第二章、激光器输出特性的改善.

1、第二章、激光器输出特性的改善在精密测量中，普通激光器输出的激光束，往往不能满足实际要求。比如在激光准直 测量中，要求激光束发散角尽可能小，这就要求激光器为单横模（ TEM 00）输出 ;在激光干 涉测量中，要求激光频率单色性要好，这就要求激光器单横模、单纵模输出；在地卫测距 中，要求激光器输出高脉冲能量窄脉冲宽度（调 Q 脉冲输出或锁模脉冲输出）等。这就要 求对激光器进行某些改善。下面介绍几种常见的激光输出改善反法。§1. 激光器输出光束的模式选择 一、 激光器横模选择TEM 00 TEM 10 TEM 01小孔选横模示意图2-1-1)在激光谐振腔中，只有衍射损耗的大小与横模 的阶次

2、有关，且各横模的衍射损耗相差比较大，所 以可以通过改变衍射损耗来实现横模选择。由于高 阶横模的衍射损耗很大，所以在不采取措施的情况 下，激光器一般工作在低阶横模（ TEM 00、TEM 10、 TEM 01）。基模（ TEM 00）衍射损耗最小，其他高阶 横模的衍射损耗随横模阶次的增大而迅速增大。激 光器的横模选择就是基于这一原理。最常见的方法 就是小孔选模。小孔选横模示意图如右图。激光器单基横模 TEM 00运转的充分（振荡）条件为：eG00L r1r2 （1 00 ） 1 （单程增益大于单程损耗）其中 G000TEM 00模的小信号增益， r1、r2-两反射镜的发射系数， 00 TEM 0

3、0模的单程衍射损耗。激光器单基横模 TEM 00运转的必要条件为：衍射损耗高于基横模 TEM 00的横模（其中 TEM 10是除 TEM00 外所有横模中衍射损耗最小的）不能振荡。故应有：0eG10L r1r2 （1 10） 1（TEM10模的单程增益小于单程损耗，不能起振）（2-1-2）其中 10 TEM 10模的单程损耗。 激光谐振腔的衍射损耗完全由谐振腔参数和菲涅尔数 N 来决定。在共焦腔中， L R g1 g2 1 L/R 0，此时 N 不变， 10 / 00最大；而 在 共 心 腔 R1 R2 R L/2,g1 g2 g （1 2R/ R） 1 和 平 行 平 面 腔 R1 R2 R

4、 ,g1 g2 1 L/ 1中，在 N不变情况下， 10/ 00最小。从上述分析可知，共焦腔横模选择最灵敏一般情况下，当菲涅尔数 N<2 时，很容易实现单横模运转。 由菲涅尔定义： N a2 /（L ） 可以看出，腔长 L 一定，激光波长 一定，N a2 ，（ a腔反射镜有效半径） ，a N ， 当 a 小到只有 TEM00 模满足阈值条件时，就实现了单横模运转。例如在常用的 250mm 的 He-Ne 激光器中 ,L=250mm， 632.8nm ,放电毛细管直径 2mm（a=1mm）,平凹稳定腔，则 N a2/（L ） 0.01，所以一般 He-Ne 激光器为 TEM 00模运 转，

5、毛细管就充当了小孔光栏的作用。小孔光栏选单横模原理： 在激光谐振腔内设置小孔光栏或限制激光工作物质的横截面积，N 增大 10/ 00比值 TEM00 模（光斑尺寸小）可以无阻挡的通过小孔光栏，而光 斑较大的其他横模受到阻挡不能通过小孔光栏，损耗增大，致使不能满足阈值条件，从而 实现单 TEM00 模运转。因为在激光谐振腔内的不同位置， 同一横模 的光斑尺寸不同，所以小孔光栏的大小随其位 置不同而不同。一般小孔光栏设置在靠近反镜的位置， 如右 图，且位置不同，小孔光栏的大小亦不同（一 般设置一个小孔光栏） 。在一般的小孔选模中， 不能充分利用激光工 作物质的增益，如上图，工作物质不可能作成 锥型

