激光特性的控制与改善

1、激光特性的控制与改善第1页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五纵模：沿谐振腔轴线方向的激光光场分布。单纵模（单频）激光单色性、相干性最好。横模：在谐振腔的横截面内激光光场的分布。基模（ ）光强分布图案呈圆形，分布范围小，光束发散角最小，功率密度最大，亮度最高。7.1 模式选择第2页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗初始光强为 的某个横模的光在谐振腔内往返一周，光强变为：模：模：激光器以模单模运转阈值条件：横 模 选 择 原 理 ？ 7.1.1 横模选择 第3页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五与横模阶数无

2、关的损耗：腔镜透射率，腔内元件吸收、散射损耗等与横模阶数相关的损耗：衍射损耗决定横模鉴别能力的因素：横 模 选 择 原 理 希望二者都较大。第4页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五 随N增加而变大，随g增加而变小。 共焦腔最大，平面腔最小 对称球面腔 值与菲涅耳数N、g的关系 实线表示：横模鉴别力与N、g的关系；虚线是不同的N和g的TEM00模的等损耗线。 对于某一谐振腔，衍射损耗随N的增大而减小。 应选择合适的N和g值。随N增加而减小第5页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五 平凹腔 值与菲涅耳数N、g的关系 第6页，共61页，2022年，5月20日，2

3、点26分，星期五改变谐振腔的结构和参数：气体激光器 在一定谐振腔内插入附加选模元件：固体激光器 适当选择谐振腔的类型以及腔参数 值，使激光器运转于临界工作状态，此时各阶模的衍射损耗都迅速增加，但基模的衍射损耗增加得最慢。1. 谐振腔参数选择法 横 模 选 择 方 法对常用的大曲率半径的双凹球面稳定腔，菲涅耳数N在0.5-2.0 之间比较合适。 第7页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五2. 非稳腔选模 非稳腔中，由于几何偏折损耗大，不同阶次横模间的衍射损耗差别很大，因而容易抑制高阶横模的振荡选出基横模。 采用非稳腔选横模只适合于具有高增益工作物质的器件使用。 3. 小孔光阑选

4、模 使光斑尺寸较小的基模无阻挡地通过小孔光阑，光斑尺寸较大的高阶模受到阻拦。小孔半径略大于基横模光斑半径。第8页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五4. 腔内加入透镜选横模沿轴向的平行光束，聚焦后可通过小孔往返振荡；其他方向光束，聚焦后被小孔阻截止。单透镜聚焦选模 工作物质端面聚焦选模 （1）单透镜聚焦选模 （2）望远镜谐振腔选模 望远镜腔选模 小孔光阑放在透镜焦点上可充分利用激光工作物质 小孔光阑避开了实焦点的位置。第9页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五 不同纵模具有相同损耗，但因频率差异而具有不同的小信号增益系数 利用不同纵模间的增益差异，在腔内引入

5、一定选择性损耗纵 模 选 择 原 理 在实现TEM00模运转的激光器中，选定其中某一个纵模使之稳定振荡，而其余的频率均被抑制，以实现单一频率激光输出，从而获得高单色性的激光 7.1.2 纵模选择 第10页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五1. 短腔法选纵模相邻纵模间频率差：减小 增大荧光谱线宽度内只有一个纵模，从而实现单纵模振荡纵 模 选 择 方 法不能适用所有激光器，如增益带宽大的固体激光器或增益系数小的气体激光器。第11页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五2.法布里珀罗标准具选纵模 由于多光束干涉，只有某些特定频率的光能透过标准具在腔内往返传播，其他

6、频率的光不能透过标准具。 腔内插入标准具，由于多光束干涉效应，谐振腔具有与频率有关的选择性损耗。可以得到透射光强与入射光强的关系式： 第12页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五其中相邻两出射光线的相位差：不同的反射率，透过率曲线不同。第13页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五两个透过率峰之间的频率间隔称自由光谱区。 通常将相应于条纹半宽度的频率范围1/2称为滤波带宽 R愈大，相应的(v)1/2愈小。 第14页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五单纵模输出优点：很薄的标准具可以得到很大的自由光谱区，适合增益线宽大的工作物质；缺点：增加损耗

