第七章激光器特性的控制与改善
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yz第七章-激光器特性的控制与改善解析复习课程
13
四、无源腔稳频
图7.2.10是利用法-布罗干涉仪稳定半导体激光器运行频率
的示意图。激光频率的变化将引起透过法-布罗干涉仪光功率的
变化。
利用与兰姆凹陷稳频类似的鉴频方法得到的误差信号，控
7.2
制激光二极管的温度、激励电流或外腔激光器的腔长可使激光
频 频率稳定于法-躏干涉仪的最佳透过频率。
率
将多个激光器稳定于不同级次的透过峰频率上，可得到频率
之差值，以此作为鉴频的误差信号，再通过伺服控制系统控制激
7.2
光器腔长。
频
双频稳频激光器的频率稳定性可达10-10～10-11，频率复现性为
率 10-7~10-8。
稳 定
三、饱和吸收稳频
12
7.2
频 率 稳 定
由于β(ν1)——ν1曲线的尖锐凹陷，激光器输出功率在ν‘。 处出现一个尖锐的尖峰，称为反兰姆凹陷，如图8.2.9(b)所 示。利用反兰姆凹陷，可使激光器的频率稳定在ν’。，其稳 频系统与兰姆凹向法类似。
最小而高阶模的体积较大，当腔镜发生倾斜时，高阶横模损耗显
著增大，基模受到的影响较小，因而仍可继续维持振荡。这样，
适当将腔镜倾斜就可以抑制高阶横。
3
二、纵模选择
谐振腔中不同纵模有着相同的损耗，但由于频率的差异而 具有不同的小信号增益系数。扩大和充分利用相邻纵模间的增 益差，或人为引人损耗差是进行纵模选择的有效途径。 具体方法如下:
一、兰姆凹陷稳频
兰姆凹陷法以增益曲线中心频率ν。为参考标准频率，电子伺
频 服系统通过压电陶瓷控制激光器的腔长，使频率稳定于ν0。 率 稳 定
8
7.2
频 率 稳 定
兰姆凹陷法稳频可获优于10-9频率稳定性，由于谱线中心频率ν。 随激光器放电条件而改变，频率复现性仅达10-7~10-8。，这种激 光器的输出激光的光强和频率均有微小的音频调制。
四、无源腔稳频
图7.2.10是利用法-布罗干涉仪稳定半导体激光器运行频率
的示意图。激光频率的变化将引起透过法-布罗干涉仪光功率的
变化。
利用与兰姆凹陷稳频类似的鉴频方法得到的误差信号，控
7.2
制激光二极管的温度、激励电流或外腔激光器的腔长可使激光
频 频率稳定于法-躏干涉仪的最佳透过频率。
率
将多个激光器稳定于不同级次的透过峰频率上，可得到频率
之差值，以此作为鉴频的误差信号，再通过伺服控制系统控制激
7.2
光器腔长。
频
双频稳频激光器的频率稳定性可达10-10～10-11，频率复现性为
率 10-7~10-8。
稳 定
三、饱和吸收稳频
12
7.2
频 率 稳 定
由于β(ν1)——ν1曲线的尖锐凹陷，激光器输出功率在ν‘。 处出现一个尖锐的尖峰，称为反兰姆凹陷，如图8.2.9(b)所 示。利用反兰姆凹陷，可使激光器的频率稳定在ν’。，其稳 频系统与兰姆凹向法类似。
最小而高阶模的体积较大，当腔镜发生倾斜时，高阶横模损耗显
著增大，基模受到的影响较小，因而仍可继续维持振荡。这样，
适当将腔镜倾斜就可以抑制高阶横。
3
二、纵模选择
谐振腔中不同纵模有着相同的损耗，但由于频率的差异而 具有不同的小信号增益系数。扩大和充分利用相邻纵模间的增 益差，或人为引人损耗差是进行纵模选择的有效途径。 具体方法如下:
一、兰姆凹陷稳频
兰姆凹陷法以增益曲线中心频率ν。为参考标准频率，电子伺
频 服系统通过压电陶瓷控制激光器的腔长，使频率稳定于ν0。 率 稳 定
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7.2
频 率 稳 定
兰姆凹陷法稳频可获优于10-9频率稳定性，由于谱线中心频率ν。 随激光器放电条件而改变，频率复现性仅达10-7~10-8。，这种激 光器的输出激光的光强和频率均有微小的音频调制。
激光器特性的控制与改善
横模:在谐振腔的横截面内激光光场的分布.
