 波导型； n 特点：效率高、工作稳、单色好。 1. 原子气体激光器 2. 离子气体激光器 3.6.1 气体激光器气体激光器 3.6.2 液体激光器 3.6.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半

10、导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 3. 分子气体激光器分子气体激光器 4. 准分子激光器 图图3-21 CeO2激光器结构激光器结构 光纤衰减图光纤衰减图 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口第三窗口第三窗口衰减衰减(dB/km)水峰值水峰值 6 54321 0.85 m 1.31 m 1.55 m 1. 原子气体激光器 2. 离子气体激光器 3.6.1 气体激光器气体激光器 3.6.2 液体激光器 3.6.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理

11、论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 3. 分子气体激光器分子气体激光器 4. 准分子激光器 n 工作物质：稀有气体及与卤素混合； n 输出 ：紫外高效脉； n 用途：分光、激光加工、光刻光源； n 准分子：稀有气体稳；激发态稳； n 稀有与卤素气体组合不同激光 不同。 1. 原子气体激光器 2. 离子气体激光器 3.6.1 气体激光器气体激光器 3.6.2 液体激光器 3.6

12、.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 3. 分子气体激光器 4. 准分子激光器准分子激光器 ArKrXeF193249351Cl175222308Br282表3-1 准分子激光器 /nm n He, Ne由压力数 kPa 稀有和数百Pa 卤素组成混合气体稀释数百kPa混合气体工作物质；n 输出能量数

13、百 Jn 发光效率1%n 重复 数kHz 层流式染料激光器 n 工作物质：液体；无机、有机液体。重要染料染料； n 优点： 可调（紫-红外），价低，增益、效率高，易制，均匀好，输出功率可与固体和气体比，可循环，利冷却； n 典型：若丹明（罗丹明罗丹明或玫瑰红，玫瑰红，相关萤光酮萤光酮杂环杂环化合物）6G染料 n 泵浦： 稍激光器输出 光泵； n 泵浦方式：(1) 横向：泵浦光束与染料激光束 (2) 纵向：同轴同轴 (3) 倾斜：成锐角成锐角 3.6.1 气体激光器 3.6.2 液体激光器液体激光器 3.6.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3

14、 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 n 工作物质：生长时掺杂原子晶体； n 特点：体小，稳，易维护，输出功率大适调Q高功率脉冲，锁模超短脉冲 n 例：红宝石，Nd:YAG，钛蓝宝石激光器； n Nd:YAG激光器： p 激活介质：YAG（Y3Al5O12）和杂质稀土Nd3+ p ：最强1.06 m；脉冲、连续； p 优点：受激辐射跃迁几率大、阈值低、易连续发射； p 泵浦：u 高强Xe

15、灯，脉冲0.5ms，平均功率20kW，转换效率低（0.1%） u 二极管激光器，全固态小型，转换效率10% Nd:YAG激光器结构 3.6.1 气体激光器 3.6.2 液体激光器 3.6.3 固体激光器固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 p 工作物质：化合物半导体； p 泵浦：I 注入； p 特点： u

16、输入能量最低，效率最高，体积最小，重量最轻，直接调制，结构简，兼容集成电路，价低，可靠，寿命长； p 销量占激光器99。3.6.1 气体激光器 3.6.2 液体激光器 3.6.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 图3-23 同质结半导体激光器结构与输出E p 工作物质： 半导体有源区：-

17、V化合物，GaAs，InP直接带隙，跃迁几率很大，效率高 p 粒子数反转分布p-n结正向大注入实现： 正向偏压，电子和空穴耗尽层注入p和n侧，导带存在电子价带空穴，粒子数反转； p 谐振腔解理形成： GaAs折射率很高，解理面反射35%入射光，成F-P腔， 两腔面镀反射和增透膜， 运行效果。 1. 同质结半导体激光器同质结半导体激光器 2. 异质结半导体激光器 3. 量子阱半导体激光器 3.6.1 气体激光器 3.6.2 液体激光器 3.6.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特