7、，不大适合低增益激光器第15页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五3. 复合腔法 用一个反射干涉系统代替腔的一个端面反射镜，则其组合反射率是频率的函数。第16页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五谐振条件：得到： 既可以使纵模间隔足够大，又能保证工作物质（气体）有一定长度。缺点：结构较复杂，调制困难。第17页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五7.1.3.谱线的选择-色散腔法 利用腔镜反射膜的光谱特性或在腔内插入棱镜或光栅等色散元件，将工作物质发出的不同波长的光束在空间分离，设法只使较窄波长区域内的光束在腔内形成振荡，其他波长的光束因不具备

8、反馈能力而被抑制掉。第18页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五7.1.4 偏振选择 在气体激光器两端放置布儒斯特窗（简称布氏窗），可 使腔镜上反射回来进入激光工作物质的光束中，垂直偏振光无损地通过布氏窗形成振荡，而平行偏振光受高反射损耗，难以形成振荡，这样就实现了偏振激光的输出。布氏窗一般为内置式。 布儒斯特窗法激光偏振选择技术 第19页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五稳定度：的比值复现性：同一台激光器在不同的时间、地点、环境条件下使用时，频率偏差与频率平均值之比值： 7.2.1 频率的稳定性 1. 频率的稳定度和复现性 7.2 稳频技术激光器连续工作

9、期间其频率改变量 与平均频率分为长期稳定性和短期稳定性。第20页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五腔长 ：环境温度起伏，激光管发热，机械振动折射率 ：环境温度变化，大气气压、湿度变化频率漂移量： 激光频率的稳定问题，归结为保持腔长和折射率稳定，特别是腔长的稳定。2. 影响频率稳定的因素 采用恒温、防震、稳压稳流等措施后，稳定度可达10-7第21页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五主动稳频技术： 选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏离此特定的标准频率时，鉴别器产生一个正比于偏离量的误差信号，此误差信号经放大后又通过反馈系统回来调节腔长，使激光

10、频率回到标准的参考频率上，达到稳频目的。（1）把原子发光谱线的中心频率作为标准频率：兰姆凹陷法、塞曼效应法。稳定度好，复现性较差。（2）利用外界参考频率作为标准频率：饱和吸收稳频法，稳定度和复现性都很高。7.2.2 稳频方法被动稳频技术：控制温度，采用互补的腔体材料，减震。第22页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五 附近频率的微小变化会引起输出功率显著变化1. 兰姆凹陷稳频第23页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五 压电陶瓷可根据加在其上的电压作线性伸缩，即通过加在陶瓷上的电压来控制腔长；选频放大器只对选定频率放大；相敏检波器对两个同频率的交流分量比较，

11、并给出直流信号；音频振荡器输出的正弦信号给相敏检波器提供参考信号，同时加在压电陶瓷上对腔长调制。(1) 兰姆凹陷稳频系统的组成第24页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五(2) 兰姆凹陷稳频系统的工作原理 时，激光输出功率以2f 频率变化，探测器输出的电信号不能通过选频放大器，没有附加电压加在压电陶瓷上，腔长和激光频率维持不变。第25页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五以中心频率 作为参考标准，当激光振荡频率偏离 时，输出一误差信号，通过伺服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长，从而将激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中

12、心处。 时，激光输出功率以f 频率变化，而且与调制信号电压同相位，探测器输出的电信号经过选频放大和相敏检波后，得到负直流电压，使压电陶瓷缩短，腔长变大，激光频率被拉回到 。 时，激光输出功率以f 频率变化，而且与调制信号电压反相位，探测器输出的电信号经过选频放大和相敏检波后，得到正直流电压，使压电陶瓷伸长，腔长变小，激光频率被拉回到 。频率稳定度由于10-9，但频率复现性仅达10-7。第26页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五(1) 正常塞曼效应：发光的原子系统置于磁场中时，其原子谱线在磁场作用下会发生分裂。左旋圆偏振光：右旋圆偏振光：左旋光和右旋光关于中心频率对称2. 塞