横模阶数越高, 光强分布就越复杂 且分布范围越大, 因而其光束发散角越大。
3 2021/4/8
图7.1-1 不同横模的光场强度
1.基模 (TEM00) 的光强分布图案呈圆形且分布范围很小, 其光束发散角 最小, 功率密度最大，因此亮度也最高，径向强度分布是均匀的。
10 2021/4/8
2.小孔光阑法选模
图5.2-7 小孔光阑选模
采用小孔光阑作为选模元件插入腔内是固体激光器中常用的选模方法, 如
图5.2-7所示。对于共心腔Ｒ１＋Ｒ２＝Ｌ, 这种方法尤其有效。由于高阶横模的
光腰比基模的大，如果光阑的孔径选择得适当，就可以将高阶横模的光束遮住 一部分，而基模则可顺利通过。腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜的横模截面，
模的基本特征主要包括： 1、电磁场空间分布 E(x,y,z)，包括腔的横截面内的场 分布（横模）和纵向场分布（纵模）；
2、谐振频率； 3、在腔内往返一次经受的相对功率损耗 ； 4、每一个模的激光束发散角 。 腔的参数 唯一确定 模的基本特征。 腔的模式 也就是腔内可能区分的 光子状态。
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注入锁定现象可分为两类:
7.4
①连续激光器的注入锁定:在一连续激光振荡器中注入一弱的
单色激光信号，若注入光信号频率ν1足够接近激光器的自由
注 入
振荡频率ν，则激光振荡可完全为注入信号控制，激光器振荡
锁 模式的频率跃变为ν1，相位与注入信号同步。
定 ②脉冲激光器的注入锁定:在调Q或增益开关激光器启动过程
0q
q
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一.纵模选择原理
激光器的振荡频率范围是由工作物质的增益谱线的宽度决定的，而 产生多纵模振荡数则是由增益线宽和谐振腔两相邻纵模的频率间隔决 定的，即在增益线宽内，只要有几个纵模同时达到振荡阈值，一般都 能形成振荡。如以Δν0表示增益曲线高于阈值部分的宽度，相邻纵模 的频率间隔为Δνq，则可能同时振荡的纵模数。
周炳坤版激光原理习题答案第七章
第七章 激光特性的控制与改善习题1．有一平凹氦氖激光器，腔长0.5m ，凹镜曲率半径为2m ，现欲用小孔光阑选出TEM 00模，试求光阑放于紧靠平面镜和紧靠凹面镜处的两种情况下小孔直径各为多少？(对于氦氖激光器，当小孔光阑的直径约等于基模半径的3.3倍时，可选出基模。
)解：腔长用L 表示，凹镜曲率半径用1R 表示，平面镜曲率半径用2R 表示，则120.5m,2m,L R R ===∞由稳定腔求解的理论可以知道，腔内高斯光束光腰落在平面镜上，光腰半径为012141 ()] 0.42mmw L R L ==-≈共焦参量为22070.420.87m 632810w f ππλ-⨯==≈⨯ 凹面镜光斑半径为10.484mm w w w ==≈ 所以平面镜端光阑直径为 03.3 1.386mm D w =⨯=平 凹面镜端光阑直径为 13.3 1.597mm D w =⨯=凹2．图7.1所示激光器的M 1是平面输出镜，M 2是曲率半径为8cm 的凹面镜，透镜P 的焦距F =10cm ，用小孔光阑选TEM 00模。
试标出P 、M 2和小孔光阑间的距离。
若工作物质直径是5mm ，试问小孔光阑的直径应选多大？图7.112解：如下图所示：12P小孔光阑的直径为：31.061010022mm 0.027mm 2.5f d a λππ-⨯⨯==⨯≈⨯其中的a 为工作物质的半径。
3．激光工作物质是钕玻璃，其荧光线宽F ν∆=24.0nm ，折射率η=1.50，能用短腔选单纵模吗？解：谐振腔纵模间隔222q q c LLνηλλη∆=∆=所以若能用短腔选单纵模，则最大腔长应该为215.6μm 2L ληλ=≈∆所以说，这个时候用短腔选单纵模是不可能的。
6．若调Q 激光器的腔长L 大于工作物质长l ，η及'η分别为工作物质及腔中其余部分的折射率，试求峰值输出功率P m 表示式。