6、的，致使大部分工作物质的增 益浪费掉了。为了充分利用工作物 质，可以采用聚焦光栏法选横模， 如右图。因为 TEM 00模的光束质量非常 好，可以聚焦到 0.10.2mm，而其 他横模比此值大的多，因此可以将 小孔作的很小，阻挡高阶模通过，获得单横模运转，又充分利用激光工作物质。二、 激光器的纵模选择在精密测量中， 总希望激光器输出的激光线宽越窄越好。 大家都知道， 单模（单横模、 单纵模）激光器的输出单色性最好（线宽最窄） 。前面介绍了单横模激光器的选横模方法， 下面介绍激光器选单纵模的简单方法。在上一章里，介绍了激光谐振腔的纵模频率为：c2L或q2Lq2-1-3)纵模间隔为：2L从上式可以看

7、出，腔长越长，纵模频率间隔越小（率间隔越大（ L q ）。一般来讲，各个纵模的损耗是相同的，所不同的 是各纵模的频率不同，故各纵模的增益大小不同，不 同纵模的增益如右图。利用不同纵模的增益差值或对 某些纵模人为的引入损耗，使得某个纵模达到了起振 条件，而其他纵模的增益小于损耗而不能起振，就可 以实现纵模选择。最简单的选单纵模方法就是缩短腔 长，使得阈值增益线宽内只有一个纵模，从而实现单 纵模选择。（2-1-4）L q ），腔长越短，纵模频阈值线宽 osc ：单程增益等于单程损耗时所对应的增益线宽叫阈值线宽1 短腔法选单纵模由（ 2-1-4）式可知， Lq ，当小信号增益一定时（甭浦强度一定）

8、，L 小到一定程度，在阈值增益线宽内只存在一个纵模 （ q c/2Losc ） ，就可以实现单纵模运转。当激光谐振腔的腔长 L 一定，腔结构一定，则激光谐振腔的损耗 就确定了，从而就 确定了阈值增益，当甭浦一定时，阈值线宽也就确定了，这样就可以估算出纵模起振个数 q osc / q 1 。例如，一 He-Ne激光器，腔长 L=250cm, 632.8nm ,阈值线宽 osc 1500MHz ，该 激光器可能有多少个纵模起振？要想实现单纵模运转，最短腔长为多少？q osc / q 1 osc /(c/2L) 11.5 109 /(3 108 /2 2.5 10 1) 1 3 1 4 要想实现单纵

9、模运转，必须满足阈值增益线宽内只存在一个纵模的条件。即q2Losc 1500MHz3 101092 1.5 10910cm也就是说，要实现单纵模运转，腔长 L<10cm。如此短的 He-Ne 激光器，输出功率非 常小，已无使用价值。d标准具工作物质(2-1-5)标准具透射峰间的频率间隔 j；透射峰的半宽度为：2nd cos2 腔内加标准具法选单纵模腔内加标准具选单纵模激光器如右图。标准具 是一厚度为 d 的平行平面玻璃（光学平晶） ，且两 表面镀以增反膜，标准具的法线与光轴成 角。先介绍一下光学标准具的透光特性。由于光学 标准具的两表面平行度非常高， 入射光线可以在光 学标准具内多次反射

10、，形成多光束干涉，如右图。 当相邻两透射光束的光程差为 2的整数倍时，干涉增强，该波长的透射率最大，反之，当相位差为 的奇数倍时，干涉减弱，该波长的透射率最小。标准具透射峰的对应频率为：jc2nd cos其中 j- 正整数； n-标准具材料的折射率； 光束与标准具法线的夹角设激光谐振腔未加标准具时，腔纵模间隔为：2-1-6)c 1 r2 nd r其中 r-标准具表面反射率，取值范围为 0 r 1，当r 1时,1 r 0 0，即反射率越高，标准具的透射线宽越窄。总结：标准具的透射峰间的频率间隔 j由 n、d、决定（光程差），dj ；透射峰的线宽由反射面的反射率 r 决定， r ,r 1 0。接下

11、来讨论标准具的选模作用。 q-1, q , q 1 qq 2L' - 纵模间隔，其中 L谐振腔光程， Gt阈值增益， osc 阈值增益线宽，既在此频率范围内的 激光模式可以形成激光振荡而输出。 从上图可以看出未加 标准具时有三各纵模（ q-1， q， q+1）可以形成振荡输 出，而加入标准具后， q-1， q+1 的损耗增大，致使二模 式不能振荡输出，只有 q 损耗没有增大可以形成稳定振 荡。从而实现单纵模运转。假如 j 没有与 q 相对应，可 以改变标准具法线与谐振腔轴间的夹角 ，使 j 向 q 及 增益的中心频率 0 处移动，以得到最大单纵模激光输出。短脉冲激光输出的获得一般固体脉

