第6章 调Q技术与锁模

1、第第6章章 调调Q技术与锁模技术技术与锁模技术6.1 调调Q技术技术6.2 锁模技术锁模技术n调调Q技术技术 脉宽纳秒量级脉宽纳秒量级 峰值功率峰值功率106W以上以上n锁模技术锁模技术 脉宽皮秒或飞秒量级脉宽皮秒或飞秒量级 峰值功率峰值功率10W6.1 调调Q技术技术最早出现在最早出现在19621962年年巨脉冲：高峰值功率的窄脉冲巨脉冲：高峰值功率的窄脉冲普通脉冲激光器输出的普通脉冲激光器输出的驰豫振荡驰豫振荡产生非线性光学分支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应用技术的发展6.1.1 6.1.1 调调Q Q

2、的基本理论的基本理论一、脉冲固体激光器输出的驰豫振荡一、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驰豫振荡：尖峰脉冲的宽度约为0.10.11ns1ns，间隔约为间隔约为5 510us,10us,光泵越强，光泵越强，尖峰脉冲个数尖峰脉冲个数越多，但包络的峰值增加不多越多，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、谐振腔的品质因数二、谐振腔的品质因数可以表征谐振腔损耗的大小可以表征谐振腔损耗的大小 当当每秒损耗的激光能量腔内存储的激光能量02Q002/2nLnLEcEQ成反比与一定，和QL低，器件阈值低大，Q高，器件阈值高低，

3、Q三、调的基本原理三、调的基本原理 光泵初期调高器件的振荡阈值光泵初期调高器件的振荡阈值 突然调低器件的阈值突然调低器件的阈值 激光振荡的阈值条件激光振荡的阈值条件 而而 则则 调技术的本质：控制谐振腔的损耗调技术的本质：控制谐振腔的损耗cthAgn1212/QcQAgnth221模式数光子在腔内的寿命u谐振腔一般的种损耗谐振腔一般的种损耗 反射损耗反射损耗 吸收损耗吸收损耗 衍射损耗衍射损耗 散射损耗散射损耗 输出损耗输出损耗u根据损耗的控制方法不同分类根据损耗的控制方法不同分类控制反射损耗控制反射损耗 电光调电光调Q 机械转镜调机械转镜调Q控制吸收损耗控制吸收损耗 可饱和吸收染料调可饱和吸

4、收染料调Q控制衍射损耗控制衍射损耗 声光调声光调Q控制输出损耗控制输出损耗 透射调透射调Q54321n调调Q Q激光器的要求激光器的要求u1.1.工作物质工作物质 高抗损伤阈值高抗损伤阈值 激光上能级寿命要比较长激光上能级寿命要比较长u2.2.光泵谱速率光泵谱速率 光泵谱速率大于上能级的自发辐射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否则反转粒子数的积累水平不高u3.Q3.Q值突变值突变 Q Q值的变化应与腔建立激光振荡的时间相近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否则使脉冲展宽u四、调四、调Q Q激光器的两种储能方式激光器的两种储能方式 工作物质储能调

5、工作物质储能调Q Q 谐振腔储能调谐振腔储能调Q Q1.1.工作物质储能调工作物质储能调Q Q脉冲反射式调脉冲反射式调（法）（法）将能量以激活离子的形式将能量以激活离子的形式储存在工作物质中储存在工作物质中(1) (1) 工作过程工作过程u三个特殊的时刻：三个特殊的时刻：. .值阶跃上升的时刻（值阶跃上升的时刻（t t0 0) )2 2雪崩过程形成的时刻（雪崩过程形成的时刻（ t t）. .光子数密度达到最大值的时刻（光子数密度达到最大值的时刻（ t tp p) )u三个过程：三个过程：. .自发辐射为主的过程自发辐射为主的过程. .雪崩过程雪崩过程. .光子数密度衰减的过程光子数密度衰减的过

6、程（）特点（）特点巨脉冲的宽度一般为巨脉冲的宽度一般为101020ns20ns边振荡边输出，输出光脉冲的形状与腔内光强的边振荡边输出，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激光振荡终止，工作物质中残留一部分反转粒子数数谐振腔储能调（脉冲透射式调，谐振腔储能调（脉冲透射式调，法）法） 将能量以光子的形式储存在谐振腔中，当腔内光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）出（腔倒空法）偏振棱镜（）工作过程（）工作过程 V=0腔内损耗极大，值很低，不