解：列出三能级系统速率方程如下：2121 (1)2 (2)R dN l NcN n dt L d nN n dtστσυ=∆-'∆=-∆式中，()L l L l ηη''=+-，η及'η分别为工作物质及腔中其余部分的折射率，N 为工作物质中的平均光子数密度，/,/R c L c υητδ'==。
第7章(1) 激光特性的控制与改善
第七章
激光器特性的控制与改善
改善和提高激光性能的各种技术 1. 改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性： 模式选择、稳频、注入锁定技术
精密干涉计量、全息照相、精细加工等应用
2. 获得窄脉冲高峰值功率的激光束：
Q调制、锁模技术
激光雷达、高速摄影、高分辨率光谱学研究等应用
7.1 模式选择
横模：在谐振腔的横截面内激光光场的分布。
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 v0 。
以中心频率 0 作为参考标准，当激光振荡频率偏离 0 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心处。
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，其他频率的光不能透过标准具。 可以得到透射光强与入射光强的关系式：
T ( ) (1 R)2 (1 R) 4 R sin ( ) 2
2 2
1 4R 2 1 sin ( ) 2 (1 R) 2
其中相邻两出射光线的相位差：
c q 2n( L1 L2 )
M1 M 2 M 3 M 2 M 4
c q 2n( L1 2 L2 L3 )
谐振条件：
m vq mvq， m m （整数，取 1 ）
v mvq mvq
得到：
c 2n( L2 L3 )
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。
激光器特性的控制与改善
改善和提高激光性能的各种技术 1. 改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性： 模式选择、稳频、注入锁定技术
精密干涉计量、全息照相、精细加工等应用
2. 获得窄脉冲高峰值功率的激光束：
Q调制、锁模技术
激光雷达、高速摄影、高分辨率光谱学研究等应用
7.1 模式选择
横模：在谐振腔的横截面内激光光场的分布。
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 v0 。
以中心频率 0 作为参考标准，当激光振荡频率偏离 0 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心处。
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，其他频率的光不能透过标准具。 可以得到透射光强与入射光强的关系式：
T ( ) (1 R)2 (1 R) 4 R sin ( ) 2
2 2
1 4R 2 1 sin ( ) 2 (1 R) 2
其中相邻两出射光线的相位差：
c q 2n( L1 L2 )
M1 M 2 M 3 M 2 M 4
c q 2n( L1 2 L2 L3 )
谐振条件：
m vq mvq， m m （整数，取 1 ）
v mvq mvq
得到：
c 2n( L2 L3 )
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。
激光器特性的控制与改善课件
激光器的分类
根据工作物质的不同，激光器可 以分为气体激光器、固体激光器 、液体激光器、半导体激光器等 。
激光器的组成与工作原理
激光器的组成
激光器通常由工作物质、泵浦源、谐振腔和控制系统等组成。
激光器的工作原理
激光器的工作原理是基于原子能级跃迁和光子反馈机制，通过泵浦源对工作物 质进行激励，使原子发生能级跃迁并产生光子，在谐振腔的作用下形成激光。