13、曼稳频第27页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五左旋光光强 右旋光光强左旋光光强 右旋光光强 测出二圆偏振光输出功率的差值，作为鉴频的误差信号，再通过伺服控制系统控制激光器腔长。第28页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五(2) 塞曼稳频系统的组成 电光调制器由电光晶体和偏振器组成。圆偏振光通过加有1/4波长电压 时变成线偏振光。利用 使左选和右旋圆偏振光交替通过偏振器，即能比较出左旋光和右旋光光强的大小，从而完成鉴频作用。以此输出功率之差值作为鉴频的误差信号，再通过伺服控制系统控制激光器腔长。 第29页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期

14、五 当电光晶体电压为正半周时，右旋光经电光晶体后变成的线偏振光能通过，左旋光正好通不过；而当电光晶体电压为负半周时，左旋光经电光晶体后变成的线偏振光能通过，右旋光正好通不过。因此光电探测器就交替接收到左右旋光的光强 ，其变化频率为电压的频率f。第30页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五稳频原理：频率稳定参考点是左、右旋光曲线的交点（图a）。如果激光频率等于 ，左右旋光输出功率相等，光电接收器接收到直流信号，电子伺服系统无信号输出，激光频率保持不变；如果外界扰动使 （图b）， ，这时光电接收器输出的误差信号的相位与调制电压相反；反之，如果外界扰动使 （图c）， ，这时光电接收

15、器输出的误差信号的相位与调制电压相同。误差信号经选频放大后，控制压电陶瓷伸缩以调制腔长。第31页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五 双频稳频激光器输出功率和频率没有音频调制，频率稳定性达10-1010-11，频率复现性达10-710-8.第32页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五 在谐振腔内放入一个充有低气压气体的吸收管。例如，对于氦氖激光器，吸收管的气体为氖气和碘蒸汽的混合。吸收管内气体在激光振荡频率处有强吸收峰（吸收线），而且很稳定。3. 饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频）第33页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五 低压气体具有可饱和

16、吸收特性，原理类似于兰姆凹陷。对于 的光，其正向和反向传播的光均被 的粒子吸收，吸收系数为： 为中心频率小信号吸收系数。第34页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五 对于 的光，正向传播的光波和反向传播的光波分别被不同运动方向的粒子吸收，所以在 和 处烧一个孔，所以吸收系数为：在在谐振腔内放置吸收管时单程损耗为： 所以在 处的吸收最小，输出功率最大，称反兰姆凹陷。 稳频原理与兰姆凹陷稳频相同。第35页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五迄今，典型的稳频激光器有：632.8nmHe-Ne:I2稳频激光器，稳定度达510-13，复现性达110-10；514.5n

17、mAr+:I2稳频激光器，稳定度达510-14，复现性达1.510-12；3.39mHe-Ne:CH4稳频激光器，稳定度达510-15，复现性达310-14；CO2稳频激光器，稳定度达510-14，复现性达110-10； 第36页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五普通脉冲激光器调Q激光器光脉冲宽度：峰值功率：将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中，使峰值功率提高几个数量级。同时，这种强的相干辐射光与物质相互作用，会产生一系列具有重大意义的新的光学现象，由此产生了非线性光学等新的光学分支。 推动了激光雷达、激光测距、高速全息照相、激光核聚变等重要应用技术的迅速发展。7.3 调Q技术

18、第37页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五特点：（1） 在 附近变化，故输出功率低；（2）激光脉冲宽度很宽；（3）激光脉冲不够平滑。脉冲激光器的驰豫振荡效应光泵激励：反转粒子数密度 增加受激辐射：反转粒子数密度 减少可以通过改变阈值来获得巨脉冲输出。第38页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五调 Q：采用一定的技术和装置来控制激光器谐振腔 的Q值按一定的程序和规律变化，从而达到 改善激光脉冲的功率和时间特性的目的。7.3.1 调Q激光器工作原理第39页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五泵浦初期：将阈值调高，抑制激光振荡的产生，使激光上能