18、点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 半导体激光器工作过程 (c) 受激发射 (d) 激光产生 (a) 自发辐射 (b) 粒子数反转 1. 同质结半导体激光器同质结半导体激光器 2. 异质结半导体激光器 3. 量子阱半导体激光器 3.6.1 气体激光器 3.6.2 液体激光器 3.6.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点

19、3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 p 阈值I：产生输出需最小注入；性能参数，与材料，工艺相关， 随T (a) 光输出-I 曲线 (b) 光输出- 曲线理想半导体激光器输出特性 注入I阈值I u (a)：理想LD输出-I，I 轴交点阈值I u (b)：注入I阈值I，p-n结输出 u 阈值，线宽变窄。 1. 同质结半导体激光器同质结半导体激光器 2. 异质结半导体激光器 3. 量子阱半导体激光器 3.6.1 气体激光器 3.6.2 液体激光器

20、3.6.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 u不同Eg半导体薄层，GaAs和AlGaAs，夹心； u高Eg势垒阻止注入载流子向注入端深层扩散， 反转粒子密度，改善激光器T 特性，缩短有源区， 阈值I 密度； uAlGaAs/GaAs/AlGaAs双异质结半导体激光器： 低Eg不掺杂GaA

21、s（1.4eV）夹二重掺杂高EgAlGaAs（1.7eV）间，双异质p-i-n. GaAs有源层，正向偏置n和p区AlGaAs向有源区注电子和空穴； u与同质结激光器比： p 有源层薄、阈值I 密度低、内损低、电-光转换效率高、变混晶比调输出 1. 同质结半导体激光器 2. 异质结半导体激光器异质结半导体激光器 3. 量子阱半导体激光器 3.6.1 气体激光器 3.6.2 液体激光器 3.6.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光

22、脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 p 两高势能阱壁夹低势能阱，双异质半导体势阱。有源区到德布罗意波 (10nm)，量子尺寸效应，量子阱量子阱。 u量子阱半导体激光器： p 有源区夹层量子阱重叠成半导体激光器； u应变量子阱阵列激光器：p 变重叠层晶格常数量子阱层形成应变，输出功率更高。 u优点：p 阈值I小，功耗更低，输出功率更高，光谱更纯，T特性更好，噪音更低，响应v更快， 覆盖更宽，更易阵列化； p 光信息实用光源实用光源。 1. 同质结半导体激光器 2. 异质结半导体激光器 3.

23、 量子阱半导体激光器量子阱半导体激光器 3.6.1 气体激光器 3.6.2 液体激光器 3.6.3 固体激光器 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光激光器的种器的种类类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.6.4 半导体激光器半导体激光器 3.6.5 常见激光器性能比较 激光器激光器运转方式运转方式 (nm)平均功率平均功率(W)峰值功率峰值功率(kW)脉宽脉宽转换效率转换效率%红宝石红宝石脉冲脉冲694.311010410

24、ns1ms0.1Nd:YAG连续连续106415013Nd:YAG脉冲脉冲106440020000100.5 5ms13Nd:YAG调调Q脉冲脉冲106442000010 20ns13HeNe连续连续632.810-3 10-2Cu脉冲脉冲510.54010020 40ns1HeCd连续连续3250.1Ar+连续连续514.5101500.1CO2连续连续10640101031020CO2脉冲脉冲1064010010000100500ns10N2脉冲脉冲337.10.1100010ns受激辐射 率， N仍 ，t=t2，二者v=， N极值； 2. t2t3： N Nth，激光继续， 仍剧 ，受激