在抗损伤和热管理方面，仍需 进一步提高技术的可靠性和稳 定性，以满足更高功率和更长 寿命的运行需求。
对未来研究的建议和展望
深入研究高功率激光器的物理机制和控制原理，开发更加先进、稳定、高效的激光 器控制技术。
加强与国际先进研究机构的合作与交流，引进和吸收国际先进技术，推动我国激光 器技术的持续发展。
激光器特性的控制 与改善课件
目录
• 激光器特性概述 • 激光器特性的控制技术 • 激光器特性的改善策略 • 激光器特性控制与改善的实验方法 • 总结与展望
01
CATALOGUE
激光器特性概述
激光器的定义与分类
激光器的定义
激光器是一种能够产生激光的装 置，它利用外部能量激发某些物 质，使其发出激光。
温度控制
控制激光器的工作环境温度可以 减少温度波动对激光器性能的影 响，提高激光器的稳定性和可靠
性。
湿度控制
控制激光器的工作环境湿度可以减 少湿度对光学元件和电路的影响， 提高激光器的性能和可靠性。
空气洁净度控制
控制激光器的工作环境空气洁净度 可以减少灰尘和其他杂质对光学元 件和电路的影响，提高激光器的性 能和可靠性。
04
CATALOGUE
激光器特性控制与改善的实验方法
实验设计
根据工作物质的不同，激光器可 以分为气体激光器、固体激光器 、液体激光器、半导体激光器等 。
激光器的组成与工作原理
激光器的组成
激光器通常由工作物质、泵浦源、谐振腔和控制系统等组成。
激光器的工作原理
激光器的工作原理是基于原子能级跃迁和光子反馈机制，通过泵浦源对工作物 质进行激励，使原子发生能级跃迁并产生光子，在谐振腔的作用下形成激光。
在抗损伤和热管理方面，仍需 进一步提高技术的可靠性和稳 定性，以满足更高功率和更长 寿命的运行需求。
对未来研究的建议和展望
深入研究高功率激光器的物理机制和控制原理，开发更加先进、稳定、高效的激光 器控制技术。
加强与国际先进研究机构的合作与交流，引进和吸收国际先进技术，推动我国激光 器技术的持续发展。
激光器特性的控制 与改善课件
目录
• 激光器特性概述 • 激光器特性的控制技术 • 激光器特性的改善策略 • 激光器特性控制与改善的实验方法 • 总结与展望
01
CATALOGUE
激光器特性概述
激光器的定义与分类
激光器的定义
激光器是一种能够产生激光的装 置，它利用外部能量激发某些物 质，使其发出激光。
温度控制
控制激光器的工作环境温度可以 减少温度波动对激光器性能的影 响，提高激光器的稳定性和可靠
性。
湿度控制
控制激光器的工作环境湿度可以减 少湿度对光学元件和电路的影响， 提高激光器的性能和可靠性。
空气洁净度控制
控制激光器的工作环境空气洁净度 可以减少灰尘和其他杂质对光学元 件和电路的影响，提高激光器的性 能和可靠性。
04
CATALOGUE
激光器特性控制与改善的实验方法
实验设计
精品课件-激光器特性的控制与改善
(8.2.1)
通常定义频率稳定性地|ν|/ν来描述激光器的频率稳定特性,它表示在某一测量时间间隔内 频率的漂移量|Δν|与频率的平均值ν之比。
一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氮氛激光器,当温度漂移土1℃时,由于腔长变化引起的 频率漂移已超出增益曲线范围。因此,在不加任何稳频措施时,单纵模氮氛激光器的频率稳 定性为
一、横模选择 谐振腔中不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础。在稳定腔中,基模的衍射损 耗最低,随着横模阶次的增高,衍射损耗将迅速增加。 激光器以TEM00模单模运转的充分条件是:TEM00模的单程增益至少应能补偿它在腔内的 单程损施,即应有
（8.1.1）
而损耗高于基模的相邻横模(如TEM10模),却应同时满足
二、塞曼稳频 利用塞曼效应稳频的方法可分为纵向塞曼稳频(外磁场方向与激光管轴线平行)、横向塞 曼稳频及塞曼吸收稳频(利用腔内吸收介质的塞曼效应稳频)等三种。本节以纵向塞曼稳频 的氮氛双频激光器为例说明塞曼稳频的原理。