12、冲激光器，如果不采取某中措施，激光器的输出 应为脉冲宽度为 s 量级的脉冲序列， 激光输出的这种震荡成为弛 预震荡或叫张弛振荡。这对于实际应用是十分不利的，例如在地 卫测距中，测量精度完全由脉冲宽度决定。这是因为在地 卫 测距中，测量的是激光脉冲发射出去至激光脉冲反射回来的时间 间隔。大家都知道，光速 c=3*1010cm/s, 也就是说， 1ns（10-9s）光传播 30cm，对于在地 卫测距，激光脉宽 1ns（10-9s）时，测量误差为 30/2=15cm,若激 光脉宽 1ms，测量误差为 30*106/2=150km。且脉冲宽度越宽，激光功率越小，经过长距离 传输，很难接收到发射回来的光

13、信号。这就要求采取某种方法将激光脉冲宽度压窄，以提 高激光功率。压窄激光脉冲的基本方法有两种， 一种是调 Q 激光器，另一种是锁模激光器。1 固体激光器的弛预振荡在激光增益介质中，增益的大小完全由反转粒子数 n来决定， n G ，反之， n G 。 而阈值增益 Gt 对应阈值粒子反转数 nt。下面我们从 反转粒子数的变化来说明弛预振荡过程。右图是泵浦、反转粒子数、激光输出的时序关 系图。单个脉冲宽度约为 s 量级，整个脉冲序列持 续时间约为 ms 量级。人们把固体激光器的这种脉冲 序列输出称为弛预振荡或尖峰振荡。2 调 Q 激光器的工作原理如果将固体激光器所输出的脉冲序列的能量压缩成一个脉冲输

14、出，峰值功率可以提高几个量级，所使用的方法就是调Q 激光器。调 Q 激光器中 Q 值概念是引用电子线路中的闭环信号发生器系统中概念， 在闭环电子 线路中 Q 值表示闭环电路中储存的能量与单位时间内所损耗的能量之比。Q 2 腔内储存的能量Q 2 单位时间内损耗的能量WW /L2L2-1-7)激光器也是一种闭环系统，也有 Q 值，同时在前面介绍激光器的自激振荡时，曾介绍 过谐振腔的损耗（例如输出） /L 。设腔内储存的能量为 W,单位时间内损耗的能量应 为： W W /L 。则激光器的 Q 值可以写成：Q 反比于损耗 ，所以调 Q 就是调节激光谐振腔的损耗调 Q 激光器的基本原理：通过某种手段使激

15、光谐振腔的 Q 值（或损耗 ）按规定的程序变化。泵浦开始时，先 使谐振腔具有高损耗 H（低 Q值），激光器由于阈值高不能产生激光振荡，于是激光介质 上能级的粒子数可以积累到一个较高的水平；在适当的时刻，使谐振腔的损耗突然降至低 水平 L（高 Q 值），随之激光振荡阈值也突然降低，此时增益远大于损耗，受激辐射迅速 增强，于是在极短的时间内，晶格上能级大部分粒子所储存的能量转变为激光能量，输出 一个激光巨脉冲。调Q过程示意图如右图所示。 T<0 时，由于阈值 高（ n<tn），不能形成激光振荡，甭浦使得 n持续 增大，使 n可以积累到一个较高的水平； 在 t=0 时刻， 突然降低损耗（

16、 Q 增高），导致阈值集居反转数 nt 降 低至低水平， nnt，腔内光子数 N 迅速增加， N 的增大导致 n减小，当 n=tn时，光子数 N 达到最 大值 Nmax，此后，光子数 N 不在增大， 随时间的增长， 由于 nnt，N 开始下降，但是由于 N0，使 n 继续下降，最终激光脉冲熄灭。因为激光输出正比于 腔内光子数 N，所以激光器的输出同于腔内光子数的变化3 常用的调 Q 方法根据 Q调制的主被动性，调 Q又分为主动调 Q和被动调 Q，下面分别介绍最常用的主、 被动调 Q 方法。a）.电光调 Q（主动调 Q）-适用于高功率激光器 电光效应：某些各向同性的透明介质，在外加电场作用下，变