7、能形成激光振荡，腔内损耗极大，值很低，不能形成激光振荡，积累反转粒子数积累反转粒子数2/VV 腔内损耗很低，值突增，激光振荡建立腔内损耗很低，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, ,迅速撤去迅速撤去晶体上的电压晶体上的电压, ,形成巨脉冲形成巨脉冲u特点特点腔能瞬间倒空腔能瞬间倒空更窄线宽更窄线宽更高峰值功率更高峰值功率更高能量利用率更高能量利用率6.1.2 调调Q激光器的速率方程激光器的速率方程u描述腔内光子数和工作物质的反转粒子数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随时间变化规律的方程组u几点说明：

8、几点说明： 单程损耗函数是理想的阶跃变化函数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，光泵立开前，不存在自发辐射，开关打开后，光泵立即停止即停止 只用来研究值阶跃后的脉冲形成过程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一、调激光器的速率方程 工作物质受激辐射过程中工作物质受激辐射过程中, ,腔内光子数密度腔内光子数密度随距离随距离Z Z的增的增长率长率 腔内光子数密度腔内光子数密度随时间的增长率为随时间的增长率为 腔内光子数密度腔内光子数密度随时间的衰减率为随时间的衰减率为Gdz

9、dncGdtdzdzddtdctnLctdtd1值阶跃后的单程损耗率光子在谐振腔内的寿命cnLtc 腔内光子数密度总的变化率为腔内光子数密度总的变化率为 腔内总光子数腔内总光子数的变化率的变化率 当增益等于腔损耗时当增益等于腔损耗时)1(ctncGdtd)1(ctncGdtd0dtd 得阈值增益系数得阈值增益系数 令令 则则 增益系数正比于反转粒子数增益系数正比于反转粒子数N,则则cttcnGctt)1()1(tcGGncGtdtd)1(tNNdtd)1(ctncGdtd 设设 时间内，反转粒子数的变化量为时间内，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，反转粒子数简化的二

10、能级系统，每产生一个光子，反转粒子数相应地减少两个，则相应地减少两个，则 得速率方程得速率方程dtNNddN2二、速率方程的解二、速率方程的解u1.腔内光子数腔内光子数 Q Q值阶跃变化值阶跃变化, , 则则 当当N=NN=Nt t时，腔内光子数达最大值时，腔内光子数达最大值)1(21NNdNdt)ln(21itiiNNNNN0i)ln(21itiNNNNN)ln(21itttimNNNNN 利用台劳级数在利用台劳级数在t附近展开附近展开u2.峰值功率峰值功率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镜），腔长为

11、，光在腔内的运动速度为，则，则2)1(4titmNNNmm0mmhP2) 1(41titmNNTNLhP输出反射镜单位时间内光能量的衰减率TL0u输出能量输出能量u单脉冲的能量利用率单脉冲的能量利用率 定义定义 意义：一个调脉冲可以从工作物质的储能中提取多大意义：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比率的能量 对巨脉冲无贡献，以荧光的形式消耗掉对巨脉冲无贡献，以荧光的形式消耗掉 脉冲终止脉冲终止时时，hNNEfi)(21ifiNNN 0)ln(21iftfifNNNNN)1(exp)exp(iftiiififNNNNNNNNNfN0f 代入代入)exp(tiifNNNN的储能到说

12、明一个脉冲取出了不时，当的储能说明一个脉冲取出了约，约为时当减小增大，增大，%60%605 . 1/%9505. 0/,3/tiiftiiftiNNNNNNNNNN 调脉冲的时间特性（脉宽和调脉冲的时间特性（脉宽和波形波形）dNNNtdtdtc221)ln(NNitticNNNNNNNdNtt形可求出脉冲下降段的波时，当形可求出脉冲上升段的波时，当fttiNNNNNNNN2121,)ln(21itttimNNNNN 脉宽：半功率点间的宽度脉宽：半功率点间的宽度 当当 取值不同时，用数值法求出的一些取值不同时，用数值法求出的一些典型激光巨脉冲波形和脉宽典型激光巨脉冲波形和脉宽frttt上升段时间

13、上升段时间下降段时间下降段时间tiNN / 由图可知，对巨脉冲的上升时间影由图可知，对巨脉冲的上升时间影响很大，随着，上升时间急剧缩响很大，随着，上升时间急剧缩短，短， 下降时间与关系不大，下降时间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主要取决于光子在腔内的自由衰减寿命的比值tiNN /的增大tiNN /的比值tiNN /Q开关开启速度的快慢直接影响巨开关开启速度的快慢直接影响巨脉冲的性能脉冲的性能n 快开关快开关u开关时间远小于脉冲建立的延迟时间开关时间远小于脉冲建立的延迟时间l 阶跃函数开关阶跃函数开关n 慢开关慢开关u开关时间与脉冲建立的延迟时间相差不多或者更开关

