激光特性控制与改善

1、第六章 激光器特性控制与改善第一节 模式选择技术高阶横模激光束光强分布不均匀，光束发散角大，空间相干性差多纵模激光器光束单色性差，时间相干性差一、横模选择的基础谐振腔种不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础。TEM00模单横模运转的充分条件同时相邻横模TEM10模满足增大高阶横模与基模的衍射损耗比，并提高衍射损耗在总损耗中所占的比例，有利于横模选择。二、横模选择的具体方法 N增大，增大N增大，减小N相同时， g越小，模的鉴别力越高（大），但是越小属于哪类共焦腔？属于哪类共焦腔？选模方法1：选择稳定腔的光腔参数选模方法2： 腔镜倾斜选模选模方法3：非稳腔选模选模方法4：小孔光阑选模对于的稳定

2、腔（利用图7.1.1）加小孔前 N=2 ，假设其他损耗为，总的损耗比加小孔后 N=1 ，假设其他损耗为，在稳定腔中，可以较大，但是衍射损耗在总损耗中所占的比例较小，可以增加小孔光阑(降低腔的菲涅耳数)来提高衍射损耗所占的比例。这是虽然取决于衍射损耗的模鉴别力下降，但是总的损耗比却增加。在实际使用中，加小孔往往将腔的菲涅耳数降低几十到上百倍。三、纵模选择通过窄带滤波器和色散元件选择振荡能级。在同一个谱线振荡线宽内选择纵模：1 短腔法扩大相邻纵模增益差增益带宽纵模频率间隔：当时，实现单纵模振荡适用于气体激光器等荧光线宽较窄的激光器例如：泵浦强度为2倍阈值时，对于He-Ne激光器，对于CO2激光器，

3、对于红宝石激光器，2.行波腔法消除驻波效应3选择性损耗在腔内插入标准具或利用复合腔，利用多光束干涉，是谐振腔具有与频率相关的选择性损耗。插入标准具时，标准具的透射率对应峰值：相邻透射峰间隔透射谱线宽度当，且时，可得单纵模振荡。其他组合腔福克斯史密斯干涉仪选模装置外腔半导体激光器选模装置第二节 Q调制弛豫振荡的概念（同学复习）一、 Q调制激光器的工作原理0t1时刻：在泵浦源激励的作用下迅速增加，但是，N的数值很小，不能产生激光。tt1时，。tt时刻：t1时，损耗突然下降至，由于，光子数密度N迅速增加，导致被迅速消耗，t时刻，达到最大值。tt时刻：，N开始减小，至t时刻，N减小到Ni，光脉冲消失。

4、基本原理：通过某种方法使谐振腔损耗因子按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始时，粒子数可以积累到较高水平，在适当的时刻，腔的损耗因子突然降低到，阈值也随之降低，此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射迅速增强，在极短的时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转换为激光能量，形成很强的激光脉冲输出。采用调Q技术可以获得峰值功率高于兆瓦，脉宽几十纳秒的脉冲。二、调Q激光器特性峰值功率在忽略开关时间，以及脉冲持续过程中自发辐射和泵浦激励的影响，有速率方程组出发，可以得到三能级系统最大光子数密度工作物质截面积S，一个反射镜透过率T，另一个反射镜透射率为零时，激光器峰值功率Pm为Nm和Pm都随增加而增大，取决于下

5、列因素：）越大，则允许达到的越大，越小，越小，应提高数值；）泵浦源功率越高，越大；）激光上能级寿命越长，越大一般气体激光器上能级寿命较短，不适合作调Q器件（He-Ne上能级寿命仅为ns），气体激光器中仅CO2激光器上能级寿命较长（ms），可采用调Q技术。二、巨脉冲能量巨脉冲开始时，工作物质中可能转变为激光的初始能量，储能熄灭时，剩余能量腔内巨脉冲的能量输出巨脉冲能量 能量利用率 储能越大，巨脉冲能量越大，越小，越大，巨脉冲能量越大。3时间特性 N由Nm/2上升至Nm的时间，tr N由Nm下降至Nm/2的时间，te1）增大时，脉冲前沿和后沿同时变窄，相对来说，前沿变窄更显著。因为越大，腔内净增益

6、系数越大，腔内光子数的增长及反转粒子数的衰减越迅速，脉冲的建立和熄灭过程越短。2）脉冲宽度正比于，又和腔长呈正比，与损耗成反比，因此宜用短腔、低损耗结构。影响脉冲宽度的因素：光泵激励在截面内不均匀；Q开关时间三、Q调制方法1电光调Q 电光效应：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产生位相差，使光的偏振状态发生变化的现象称为电光效应普克尔效应；克尔效应常用电光晶体KDP,KD*P,LiNbO3及BSO特点开关时间短，可获得脉冲宽度窄，峰值功率高的巨脉冲。工作原理：电光晶体上施加电压时,从偏振器出射的偏振光经过电光晶体后，其偏振方向旋转450再次穿过时，又旋转4

7、50，往返传播，偏振方向旋转900，无法穿过偏振片。说明电光调Q工作过程。2声光调Q 声波在某些介质中传播时，介质会产生与声波信号相应的，随时间和空间变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期变化，形成等效光栅。光束经过此介质时，一部分光偏离传播方向在满足透射光束分裂为零级与+1（或-1）及衍射光。常用换能器材料：铌酸锂、石英声光介质材料：熔融石英、钼酸铅等说明声光调Q工作过程。 声光调指属快开关型，调制电压低3被动调Q饱和吸收体：被动调Q工作过程。4脉冲透射式调Q（腔倒空） 谐振腔有全反射镜M1和可控反射镜M2组成，t<0时，M2镜全反射处于调Q状态，激光器振荡但无输出，激光能量储存在谐

8、振腔中，t=0时，控制M2使其透射率达到%，储存于腔内激光能量迅速逸出腔外，输出巨脉冲。 特点：脉宽短，仅为数纳秒，2L/C第三节 锁模技术锁模脉冲宽度可达（10-1110-14）S一、锁模原理激光器相邻纵模频率间隔：角频率间隔：相邻纵模初始位相差恒定时，个纵模干涉增强得到的最大光强；不发生干涉时：锁模后峰值功率提高了倍注：脉冲峰值功率决定于纵模数目，而纵模数目决定于腔长和荧光线宽，固体激光器荧光线宽大，锁模效果好。脉冲峰值时间间隔：脉冲的宽度：二、锁模方法采取强制措施使各纵模粗位相保持确定关系，并使模相邻频率间隔相等。常用的调制方法包括振幅调制、相位调制、被动锁模等。振幅调制：在激光谐振腔中插入电光调制器，使腔损耗发生角频率为的周期性变化。调制的结果使中心频率振荡不仅包含原有角频率的成分，还有角频率为，初位相不变的两个边频