17、为各向异性介质，使通过该 介质的不同偏振方向的光波场之间产生相位差，从而使出射的光波场的偏振态发生变化， 介质的这种现象叫做电光效应。电光效应是 Kerr1875 年发现的，他发现某些透明介质加入电场后， 折射率发生了变化， 折射率随电场 E 成正比变化的效应称为普克尔效应， 折射率随电场 E 的平方成正比变化的 效应称为克尔效应。电光调 Q 激光器一般采用的是普克尔效应调 Q，常用的调 Q 晶体有： KD*P（磷酸二氘钾 KD 2PO4）和 KDP（磷酸二氢钾 KH2PO4）单轴晶体。下面以退压式电光调 Q 激光器输出镜 激光棒 起偏器YQ 晶体（ KD *P 或 KDP ） 全反镜触发10

18、M说明调 Q 过程典型的退压式电光调 Q激光器结构如上图。晶体的光轴 Z 与谐振腔腔轴平行，另外两 主轴 Y 和 X 分别与起偏方向垂直或平行， 在上述调 Q装置中，激光器偏振方向为 Y 方向。 不加电压时，沿腔轴方向传播的 Y 方向偏振光与 Q 晶体的快、慢轴对应，故而 Y 方向振 动的偏振光经过晶体后偏振方向仍为 Y 方向，此时谐振腔损耗最小；而当 Q 晶体沿光轴方向（ Z 方向）加电场后，就会发生双 折射现象，例如 KDP、KD * P，两主轴 X、Y 就会发生 45°角偏 转，对应折射率分别为 n1'和n'2 ，如右图所示。 E越大， n1'和n2&#

19、39; 的 差越大。这样 Y'方向偏振的光波场和 X' 方向偏振的光波场通 过 Q 晶体后就会产生一相位差。若外加电场 V /4 ，两光波场的相位差为 （/290°）。因为 Y与Y （起偏方向）成 45°角，Y 方向的偏振光入射 Q 晶体后，分解成 Y '和 X 方向、且振幅相等的偏振方向垂直的 两偏振光，出射晶体时，两偏振光相位差为 /2（ 90°），合成圆偏振光，经反射镜发射后， 再次经过 Q 晶体，又产生 /2相位差，总相位差为 /2+/2=，出射光仍为线偏振光， 只是 偏振方向旋转了 90°角（沿 X 方向），不能通过起偏

20、器，从而导致谐振腔损耗最大（H 对应低 Q 值）。若泵浦开始时， Q 晶体上加 V / 4 ，谐振腔损耗最大（ H ），激光器由于阈值高而不能 起振，反转粒子数 n可以积累到一个较高的水平，在恰当的时刻，给闸流管一个触发， 将 Q 晶体的两电极短路，谐振腔变为低损耗（高 Q 值），激活介质所储存的能量在极短的 时间内转变为激光能量，输出一个激光巨脉冲，脉冲宽度一般为1020ns，峰值功率 MW量级。b）染料调 Q（被动调 Q）最简单的染料调 Q 激光器如右图。 在激光谐振腔中加入一染料合或染料 片，利用染料的饱和吸收特性来改变谐 振腔的损耗。须注意的是：所选染料的 光谱吸收峰应对应与激光器的输

21、出波长 重合或接近。泵浦开始时， 由于反转粒子数 n比较小，受激辐射弱，腔内光强弱，这时染料吸收系 数大（高损耗 H ），激光不能起振，反转粒子数 n可以进一步增大，当 n增大到一定程 度，腔内光强也增大到一定程度， 此时腔内光强 I 可以与染料的饱和吸收光强 IS相比拟时，染料的吸收系数反而减小（染料的漂白） ，谐振腔损耗减小（低损耗 L ），激光开始起振，I 染料吸收 ，这样在极短的时间内，将激光介质储存的能量转变为激光能量，输出 一个激光巨脉冲。染料调 Q的优点：造价低，是一种被动快速调 Q 激光器，使用简单，容易调： 缺点：染料易变质，需经常换染料，激光输出不够稳定。4 锁模激光器调