图8.2.4所示双频稳频氦氖激光器是一个在放电区加上0.03T左右的纵向磁场，并利用压 电陶瓷控制腔长的内腔激光器。
（8.1.2）
式中g000和g010分别为工作物质中TEM00模和TEM10模的小信号增益系数;δ00和δ10分别为二 模式的单程衍射损耗。
在各个横模的增益大体相同的条件下,不同横模间衍射损耗的差别就是进行横模选 择的根据。因此,必须尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比,δ10/δ00越大,则横模鉴别 力越高。同时还应使衍射损耗在总损耗中占有足够的比例。
下面简单介绍实现横模选择的几种具体方法。 1.小孔光阑选模
在谐振腔内设置小孔光阑或限制工作物质横截面积可降低谐振腔的菲捏耳数,增加衍射 损耗,使其满足式(8.1.1)与式(8.1.2),从而使激光器实现基横模运行。这一方法的实质是使 光斑尺寸较小的基模元阻挡地通过小孔光阑,而光斑尺寸较大的高阶横模却受到阻拦而遭 受较大的损耗。由于在谐振腔的不同位置,光斑尺寸不同,所以小孔光阑的大小因其位置而
通常定义频率稳定性地|ν|/ν来描述激光器的频率稳定特性,它表示在某一测量时间间隔内 频率的漂移量|Δν|与频率的平均值ν之比。
一个管壁材料为硬玻璃的内腔式氮氛激光器,当温度漂移土1℃时,由于腔长变化引起的 频率漂移已超出增益曲线范围。因此,在不加任何稳频措施时,单纵模氮氛激光器的频率稳 定性为
一、横模选择 谐振腔中不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础。在稳定腔中,基模的衍射损 耗最低,随着横模阶次的增高,衍射损耗将迅速增加。 激光器以TEM00模单模运转的充分条件是:TEM00模的单程增益至少应能补偿它在腔内的 单程损施,即应有
（8.1.1）
而损耗高于基模的相邻横模(如TEM10模),却应同时满足
二、塞曼稳频 利用塞曼效应稳频的方法可分为纵向塞曼稳频(外磁场方向与激光管轴线平行)、横向塞 曼稳频及塞曼吸收稳频(利用腔内吸收介质的塞曼效应稳频)等三种。本节以纵向塞曼稳频 的氮氛双频激光器为例说明塞曼稳频的原理。
图8.2.4所示双频稳频氦氖激光器是一个在放电区加上0.03T左右的纵向磁场，并利用压 电陶瓷控制腔长的内腔激光器。
（8.1.2）
式中g000和g010分别为工作物质中TEM00模和TEM10模的小信号增益系数;δ00和δ10分别为二 模式的单程衍射损耗。
在各个横模的增益大体相同的条件下,不同横模间衍射损耗的差别就是进行横模选 择的根据。因此,必须尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比,δ10/δ00越大,则横模鉴别 力越高。同时还应使衍射损耗在总损耗中占有足够的比例。
下面简单介绍实现横模选择的几种具体方法。 1.小孔光阑选模
在谐振腔内设置小孔光阑或限制工作物质横截面积可降低谐振腔的菲捏耳数,增加衍射 损耗,使其满足式(8.1.1)与式(8.1.2),从而使激光器实现基横模运行。这一方法的实质是使 光斑尺寸较小的基模元阻挡地通过小孔光阑,而光斑尺寸较大的高阶横模却受到阻拦而遭 受较大的损耗。由于在谐振腔的不同位置,光斑尺寸不同,所以小孔光阑的大小因其位置而
激光原理复习题重点难点
《激光原理》复习第一部分知识点第一章激光的基本原理1、自发辐射受激辐射受激吸收的概念及相互关系2、激光器的主要组成部分有哪些？各个部分的基本作用。
激光器有哪些类型？如何对激光器进行分类。