25、辐射 N 率续 ， 泵浦引率， N ，t=t3， N 回 Nth； 3. t3t4：t3后， N Nth，增益0，受激辐射0， N续 ，率小，t=t4， = 率， N极小； 4. t4t5：t4后， N 率占优势，到t5，再达 Nth，下轮。 尖峰效应t0 光子数密度 p 泵浦t内，重复，尖峰结构，泵浦越强，尖峰快，t间隔小 p 特点： 1. N在 Nth近振荡，水平不高，增益不太大，总输出不高； 2. 泵浦期内，激光出现早，结束晚，脉宽宽； 3. 脉冲不平滑。 3.7.1 脉冲激光器的尖峰效应脉冲激光器的尖峰效应 3.7.2 激光调 Q 技术 3.7.3 激光锁模技术 3.1 相干光源、非相

26、干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光激光脉冲技术脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术p 激光不久1961，提调Q，1962第一台调Q激光器。脉冲输出性能改善几量级。 p 脉宽压缩ns，峰功率MW，测距，雷达，加工测距，雷达，加工和动态全息照相动态全息照相用。 p 泵浦开始 谐振腔损耗，振荡阈值 ，振荡难，上能级反转粒子密度积累，最大，腔损耗突变小，Q突 ，腔极速建立强振荡，短t内反转粒子大量消耗，变腔内能量，输出强脉冲激光巨脉冲或调Q脉冲；

27、 p 谐振腔损耗： 反射，吸收，衍射，散射，透射，反射，吸收，衍射，散射，透射，控制损耗，不同调Q； Q定义： 衡量谐振腔质量，量度腔内损耗。 每秒钟损耗的激光能量腔内储存的激光能量02Q3.7.1 脉冲激光器的尖峰效应 3.7.2 激光调激光调 Q 技术技术 3.7.3 激光锁模技术 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光激光脉冲技术脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术p 谐振腔两反射镜之一装旋转轴，每转动周期，两反射

28、镜面平行损耗最小，控制转镜，控制光腔反射损耗控制光腔反射损耗达调Q目的。 1. 转镜调转镜调Q技术技术 2. 染料调Q技术 转镜调Q 3.7.1 脉冲激光器的尖峰效应 3.7.2 激光调激光调 Q 技术技术 3.7.3 激光锁模技术 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光激光脉冲技术脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3. 电光调Q技术 4.声光调Q技术 p 染料对光吸收系数随光强变染料对光吸收系数随光强变调Q，开关延迟

29、t材料定，被动调Q. p 固体激光器光腔插装饱和染料盒。染料对振荡 吸收，系数随入射光 而 。p 染料盒插谐振腔，激光器泵浦，腔光强弱，染料对光吸收强，腔损大，Q很低，不形成激光； p 泵浦继续，亚稳离子越积越多，腔光强 ，吸收 ，Q ； p 泵浦光大到一定，染料对该 光变透明染料漂白染料漂白，Q最大，Q开启，输出强激光脉冲。 染料调Q1. 转镜调Q技术 2. 染料调染料调Q技术技术 3.7.1 脉冲激光器的尖峰效应 3.7.2 激光调激光调 Q 技术技术 3.7.3 激光锁模技术 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结

30、构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光激光脉冲技术脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3. 电光调Q技术 4.声光调Q技术 p 格兰格兰-付克付克棱镜偏振器。工作物质氙灯泵浦产生无规偏振光无规偏振光，过起偏器变线偏光线偏光；起偏片后电光晶体电光晶体， /4电压，线偏光过晶体变圆偏光圆偏光，经反射镜二次过调制晶体，振动向转90o，不过检偏片，Q开关闭。 p 腔阈值低，撤晶体加V，偏振光过检偏片，开关开，阈值加大。 p 电路特性（锯齿波）控制氙灯触发和电光开关，控开启和延迟t，调Q产生巨脉冲。 p 晶体特殊向切割，某向加V，线偏光变振

31、动向，加V与振动向改变有关，辅其他元件，成快速光开关，调Q. 电光调Q激光器起偏起偏 检偏检偏 1. 转镜调Q技术 2. 染料调Q技术 3.7.1 脉冲激光器的尖峰效应 3.7.2 激光调激光调 Q 技术技术 3.7.3 激光锁模技术 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光激光脉冲技术脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3. 电光调电光调Q技术技术 4.声光调Q技术 p 声光器件腔内按Blagg条件条件放置。 u 加高频