22、Q 激光器的输出脉冲宽度一般为几十 ns，为了获得更窄的激光脉冲输出，就需要 采用锁模技术，锁模激光器输出脉冲宽度可达 10ps（ 10-11s）,甚至更窄，称为超短脉冲。a）、模式锁定（锁模）的基本原理在非均匀加宽气体或均匀加宽固体激光器中， 如果不采取选模措施， 总是多纵模输出， 且各纵模间初相位是随机分布的，互不相干，所以激光输出为各纵模无规则输出的叠加。 若采用某种措施，使各振荡纵模的频率间隔保持一定（激光谐振腔的纵模间隔就是一个定 值），且具有确定的相位关系，则各振动纵模间干涉增强，输出一列时间间隔一定的超短 脉冲串。设谐振腔内有 q N, （N 1）, , 1,0,1,2, （N

23、1）,N ，2N+1纵模起振，且各纵模振幅 相同为 E0，模式未锁定时，输出光功率应为： I=（2N+1）E 02。若采用锁模措施，使各相邻纵 模初相位差保持恒定（相位锁定） ，相位差为 ，则有 ：q12-1-8)相邻纵模角频率之差为 =v/L，则第 q 模的角频率可表达为：0 -0 模的角频率2-1-9)2-1-10)第 q 模的光波场为： Eq(t) E0ei ( 0 q )t ( 0 q ) 总的光波场为：E(t)E ei ( 0 q )t ( 0 q ) E ei ( 0t 0)ei q t qq N q NsinE01 (2N 1)( t )2ei( 0t 0 )1sin ( T )

24、22-1-11)sin2 1 (2N 1)( t )2-1-12)光强为：I (t ) E(t)E*(t) E022 1sin2 1( T )2当 t 2m ,m 0,1,2 时，光强最大为：I maxE02 t lim2m1sin2 (2N 1)( t )2 1 (2N 1)2 E02 sin2 1( T )22-1-13)比未锁模时输出光功率提高了 2N+1倍。且腔长 L 越长，阈值线宽内纵模个数（ 2N+1）越 多，脉冲峰值功率越高。2-1-14)脉冲时间间隔为： T0 2 2 2Lv/ L v正好等于光波场在谐振腔内往返一周所需时间 。脉冲序列如下图2-1-15)21 (2N 1) o

25、sc因为，脉冲半宽度 （最大值的一半所对 应的宽度）与峰值到第一个光强零点间的 时间间隔近似相等，所以取 为：既脉冲宽度 阈值线宽 osc 的倒数 总结：锁模激光器，由于各纵模间的相位锁定， 输出为一周期为 T0 2L/v，脉宽 1/ osc ， 峰值功率比未锁模时提高 2N+1 倍的超短脉冲序列。b）、锁模方法：与调 Q 类似，也分为主动锁模和被动锁模。分别介绍一种主动锁模和被动锁模方法。主动锁模又分为损耗内调制（或称振幅调制 AM ）和相位（或频率调制 FM）。在主动 锁模中主要介绍振幅调制锁模。、电光主动锁模 损耗调制频率应为 1/T0 v/（2L） ，既调制周期正好等于光波场在谐振腔内

26、往返一周所需时间 T0； 锁模激光器结构如右图所示：谐振腔镜均作成契型，其余光学元件亦 不能垂直入射，以免形成子谐振腔。调 制器应尽量靠近全反镜。 调制过程：假设损耗调制器上加一正弦 波信号 V（t）=V 0sin ，t由于起偏器既作 为起偏器，又作为检偏器， V（t） 每经过一次 V=0 ，就出现一次损耗最小，所以损耗的变化频率是调制频率的2 倍由锁模对损耗频率的要求， m v V(t) V0 sin( m t ) ，所以损耗系数应为(t) 0 0 sin( mt1)透射率为： T(t) Tc Tc sin( mt 2 )(2-1-16)现在来分析锁模激光器的起振过程。在激光器初始起振时，总是靠近增益曲线中心频率0 的纵模 q 首先起振，其光波电场为：E(t) Eqsi n(qt q)(2-1-17)光波场第一次经过电光调制器后，电场变为：e(t) Ac 1 msin( mt 2 ) sin( qt q) ，其中 A c=Tc*E q， m Em / Ac - 调制深度。 一般取 m1，以保证无失真调制， m包络线变化的振幅。将 e(t)展开：e(t) Ac sin( qt q) msin( mt 2)sin( q