3、什么是光波模式和光子状态？光波模式、光子状态和光子的相格空间是同一概念吗？何谓光子的简并度？4、如何理解光的相干性？何谓相干时间，相干长度？如何理解激光的空间相干性与方向性，如何理解激光的时间相干性？如何理解激光的相干光强？5、EINSTEIN系数和EINSTEIN关系的物理意义是什么？如何推导出EINSTEIN 关系？4、产生激光的必要条件是什么？热平衡时粒子数的分布规律是什么？5、什么是粒子数反转，如何实现粒子数反转？6、如何定义激光增益，什么是小信号增益？什么是增益饱和？7、什么是自激振荡？产生激光振荡的基本条件是什么？8、如何理解激光横模、纵模？第二章开放式光腔与高斯光束1、描述激光谐振腔和激光镜片的类型？什么是谐振腔的谐振条件？2、如何计算纵模的频率、纵模间隔？3、如何理解无源谐振腔的损耗和Q值？在激光谐振腔中有哪些损耗因素？什么是腔的菲涅耳数，它与腔的损耗有什么关系？4、写出（1）光束在自由空间的传播；（2）薄透镜变换；（3）凹面镜反射5、什么是激光谐振腔的稳定性条件？6、什么是自再现模，自再现模是如何形成的？7、画出圆形镜谐振腔和方形镜谐振腔前几个模式的光场分布图，并说明意义8、基模高斯光束的主要参量：束腰光斑的大小，束腰光斑的位置，镜面上光斑的大小？任意位置激光光斑的大小？等相位面曲率半径，光束的远场发散角，模体积9、如何理解一般稳定球面腔与共焦腔的等价性？如何计算一般稳定球面腔中高斯光束的特征10、高斯光束的特征参数？q参数的定义？11、如何用ABCD方法来变换高斯光束？12、非稳定腔与稳定腔的区别是什么？判断哪些是非稳定腔。
第三章电磁场与物质的共振相互作用1、什么是谱线加宽？有哪些加宽的类型，它们的特点是什么？如何定义线宽和线型函数？什么是均匀加宽和非均匀加宽？它们各自的线型函数是什么？2、自然加宽、碰撞加宽和多普勒加宽的线宽与哪些因素有关？3、光学跃迁的速率方程，并考虑连续谱和单色谱光场与物质的作用和工作物质的线型函数。
激光原理教程七-激光器特性的控制与改善
c c 2j qj 2 L l 2 2 L 2l 2 l1 满足 1i 2 j 即复合腔的谐振频率。此时从B输出的光强为0，干涉仪对谐振腔中 c 光束具有最大反射率。复合腔中两相邻的频率间隔 2 l1 l 2 选择适当l1和l2，使 osc 可获得单纵模输出。
0 r1 r2 1 00 exp 2 g 00 l 1 2 2 0 00
exp2 g l 1
0 r1 r2 1 00 exp g 00 l 1
即可实现激光 器的单横模 TEM00振荡
§7-1 模式选择
实现单模振荡的条件——
由衍射损耗与菲涅尔数N之间的关系， 增大高阶横模与基模的衍射损耗比； 减少其它损耗，相对增大衍射损耗。 考虑到模式之间的竞争，即使激光器 开始有多个横模满足条件起振，如果 各模式的增益相同，因基模损耗最小， 在模式竞争中占优势。 一旦基模首先振荡，就会从工作物质 中不断补充能量，由于增益饱和效应， 工作物质g下降，当满足： 0 r1 r2 1 00 expg 00 l 1 此时振荡稳定，其他高阶横模因不满 足阈值条件而受到抑制，就能够使得 激光器单横模运转。
1i qi 两子腔的谐振频率：
为实现单纵模振荡，首先用频率粗选法抑制不需要的激光谱线，其次用横模 选择法选出TEM00，在此基础上进行纵模选择。
§7-1 模式选择
纵模选择思想：
某一个纵模能否起振和维持振荡取决于该纵模的增益和损耗的相对大小。 控制着两个参数之一，使谐振腔内可能存在的纵模中只有一个满足振荡 条件，即可实现单纵模振荡。 对于同一横模的不同纵模而言，其损耗相同，不同纵模间存在增益差异。 可在腔内引入一定的选择性损耗，使欲选择的纵模损耗最小，其余纵模 附加损耗较大，即增大各纵模间增益差异，使只有中心频率处少数纵模 建立振荡。这样在激光形成过程中，通过多纵模间模式竞争机制，最终 中心频率对应的单纵模形成激光。
激光特性的控制与改善
7
第8页/共75页
1.2 纵模选择
激光工作物质中往往存在多对激光振荡能级，可以利用窄 带介质膜反射镜、光栅、棱镜等构成色散腔获得特定波长 的跃迁振荡 纵模选择：在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法 一般谐振腔不同纵模损耗相同，但是小信号增益各异 ——扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差
8
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第33页/共75页