14、时间与脉冲建立的延迟时间相差不多或者更长长l 线性函数开关线性函数开关l 抛物线函数开关抛物线函数开关u不足：容易引起多脉冲的形成不足：容易引起多脉冲的形成6.1.3 电光调电光调Q一、晶体的电光效应基础一、晶体的电光效应基础 KerrKerr效应（二次电光效应）：各向同性的透明介质在电场效应（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。作用下变为双折射介质的现象。 PockelsPockels效应：某些晶体在电场作用下产生与电场的一次效应：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。方成比的电光效应。 电光调电光调Q Q即是利用某些晶体所具有的线性电光效应实

15、现即是利用某些晶体所具有的线性电光效应实现Q Q值值突变的突变的 优点：开关时间短；效率高；调优点：开关时间短；效率高；调Q Q的时间可以精确控制；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（系统工作稳定；重复频率高；输出脉冲窄（10-20ns);10-20ns);峰峰值功率高（几十兆瓦以上）值功率高（几十兆瓦以上） 电光晶体：单轴晶体电光晶体：单轴晶体 要求：电光系数大；抗破坏阈值高；光学要求：电光系数大；抗破坏阈值高；光学质量好等质量好等 常用的电光晶体：常用的电光晶体：KDKD* *P P（磷酸二氘钾）类（磷酸二氘钾）类晶体和晶体和LiNbOLiNbO3 3类晶体类晶体 纵

16、向电光效应纵向电光效应 E=0 晶体在三个感应主轴方向上的折射率分布为晶体在三个感应主轴方向上的折射率分布为11)1()1(226302630znyEnxEnezz12022enznyx0zEezzyzxnnEnnnEnnn63300633002121 产生的相位差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所加电压大小不同，合成的偏振光偏振状态不同 V2 lE26330z6330nnxynn633022nV633044nVV二、带偏振器的二、带偏振器的PockelsPockels电光调器件电光调

17、器件、激光器的结构激光器的结构 偏振器兼作起偏和检偏作用偏振器兼作起偏和检偏作用 采用采用KDKD* *P P晶体晶体 纵向电光效应纵向电光效应u工作原理工作原理 V=0,V=0,腔的损耗很低腔的损耗很低,Q,Q值很高，打开状态值很高，打开状态 V=VV=V/4 /4 时时, ,腔的损耗很高腔的损耗很高,Q,Q值很低，关闭状态值很低，关闭状态u器件的工作状态器件的工作状态u关键问题关键问题1.1.准确控制准确控制Q Q开关打开的延迟时间开关打开的延迟时间2.2.电光晶体的电光晶体的x x轴轴( (或或y y轴轴) )与偏振棱镜的起偏方向二者之间的相对位置与偏振棱镜的起偏方向二者之间的相对位置u

18、实际运用中，关键问题的解决实际运用中，关键问题的解决第一，做好第一，做好“关门关门”实验实验 调调Q Q激光器安装好后激光器安装好后, ,给给KDPKDP电光晶体加恒定的电光晶体加恒定的V V/4/4电压电压, ,并并绕其光轴转动晶体绕其光轴转动晶体, ,打激光打激光. .反复微调电光晶体反复微调电光晶体, ,直至其直至其x x轴轴( (或或y y轴轴) )与偏振棱镜的起偏方向平行与偏振棱镜的起偏方向平行. .同时同时, ,适当微调适当微调V V/4/4电压值电压值, ,直至发射激光时直至发射激光时, ,激光器完全不能振荡激光器完全不能振荡. .说明电光说明电光Q Q开关已处于完全关闭的状态开

19、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接通电光晶体上的高压退压电路, ,发射动态激光发射动态激光, ,微调氙灯微调氙灯开始泵谱到退去开始泵谱到退去V V/4/4电压之间的延迟时间电位器电压之间的延迟时间电位器, ,边测量边测量激光的强弱激光的强弱, ,边微调延时电位器旋纽边微调延时电位器旋纽, ,直到激光输出最强为直到激光输出最强为止止. .n 消除电光晶体的光弹效应消除电光晶体的光弹效应 在外电场作用下在外电场作用下, ,晶体内部会产生机械应力使晶体的折射晶体内部会产生机械应力使晶体的折射率发生变化率发生