32、振荡超声信号加高频振荡超声信号，光沿blagg角偏谐振腔轴，腔损严重，Q低，不形成振荡；泵浦使工作物质亚稳粒子积累； u 撤超高频振荡声场撤超高频振荡声场，光无偏折过晶体，Q突 ，强脉冲输出。 u 电路特性（锯齿波）控氙灯触发和Q突变与延迟， 调Q产产生巨脉冲。 1. 转镜调Q技术 2. 染料调Q技术 3.7.1 脉冲激光器的尖峰效应 3.7.2 激光调激光调 Q 技术技术 3.7.3 激光锁模技术 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光激光脉冲技术脉冲技术

33、 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3. 电光调Q技术 4.声光调声光调Q技术技术 声光调Q激光器p 激光器不同振荡模式，不关联，非相干，振幅与相位独立； p 模式t 同步，相位一致，总光场各模式光场相干叠加，输出超短脉冲，参与模越多参与模越多，不均匀分布越尖，脉宽越窄，峰功率越高。 p 所有模耦合一起把各模相位锁定相位锁定：锁模， p 技术：锁模技术。与调Q区别：区别： u 调Q： 缩脉宽， 峰功率有效，脉宽下限决定光子平均驻腔寿命，ns短脉冲短脉冲。 u 锁模： 比调Q更窄脉冲，超短脉冲。超短脉冲。经：主动，被动，同步泵浦，碰撞，耦合腔锁模，20世纪60年代p

34、s，70年代亚ps，80年代几十fs，90年代数fs。 3.7.1 脉冲激光器的尖峰效应 3.7.2 激光调 Q 技术 3.7.3 激光锁模技术激光锁模技术 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光激光脉冲技术脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术p 内调制锁模内调制锁模： 腔插电或声光调制器锁模，调 精确=纵模间隔，振荡模式相振荡模式相位同步位同步锁模技术； 1. 主动锁模主动锁模 2. 被动锁模 3. 自锁模 3.7.1

35、 脉冲激光器的尖峰效应 3.7.2 激光调 Q 技术 3.7.3 激光锁模技术激光锁模技术 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光激光脉冲技术脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术p 类类染料被动开关染料被动开关，薄可饱和吸收染料盒插自由运转环形谐振腔环路中点，相反向两脉冲精确同步达吸收体，碰撞，相干叠加，获有效锁模碰撞方式； 1. 主动锁模 2. 被动锁模被动锁模 3. 自锁模 3.7.1 脉冲激光器的尖峰效应 3.7.

36、2 激光调 Q 技术 3.7.3 激光锁模技术激光锁模技术 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光激光脉冲技术脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术p 增益调制实现锁模： u锁模激光器序列脉冲输出泵浦另激光器，两光腔长度等，增益受调制，最大增益更窄序列脉冲输出； p 自锁模技术同步锁模同步锁模。 1. 主动锁模 2. 被动锁模 3. 自锁模自锁模 3.7.1 脉冲激光器的尖峰效应 3.7.2 激光调 Q 技术 3.7.3

37、激光锁模技术激光锁模技术 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光激光脉冲技术脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术激光原理与技术 3相干光相干光源、非源、非相干光相干光源与激源与激光光 3.1 3.3 3.2 3.5 光与物质光与物质相互作用相互作用理论理论 激光产生激光产生与传播基与传播基础础 激光激光产生产生的条的条件件 激光器激光器的基本的基本结构及结构及输出输出 激光激光的特的特点点 3.4 激光激光器的器的种类种