吸收管内充气压: 1~10 Pa 多普勒加宽 为主 低压气体吸收峰频率 稳定性好
吸收饱和现象：吸收管内物质吸收系数为b(n)，当入射光足 够强时，由于下能级粒子数减少，上能级粒子数增加，b(n) 将随光强而逐渐减小 吸收饱和与增益饱和完全类似，把吸收看成负增益，则关于 增益饱和的全部理论均可用于讨论吸收饱和现象
6
第7页/共75页
2、谐振腔参数g、N选模
适当选择谐振腔的类型和腔参数g、N，满足谐振腔单 模运转充分条件，实现基横模输出
3、非稳腔选模
非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗有很大差异 适用于高增益激光器选横模 非稳腔的输出光束为球面波或平面波
4、微调谐振腔
平面腔：腔镜倾斜可抑制基模，实现高阶模振荡 稳定腔：倾斜腔镜基模受影响小，高阶模损耗明显增大
26
第27页/共75页
(1) 未加磁场时
工作物质增益曲线和色散曲线如图
腔长足够短时，只有nq的纵
模振荡，若nq=n0，则没有
频率牵引，h(n0)=h0=1
q
cq 2L
27
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(2) 加磁场时
加磁场后，光谱线发生塞满分裂，沿磁场方向观察，谱线 分裂为中心频率为n0右的右旋偏振光和n0左的左旋偏振光
线在磁场中表现出反常塞曼效应，谱线分裂条数不一定是3 条，间隔也不一定是一个洛伦兹单位
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1.2 纵模选择
激光工作物质中往往存在多对激光振荡能级，可以利用窄 带介质膜反射镜、光栅、棱镜等构成色散腔获得特定波长 的跃迁振荡 纵模选择：在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法 一般谐振腔不同纵模损耗相同，但是小信号增益各异 ——扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差
8
第9页/共75页
32
第33页/共75页
吸收管内充气压: 1~10 Pa 多普勒加宽 为主 低压气体吸收峰频率 稳定性好
吸收饱和现象：吸收管内物质吸收系数为b(n)，当入射光足 够强时，由于下能级粒子数减少，上能级粒子数增加，b(n) 将随光强而逐渐减小 吸收饱和与增益饱和完全类似，把吸收看成负增益，则关于 增益饱和的全部理论均可用于讨论吸收饱和现象
6
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2、谐振腔参数g、N选模
适当选择谐振腔的类型和腔参数g、N，满足谐振腔单 模运转充分条件，实现基横模输出
3、非稳腔选模
非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗有很大差异 适用于高增益激光器选横模 非稳腔的输出光束为球面波或平面波
4、微调谐振腔
平面腔：腔镜倾斜可抑制基模，实现高阶模振荡 稳定腔：倾斜腔镜基模受影响小，高阶模损耗明显增大
26
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(1) 未加磁场时
工作物质增益曲线和色散曲线如图
腔长足够短时，只有nq的纵
模振荡，若nq=n0，则没有
频率牵引，h(n0)=h0=1
q
cq 2L
27
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(2) 加磁场时
加磁场后，光谱线发生塞满分裂，沿磁场方向观察，谱线 分裂为中心频率为n0右的右旋偏振光和n0左的左旋偏振光
线在磁场中表现出反常塞曼效应，谱线分裂条数不一定是3 条，间隔也不一定是一个洛伦兹单位
第七章 脉冲激光技术20150612
EO/2 Ey S波 A，
巨脉冲输出，tPTM
2L c
设计电光调Q激光器要考虑的问题：
调制晶体 消光比高，透过率高，半波电压低，抗激光破坏阈值高。 晶体潮解问题
调制器的电极结构