20、变化. .n 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、三、单块双单块双4545电光调激光器电光调激光器利用利用LNLN晶体的横向电光效应晶体的横向电光效应激光器的结构激光器的结构 LN45LN45斜面矩形长方体斜面矩形长方体 光轴光轴Z Z轴轴 电压电压X X轴轴 不影响通光不影响通光, ,电场均匀电场均匀u结构优点结构优点: : 不需要加偏振器不需要加偏振器 插入损耗小插入损耗小 结构简单结构简单工作原理工作原理u结论结论第一第一,AB,AB段段- -起偏器起偏器; ;后段后段- -检偏器检偏器; ;双双4545LNLN晶体等晶

21、体等效于在两个偏振器之间夹一个电光晶体效于在两个偏振器之间夹一个电光晶体第二第二, ,当在晶体上加有当在晶体上加有V=VV=V/2 /2 时时 , ,通过晶体的通过晶体的o o光光和和e e光都偏离了原来入射光的传播方向光都偏离了原来入射光的传播方向. .此时此时, ,腔内腔内光路不同光路不同, ,损耗很高损耗很高,Q,Q开关处于关闭状态开关处于关闭状态, ,不能形不能形成激光振荡成激光振荡. . 典型的双典型的双4545LNLN调调Q Q器件的脉宽为器件的脉宽为6 610ns ,10ns ,峰值功率大于峰值功率大于10MW,10MW,单脉冲能量可达单脉冲能量可达200mJ200mJ 四、电光

22、晶体材料和电极结构四、电光晶体材料和电极结构电光晶体材料电光晶体材料核心器件核心器件电光晶体材料的选择电光晶体材料的选择: :消光比消光比, ,半波电压半波电压, ,抗破坏阈抗破坏阈值和透过率值和透过率(1)消光比消光比 衡量电光衡量电光Q Q开关性能的重要指标开关性能的重要指标 取决于晶体折射率的均匀性取决于晶体折射率的均匀性 KDPKDP晶体的消光比可达晶体的消光比可达10104 4以上以上 LNLN晶体的消光比晶体的消光比, ,最高可达最高可达10103 3(2)(2)半波电压半波电压V V/2/2 高高, ,使用不安全使用不安全, ,对电路干扰大对电路干扰大(3)(3)抗破坏阈值抗破坏

23、阈值 能承受比较高的功率密度能承受比较高的功率密度 KDKD* *P P可达可达500MW/cm500MW/cm2 2 LNLN晶体低晶体低(4) 透过率透过率 要求高的透过率要求高的透过率, ,以减小插入损耗以减小插入损耗 KDKD* *P P0.20.22.0um2.0um 从可见光到从可见光到1.4um,1.4um,透过率透过率85%85% LNLN晶体晶体0.40.45um,5um,最高透过率可达最高透过率可达98%98% 电光晶体的防潮问题电光晶体的防潮问题: : LNLN晶体不易潮解晶体不易潮解, ,无需密封无需密封 KDKD* *P P易潮解易潮解, ,通光表面发毛通光表面发毛,

24、 ,通光损耗增大通光损耗增大电极结构电极结构 设计原则设计原则: :使晶体内电场分布均匀使晶体内电场分布均匀 横向运用的横向运用的LNLN晶体晶体, ,电场方向与通光方向垂直电场方向与通光方向垂直, ,电电极作成平板形极作成平板形6.1.4 可饱和吸收调可饱和吸收调Qn 利用可饱和吸收介质的吸收特性利用可饱和吸收介质的吸收特性, ,将其置于谐振腔将其置于谐振腔中中, ,通过控制腔内的吸收损耗来实现通过控制腔内的吸收损耗来实现Q Q值的突变值的突变n 优点优点: :结构简单、方便实用结构简单、方便实用n 被动被动Q Q开关开关n 最早出现于最早出现于19641964年年一、可饱和吸收染料调一、可

25、饱和吸收染料调Q原理原理 可饱和吸收染料的性质可饱和吸收染料的性质: :吸收系数非常数吸收系数非常数 IsIs饱和吸收光强饱和吸收光强, ,与染料的种类和浓度有关与染料的种类和浓度有关 浓度增大浓度增大,I,Is s增大增大 可饱和吸收染料调可饱和吸收染料调Q Q适用于脉冲激光器适用于脉冲激光器)/1/(0SII二、可饱和吸收染料的速率方程二、可饱和吸收染料的速率方程 二能级系统二能级系统 染料分子对频率染料分子对频率v v的激光辐射的吸收截面为的激光辐射的吸收截面为 在开始照射时，荧光很弱，在开始照射时，荧光很弱， 染料物质在通光方向的染料物质在通光方向的 厚度为厚度为l l，初始吸收系数，