38、类 3.6 3.8 3.7 3.10 激光激光脉冲脉冲技术技术 激光激光选模选模技术技术 激光激光稳频稳频技术技术 其他其他激光激光技术技术 3.9 u 模式，高质量激光束： p 单横模单横模 p 单纵模单纵模 u 工作物质均匀均匀或非均匀加宽；非均匀加宽；谐振腔稳定稳定或非稳定腔，非稳定腔，输出多模式，光强分布不均，发散角大，模多，单色和方向性差，应用不利。 u 限制振荡模式，限制振荡模式，选模选模： 1. 谱线选择； 2. 偏振选择； 3. 对压缩振荡激光束发散角、改善方向横模选择技术； 4. 限制振荡激光频谱数纵模选择技术。 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理

39、论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光激光选模技选模技术术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术u 工作物质含多谱线多谱线，泵浦引粒子数反转分布粒子数反转分布多谱线激光输出； u 振荡固定单谱线，腔放棱镜，腔放棱镜，调棱镜位置需 光达高反射镜，反馈。 3.8.1 激光谱线选择激光谱线选择3.8.2 偏振选择 腔内棱镜法谱线选择 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3

40、.7 激光脉冲技术 3.8 激光激光选模技选模技术术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.8.3 横模选择3.8.4 纵模选择 u 气体激光器两端放布儒斯特窗布儒斯特窗（布氏布氏），腔镜反射回进入激光工作物质光束： p TM偏振光无损过布氏窗过布氏窗振荡； p TE偏振光受高反射损耗，难振荡，偏振激光输出； u 布氏窗内置式内置式。 布儒斯特窗法偏振选择 3.8.1 激光谱线选择3.8.2 偏振选择偏振选择 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光脉

41、冲技术 3.8 激光激光选模技选模技术术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.8.3 横模选择3.8.4 纵模选择 u 控制光腔横向尺寸，基横模TEM00振荡，高阶横模不振荡，滤掉； u 基础：不同横模损耗不同； u 横模选择原则： 高阶与基横模衍射损耗比； 工作物质内与镜面损耗， 谐振腔衍射损耗总损耗占比； u 横模选择法： p 小孔光阑、 p 聚焦光阑、 p 猫眼谐振腔、 p 非稳腔法： 3.8.1 激光谱线选择3.8.2 偏振选择 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6

42、 激光器的种类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光激光选模技选模技术术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.8.3 横模选择横模选择 3.8.4 纵模选择 1. 谐振腔腔型与参数选择： u 选谐振腔类型类型和参数参数，高阶模损大，基模损小，横模选择目的。衍射损耗光腔理论：衍射损耗光腔理论： 稳腔多横模振荡，非稳腔抑制高阶模，不同横模损差异大， 很好横模选择光腔； 2. 小孔光阑选择： u 腔插小孔光阑插小孔光阑，允许基横模过，高阶模阻挡掉横模选择光腔； 3. 自孔径选模： u 选光腔参数光腔参数 基横模晶体光斑尺寸， 有效基横模体积基横模体积，限制小孔光阑模式； 4. 棱镜选模： u

43、 棱镜临界角附近反射率随入射角变，棱镜临界角附近反射率随入射角变，代替光腔反射镜选模。 1. 谐振腔腔型与腔参数选择法谐振腔腔型与腔参数选择法 2. 小孔光阑选择小孔光阑选择 3.8.1 激光谱线选择3.8.2 偏振选择 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光激光选模技选模技术术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.8.3 横模选择横模选择 3.8.4 纵模选择 3. 自孔径选模自孔径选模 4. 棱镜选模棱镜选模 1. 色散腔

44、法 p 谐振腔插色散分光元件，插色散分光元件，不同 光空间分离，一 光损小，满足振荡，其他光损大，不振荡； 2. 短腔法 p 缩短谐振腔长缩短谐振腔长，无源谐振腔纵模间隔纵模间隔 ，增益线宽，仅一纵模增益； p He-Ne激光器，腔长 到10cm，单纵模运转。缩短腔长 输出功率，适用：窄增益线宽小功率激光器； 1. 色散腔法纵模选择技术色散腔法纵模选择技术 2. 短腔法短腔法 3.8.1 激光谱线选择3.8.2 偏振选择 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激