19、级积累反转粒子数.反转粒子数到最大时：突然调低阈值，上能级大量粒子雪崩式跃迁到低能级，获得巨脉冲脉冲泵浦的调Q过程：第40页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五Q开关主动式Q开关：被动式Q开关：谐振腔损耗由外部驱动源控制电光调Q、声光调Q谐振腔损耗取决于腔内激光光强可饱和吸收体调Q反射损耗：电光调Q衍射损耗：声光调Q吸收损耗：染料调Q调Q方法：第41页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五转镜调Q技术 将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中，只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔的反射损耗即可达到调Q

20、目的。缺点：Q值变化时间长，难以获得短脉冲。第42页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五利用某些晶体的电光效应起到延时作用，做成电光Q开关电光效应：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之间产生相位差，从而使光的偏振状态发生变化。 沿Z轴传输、x方向偏振的光入射到Z轴加电压的电光晶体上，分解为正交的两个偏振分量，它们具有不同的折射率，通过长度d的晶体后，产生相位差为V不同，相位差不同。1. 电 光 调 Q第43页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五电光调Q（反射式）装置：电光晶体上未加电压：电光Q开关打开，形成激光振荡和输出

21、。电光晶体加 电压：电光Q开关关闭，不能形成激光振荡，上能级粒子数得到积累。第44页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五声光效应：光栅常数声波波长2. 声光调Q技术当介质中有超声波传播时，超声波使介质产生弹性应力或应变，介质中的折射率发生变化，可近似看作光栅。光束通过这种介质就会发生衍射，使光束产生偏转。第45页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五 声光布喇格衍射 若声波频率较高，且声光作用长度L较大，声扰动介质形成“体位相光栅”。当平面光波相对于声波方向以一定角度入射时，介质内的各级衍射光将互相干涉，在一定条件下，各高级衍射光将互相抵消，只出现0级和级(或

22、级)衍射光，即产生布喇格衍射。 布喇格衍射条件： 布喇格角 衍射效率第46页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五声光调Q激光器 声光器件在腔内按布拉格条件放置。当外加高频振荡的超声信号时，光束沿布拉格角偏折，从而偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重，Q值很低，不能形成激光振荡；光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累；一定时间后，瞬间撤销超高频振荡声场，光无偏折地通过晶体，Q值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。第47页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五利用某种材料对光的吸收系数随光强变化的特性进行调Q可饱和吸收体：吸收系数不是常数，在较强激光作用下，

23、其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性。对光束变为透明利用可饱和吸收体对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q，这种调Q开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调Q技术。3. 可饱和吸收体调Q第48页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五染料的选择：（a）染料吸收峰中心波长和激光波长基本吻合；（b） 具有合适的数值，以得到合适的“开关”速度；（c）应具有一定稳定性和保存期，以利于使用。（1）可饱和吸收染料调Q装置缺点：染料容易变质，需经常更换输出稳定性差。 可做成固体染料片。第49页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五(

24、3)半导体纳米薄膜被动调Q采用磁控溅射和热退火制备半导体纳米薄膜作为可饱和吸收体，实现调Q。(a）调Q脉冲序列 (40s/div.); (b)单脉冲波形 (40ns / div.)（2）晶体的被动调Q第50页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五格兰-付克棱镜作为偏振器。未加电压时损耗很大，不形成激光振荡，相当于Q开关关闭，上能级粒子数得到积累；当调制晶体加/2电压时，线偏光经反射镜且二次经过调制晶体后，振动方向相对原方向旋转180度， Q开关打开，形成激光振荡，但不输出，光子储存在腔内。到一定时刻撤销晶体外加电压，相当于Q开关关闭，则光立刻通过棱镜输出。4. 透射式调Q（腔倒空调Q）特点：光脉冲时间宽度很小，相当于2L/c第51页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五反射式调Q：Q开关打开后，边振荡边输出，脉冲较宽。反射-透射式调Q：腔内储存的激光能量达最大值时瞬间输出，脉冲窄，达到2L/c极限，即数纳秒。第52页，共61页，2022年，5月20日，2点26分，星期五调