26、初始吸收系数 初始透过率为初始透过率为 初始透过率是设计染料初始透过率是设计染料Q Q开关的主要参数。可直接用分光开关的主要参数。可直接用分光光度计测量光度计测量)()()(221112nBnBnch)()(120BchnllinlininouteeIeIIITii0)(0初始吸收截面为nnn12, 0n00 初始透过率低，腔内不能形成激光振荡，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，吸收随着光泵的作用，染料分子跃迁到激发态，吸收截面减小截面减小 进一步增大泵谱光，吸收截面进一步减小，最后进一步增大泵谱光，吸收截面进一步减小，最后达到动态平衡达到动态平衡 此

27、时，此时， 吸收达到饱和，染料透明吸收达到饱和，染料透明 谐振腔实现了谐振腔实现了Q Q值的突变值的突变, ,产生巨脉冲产生巨脉冲221112nBnB0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分子激发态能级粒子变化的速率方程为22121121122)()()(nABBnBdtdnqnBpABB112212112)()()(peBBAcBhpt.)()(.)()(21121212 染料染料Q Q开关的吸收截面随时间和入射激光辐射密度开关的吸收截面随时间和入射激光辐射密度变化的方程变

28、化的方程 当入射光强度很强（当入射光强度很强（很大）时，吸收截面很小，很大）时，吸收截面很小，透过率最大，染料透明透过率最大，染料透明三、染料调三、染料调Q激光器结构激光器结构1 1染料调染料调Q Q激光器结构激光器结构 脉冲激光器插入染料盒脉冲激光器插入染料盒n染料三种基本要求染料三种基本要求: :1.1.波长匹配且吸收带宽窄波长匹配且吸收带宽窄( (见书见书251251页页) ) 对激光波长具有强烈的可饱和吸收对激光波长具有强烈的可饱和吸收2.2.染料要有适当的饱和光强值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表征染料饱和效应强弱的重要参量3.3.染料溶液要有良好的光化学稳

29、定性染料溶液要有良好的光化学稳定性2.2.染料调染料调Q Q激光器的输出特性激光器的输出特性（1 1）阈值输入能量）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使激光器输出单脉冲所对应的最低输入能量（2）坪宽）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之差 泵谱能量控制在坪区的中点附件泵谱能量控制在坪区的中点附件（3 3）阈值效率）阈值效率 在阈值泵谱条件下在阈值泵谱条件下, ,器件的输出能量与输入能量之比器件的输出能量与输入能量之比thththEEE)2(inoutthEE/3.3.影响染料调影响染料调Q Q激光器输出

30、特性的主要因素激光器输出特性的主要因素（1 1）染料浓度）染料浓度 存在最佳浓度或最佳透过率存在最佳浓度或最佳透过率 当当 时时, ,器件阈值效率最高器件阈值效率最高 对于输出波长对于输出波长1.06 1.06 的中小功率器件的中小功率器件, ,最佳透过率约为最佳透过率约为50%50%60%.60%.（2 2）输入能量）输入能量（3 3）染料盒结构）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染料盒溶液层的厚度和容积对输出性能的影响 当当T T一定一定, ,染料层越薄染料层越薄, ,染料浓度越大染料浓度越大（4 4）谐振腔输出镜反射率）谐振腔输出镜反射率R R 应遵从小于静态激光器最佳

31、值的原则应遵从小于静态激光器最佳值的原则mTT 一般一般L =1mm 6.1.5 声光调声光调Qn 将声光器件置于激光器的谐振腔中将声光器件置于激光器的谐振腔中n 利用声光器件的声光衍射效应来控制谐振腔损耗利用声光器件的声光衍射效应来控制谐振腔损耗以实现以实现Q Q值的突变值的突变n 优点优点: :性能稳定、重复频率高、调制电压低性能稳定、重复频率高、调制电压低适用于中小功率、高重频的脉冲器件适用于中小功率、高重频的脉冲器件一、弹光效应一、弹光效应 由于由于外力外力作用而引起介质光学性质变化的现象称作用而引起介质光学性质变化的现象称为为弹光效应弹光效应二、声光效应二、声光效应声波是一种声波是一

32、种弹性波弹性波(纵向应力波纵向应力波)，在介质中传播时，它使介，在介质中传播时，它使介质产生相应的质产生相应的弹性形变弹性形变，从而激起介质中各，从而激起介质中各质点沿声波的传质点沿声波的传播方向振动播方向振动，引起，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，因此，介质的折射率介质的折射率也随着发生相应的周期性变化也随着发生相应的周期性变化.由于由于声波声波的作用而引起介质光学性质变化的现象称为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声光效应是弹光效应的一种类型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超声场作用的这部分如同一个光