45、光脉冲技术 3.8 激光激光选模技选模技术术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.8.3 横模选择 3.8.4 纵模选择纵模选择 3. 复合腔法 4. 行波腔法 3. 复合腔法 p 大腔长主腔大腔长主腔（工作物质）和短腔长子腔短腔长子腔组复合腔复合腔， u 主腔主腔允许多纵模， u 子腔子腔干涉允许一纵模过，其他损耗大，选单纵模保大功率； 4. 行波腔法 p 均匀加宽，增益饱和模式竞争利单纵模振荡，驻波空间烧孔空间烧孔存在，激励足够强多纵模振荡。 p 两反射镜两反射镜构环形光腔，环形光腔，腔插允许光单向传输隔离器，隔离器，内成无空无空间烧孔间烧孔、行波沿逆或顺时针向传播单纵模输出。

46、1. 色散腔法纵模选择技术 2. 短腔法 3.8.1 激光谱线选择3.8.2 偏振选择 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光激光选模技选模技术术3.9 激光稳频技术 3.10 其他激光技术3.8.3 横模选择 3.8.4 纵模选择纵模选择 3. 复合腔法复合腔法 4. 行波腔法行波腔法 第二讲 激光原理与技术 3相干光相干光源、非源、非相干光相干光源与激源与激光光 3.1 3.3 3.2 3.5 光与物质光与物质相互作用相互作用理论理

47、论 激光产生激光产生与传播基与传播基础础 激光激光产生产生的条的条件件 激光器激光器的基本的基本结构及结构及输出输出 激光激光的特的特点点 3.4 激光激光器的器的种类种类 3.6 3.8 3.7 3.10 激光激光脉冲脉冲技术技术 激光激光选模选模技术技术 激光激光稳频稳频技术技术 其他其他激光激光技术技术 3.9 u 现象： p 选模得单频振荡， 短，内外条件变引腔长和工作物质n微小变，相位变大，致谐振 增益线型内移，输出 变 漂移； u 稳频技术： p 解决 漂移漂移； u 描述 稳定性参数： p 稳定度、再现度稳定度、再现度； u 技术核心：p 保持腔长保持腔长和折射率稳折射率稳； u

48、 引起腔长变因素： p 温度温度起伏、机械运动机械运动、光学元件变光学元件变、磁场影响； u 引起折射率变因素： p 外腔或半外腔激光器暴露大气部分随空气n变引腔 变。 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光激光稳频技术稳频技术 3.10 其他激光技术u 稳频： 被动被动和主动式主动式； u 恒温恒温、防震防震、密封密封、隔声隔声、稳压电源稳压电源、小膨胀系数材料小膨胀系数材料稳频；u 不稳度10-7：被动稳频被动稳

49、频； u 10-8以上 稳定，伺服系统伺服系统对激光器自控稳频，某跃迁谱线参考标准, 电子学伺服回路技术将激光器 锁在不变 ：主动稳频；主动稳频； p 稳频激光器： 1. 632.8nmHe-Ne:I2稳频激光器：稳度稳度510-13，复现性复现性110-10 2. 513.8nmAr+:I2稳频：稳度稳度510-14，复现性复现性1.510-12 3. 3.39 mHe-Ne:CH4（甲烷分子）稳频：稳度稳度510-15，复现复现310-14 4. CO2稳频：稳度稳度510-14，复现性复现性110-10 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 激光脉冲技术 3.8 激光选模技术3.9 激光激光稳频技术稳频技术 3.10 其他激光技术激光原理与技术 3相干光相干光源、非源、非相干光相干光源与激源与激光光 3.1 3.3 3.2 3.5 光与物质光与物质相互作用相互作用理论理论 激光产生激光产生与传播基与传播基础础 激光激光产生产生的条的条件件 激光器激光器的基本的基本结构及结构及输出输出 激光激光的特的特点点 3.4 激光激