33、学的“相位光相位光栅栅”，该光栅间距，该光栅间距( (光栅常数光栅常数) )等于声波波长等于声波波长 s s 当光波通过此介质时，就会产生光的当光波通过此介质时，就会产生光的衍射衍射，其，其衍衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化而变化 光穿越声波传播的介质时，产生光穿越声波传播的介质时，产生衍射衍射 按照按照声波频率的高低声波频率的高低以及以及声波和光波作声波和光波作用长度的不同用长度的不同，声光互作用可以分为：，声光互作用可以分为：1.喇曼喇曼奈斯奈斯(Raman-Nath)衍射衍射2.布喇格布喇格(Bragg)衍射衍射一、喇曼奈斯衍射

34、一、喇曼奈斯衍射 当当超声波频率较低超声波频率较低，光波光波垂直于声场传播方向入垂直于声场传播方向入射，射，声光互作用长度声光互作用长度L较短较短时，产生时，产生喇曼喇曼-奈斯衍奈斯衍射射 由于声速比光速小很多，故声光介质可视为一个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静止的平面相位光栅 声波长声波长s比光波长比光波长大得多，当光波平行通过介大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制相位调制 通过光密通过光密(折射率大折射率大)部分的光部分的光波波阵面将推迟波波阵面将推迟 通过光疏通过光疏(折射率小折射率小)部分的

35、光部分的光波波阵面将超前波波阵面将超前 通过声光介质的平面波波阵面通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱出现凸凹现象，变成一个折皱曲面曲面 由出射波阵面上各子波源发出由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生的次波将发生相干作用相干作用，形成形成与入射方向对称分布的多级衍与入射方向对称分布的多级衍射光射光 声波在介质引起的弹性应变场：声波在介质引起的弹性应变场： 声光介质中折射率分布：声光介质中折射率分布： 声行波近似不随时间变化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对入射光波的相位进行调制进行调制 如

36、果考察的是一如果考察的是一平面光波平面光波垂直入射的情况，出射的光波不再是单垂直入射的情况，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)决决定的定的折皱曲面折皱曲面 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多级衍射条纹条纹n0：平均折射率：平均折射率n：声致折射率变化声致折射率变化)sin(),(0 xktnntxnss衍射角衍射角喇曼喇曼- -奈斯声光衍射结果奈斯声光衍射结果 使光波在远场分成一组衍射光，它们分别对应于使光波在远场分成一组衍射光，它

37、们分别对应于确定的衍射角确定的衍射角 (即传播方向即传播方向)和衍射强度和衍射强度m对应不同对应不同m的取值，不同的取值，不同角方向的衍射光取极大值角方向的衍射光取极大值对于一定的对于一定的和和s ，只有某些，只有某些角满足条件角满足条件例：例：m0,0为零级极值方向为零级极值方向 m1, 为为1级极值方向级极值方向零级亮纹两边对称分布各高级亮条纹零级亮纹两边对称分布各高级亮条纹)/arcsin(s3210-1-2-3衍射光强衍射光强 这一组衍射光是离散型的这一组衍射光是离散型的 各级衍射光各级衍射光对称对称地分布在零级衍射光两侧地分布在零级衍射光两侧 光功率分布在光功率分布在零级条纹上最大零

38、级条纹上最大，各衍射条纹的，各衍射条纹的光强值光强值递减递减 同级次衍射光的强度相等同级次衍射光的强度相等二、布喇格衍射二、布喇格衍射当当声波频率较高声波频率较高，声光作用长度声光作用长度L较大较大，而且光，而且光束与声波波面间束与声波波面间以一定的角度斜入射以一定的角度斜入射时，光波在时，光波在介质中要穿过多个声波面，故介质具有介质中要穿过多个声波面，故介质具有“体光栅体光栅”的性质的性质当当入射光与声波面间夹角满足一定条件入射光与声波面间夹角满足一定条件时，介质时，介质内内各级衍射光会相互干涉各级衍射光会相互干涉，各高级次衍射光将互各高级次衍射光将互相抵消相抵消，只出现，只出现0级级和和+

39、l级级(或或-1级级)(视入射光的方视入射光的方向而定向而定)衍射光，即产生衍射光，即产生布喇格衍射布喇格衍射 若能合理选择参数，超若能合理选择参数，超声场足够强，可声场足够强，可使入射使入射光能量几乎全部转移到光能量几乎全部转移到+1级级(或或-1级级)衍射极值上衍射极值上 光束能量可以得到充分光束能量可以得到充分利用利用 利用布拉格衍射效应制利用布拉格衍射效应制成的声光器件可以获得成的声光器件可以获得较高的效率较高的效率 同一镜面上的衍射情况同一镜面上的衍射情况 要使声波面上所有点同时满要使声波面上所有点同时满足这一条件，只有使足这一条件，只有使 不同镜面上的衍射情况不同镜面上的衍射情况n

40、mxdi)cos(cos(m=0, 1)dinmdis)sin(sin(m=0, 1)布喇格方程布喇格方程 考虑到，所以（取考虑到，所以（取m=1) 只有使只有使入射角等于布喇格角入射角等于布喇格角时，声波面上衍时，声波面上衍射光波具有同相位，满足相干加强的条件，射光波具有同相位，满足相干加强的条件，得到衍射极值得到衍射极值 sssBfnn22sin布喇格角布喇格角声波波速声波波速di 判别喇曼奈斯衍射与布判别喇曼奈斯衍射与布喇格衍射的条件：喇格衍射的条件：喇曼奈斯衍射：喇曼奈斯衍射：LL00204/snL 一、声光调一、声光调Q原理原理n 利用激光通过声光介质中的超声场时发生利用激光通过声光

41、介质中的超声场时发生BraggBragg衍衍射射, ,使光束偏离出谐振腔使光束偏离出谐振腔. .n 损耗大损耗大,Q,Q值很低值很低n 当工作物质上能级粒子数积累到极大值时当工作物质上能级粒子数积累到极大值时, ,突然撤突然撤去声光介质中的超声场去声光介质中的超声场二、声光调二、声光调Q激光器激光器组成：声光介质、电声换能器、吸声材料和驱动电源组成：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：铅橡胶或玻璃棉等吸声材料：铅橡胶或玻璃棉等声光声光Q开关一般用于增益较

42、低的连续激光器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。寸。三三 声光调声光调Q激光器的动态试验激光器的动态试验试验步骤试验步骤p 使连续泵浦的使连续泵浦的YAG激光器正常运转，输出激光，并用功率激光器正常运转，输出激光，并用功率计测量其输出功率计测量其输出功率p 将高频电信号注入声光器件，并逐步增加

43、高频电压以增大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。超声功率直至激光被关断。p 加入加入KHZ量级的脉冲调制信号，使注入的高频电信号受到量级的脉冲调制信号，使注入的高频电信号受到调制，调制，开关时间（微秒量级）必须小于其脉冲建立时间。开关时间（微秒量级）必须小于其脉冲建立时间。6.1.6 机械转镜调机械转镜调Qu原理原理 采用机械转镜的方法控制谐振腔的反射损耗采用机械转镜的方法控制谐振腔的反射损耗u优点优点 无插入损耗、无光损伤、适用于脉冲能量比较大无插入损耗、无光损伤、适用于脉冲能量比较大的器件的器件u缺点缺点 开关速度慢开关速度慢, ,容易产生多脉冲容易

44、产生多脉冲, ,对机械件要求高对机械件要求高, ,易易磨损磨损. .一、机械转镜调一、机械转镜调Q激光器的结构激光器的结构二、工作原理二、工作原理u当谐振腔两个反射镜相互平行时当谐振腔两个反射镜相互平行时,Q,Q大大u其它时刻其它时刻Q Q小小u当磁钢与磁头相切时当磁钢与磁头相切时, ,磁头线圈感应出脉冲信号磁头线圈感应出脉冲信号u准确控制触发脉冲至工作物质反转粒子数积累达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到最大值的时间. .u延迟时间延迟时间)2/()60(nt6.2 6.2 锁模技术锁模技术超短脉冲超短脉冲 激光热核反应激光热核反应 激光同位素分离激光同位素分离 精密

45、测量等精密测量等调调Q Q技术无法获得超短脉冲技术无法获得超短脉冲产生产生19641964年年宽度皮秒至飞秒宽度皮秒至飞秒6.2.1 锁模的基本理论锁模的基本理论n 模式纵模和横模模式纵模和横模n 锁模锁模: :纵模锁模纵模锁模横模锁模横模锁模纵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自由振荡激光器, ,多纵模输出多纵模输出, ,并由于各振荡模的非相干叠加而表现为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随时间的不规则起伏, ,是一种时间平均的统计值是一种时间平均的统计值. .设激光器有设激光器有2N+12N+1个纵

46、模振荡个纵模振荡, ,其输出的电场为其输出的电场为2N+12N+1个纵模的电场之和个纵模的电场之和, ,有有多纵模自由振荡激光器的输出特点多纵模自由振荡激光器的输出特点: :(1)(1)各纵模初相位无确定关系各纵模初相位无确定关系, ,它们是完全独立和随机的它们是完全独立和随机的(2)(2)频谱频谱: :各纵模不相干各纵模不相干( (由于频率牵引和推斥作用由于频率牵引和推斥作用) )cos()(qqNNqqEtE (3)输出光强输出光强 求和得求和得 若各纵模的振幅相等为若各纵模的振幅相等为 则则dttttEEtdttEtdttEtIqqqqqtqqqqNNqtqq)cos()cos(2)(c

47、os1)()(/00222NNqqEtE2)(220E2)12()(202ENtE二、锁模的基本原理二、锁模的基本原理u1.1.锁模的概念锁模的概念 各振荡纵模初始相位锁定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各振荡纵模频率间隔相等并固定为 锁模激光器锁模激光器 锁相锁相常数qq1nLcq2/2.2.锁模脉冲的特征锁模脉冲的特征 第第q q个纵模的光波电场为个纵模的光波电场为 激光输出是激光输出是2N+12N+1个纵模相干的结果，总光波电场为个纵模相干的结果，总光波电场为 利用三角级数求和公式利用三角级数求和公式)cos()cos()(0000qtqEtEtEqq)(cos2)

48、( 2cos2)cos(21 cos)cos()(0000tNtttEqtqEtENNq)cos()(21sin)(12(21sin)cos()(000ttAttNtEtE 式中，振幅式中，振幅u结论结论（1 1）2N+12N+1个振荡纵模经过锁相后，总的光波电场个振荡纵模经过锁相后，总的光波电场为振幅受到调制、角频率为为振幅受到调制、角频率为 的单色余弦波的单色余弦波(21sin)(12(21sin)(0ttNEtA0（2 2）锁模脉冲的周期、脉宽与极大值）锁模脉冲的周期、脉宽与极大值 周期周期)(21sin()12(21sin)(0ttNEtA 极值点和零点极值点和零点 2N+1个极值点和

49、个极值点和2N个零点个零点 脉宽脉宽scqNcLN01112121216.2.2 实现锁模的主要方法实现锁模的主要方法主动锁模主动锁模:周期性调制谐振腔的参量周期性调制谐振腔的参量被动锁模被动锁模同步泵谱锁模同步泵谱锁模自锁模自锁模碰撞锁模碰撞锁模6.2.3 主动锁模原理与器件主动锁模原理与器件一、振幅调制锁模（一、振幅调制锁模（AMAM）1.1.工作原理工作原理 (1)(1)从时域角度分析从时域角度分析(2) (2) 从频域角度分析从频域角度分析 设调制信号设调制信号)21sin()(tAtAmm)cos()(00ttm)cos()(00tTTtTm)sin()(000tEtE)sin()c

50、os(1)sin()cos()sin()()(00000000000ttmAttTTEttTEtEmm)sin() 2/()sin() 2/()sin()(000000000tmAtmAtAtEmm2.2.振幅调制锁模激光器振幅调制锁模激光器(1)(1)激光器结构激光器结构(2) (2) 调制器类型调制器类型n 声光调制器声光调制器 优点：调制对比度高、功耗低和热稳定性好优点：调制对比度高、功耗低和热稳定性好 分类：分类：Bragg Bragg 衍射和衍射和Ramma-NathRamma-Nath衍射衍射n电光调制器电光调制器(3) (3) 调制器的位置和尺寸调制器的位置和尺寸 尽量放置在靠近

51、谐振腔反射镜的地方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通光方向的尺寸应尽量小（4 4）对锁模激光器的要求）对锁模激光器的要求n 腔长腔长L L必须稳定，以保证纵模间隔稳定必须稳定，以保证纵模间隔稳定n 稳定腔长的措施：稳定腔长的措施：防震防震隔热隔热设计稳定腔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、相位调制锁模二、相位调制锁模(FM)(FM) 在谐振腔内插入一个电光调制器实现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。不同时刻通过该介质，变会产生不同的相位延迟。 LiNbOLiNbO3 3 沿晶体沿晶体Z Z方向施加的电场为方向施加的电场为 晶体的折射率为晶体的折射率为 光波沿晶体光波沿晶体x x