要形成均匀电场 纵向运用用环形电极，横向运用用平板电极。 对工作物质的要求 上能级寿命长，抗激光破坏阈值高。 对泵浦源的要求
应用最广泛
对高能量激光器的开 用于低增益的连续
关能力差
激光器
被动式调Q，产生调 用于能量较大的脉 Q脉冲的时刻有一定 冲激光器 随机性，染料易变质， 输出不稳定
7.2 锁模
目的:
压缩脉冲宽度,高峰值功率,Q开关激光器一般脉宽达10-8s-109s量级,如果再压缩脉宽,Q开关激光器已经无能为力,但有很多实际 应用需要更窄的脉冲.(1964年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩 到10-11～10-14s（ps~fs）量级。) 例: 1.激光测距，为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好
H
21l
nt
21l
n nt
t>tp,
n nt
调Q过程反转粒子数密度及光子数密度随时间的变化
“Q”的意义
Q 2 储存在腔内的总能量（x）
单位时间内损耗的能量（P）
Q
2
W dW
dt
2
W W
2c
普通的脉冲激光器：脉宽ms级，峰值功率几十kW 调Q激光器：脉宽ns级，峰值功率达到百MW
R. Hellwarth
1 I
0
/
I
' s
关键：
（1）吸收峰中心波长 与激光波长吻合
（2）适当的饱和光强
开始泵浦腔内荧光弱吸收系数大Q值低不能形成激光 继续泵浦腔内荧光变强吸收系数变小荧光达到一定值时， 吸收系数饱和材料被漂白 Q值突增，雪崩过程，形成激光脉 冲达到饱和光强，增益系数显著下降，激光熄灭
第七章激光器特性的控制与改善
1 R1 1 R2
1 R1R2
2
4 R1R2 sin 2 2
F-P 腔透过率曲线
T
2 q 2 q
( R1 R2 R)
2 1 R 2 2 1 R 4 R sin 2
定义品质因数Q，表示腔的锐度，或者频率敏感程度
0 0 0 Q 1 2 1 2 1 2
sin 2 , 1 R1R2 2 R1R2 1 R1R2
12 14 12
1 R1 1 R2 T 2 2 1 R1R2 4 R1R2 sin 2
Es 1 12 Es e j
Iout I E E * 2 '
' /
12
波阻抗
I out IT T2 IT 1 R2 I 0 I inT1 I in 1 R1
T2,R2
T1,R1
R1 1 , R2 2
jΔ 2 1 2
• 调Q －调腔内损耗
Q开关－ 执行调Q功能的器件；
• 巨脉冲－调Q产生的激光脉冲
• 什么是规定程序 ？
泵浦激励期间 (激光产生之前)： Q开关关闭
高损耗, (低Q), nt 高
在适当时刻(?) ：
反转粒子数积累 Q开关打开 受激辐射放大形成巨脉冲 在腔内加入阶跃变化的损耗机制 适当时刻 ? 泵浦 Q开关打开
2 R1R2 c qc L 2kL q 2 , q 2 L 2 2 L 0 2
14
2 ,
激光原理(12)(第7章模式控制与稳频)
2、空间烧孔引起多模振荡
Iν q
L
z
∆n
空间烧孔效应：波腹处光强大， 用去的反转粒子数多，增益系数 下降的也大；波节处光强小，用 去的反转粒子数少，增益系数下 降的也少 若 ν q′ 的波腹与 ν q 的波节重合， 则 ν q′ 模式可能得到较高的增益 系数而形成振荡。 纵模的空间竞争：由于轴线方向 的空间烧孔效应，不同纵模使用 空间不同部分的反转粒子数而同 时产生振荡的现象
结论：输出功率：
ν q =ν 0 < ν q ≠ ν 0
2014/5/7 13
非均匀加宽单纵模激光器 兰姆凹陷
P νq
P P3 P0 P2
0 g1 (ν )
讨论：P148
两个烧孔在 ν −ν 0 < (∆ν H / 2) ⋅ 1 + Iν / I s 时开始重叠。 兰姆凹陷的宽度大 致等于烧孔的宽度：
I00
∆n ∆n
TEM00 x I10 TEM10 x
非均匀加宽激光器中的多纵模振荡
1.非均匀加宽激光器的各纵模之间没有模式竞争，所有小信 号增益系数大于阈值增益系数的纵模都能形成稳定振荡 2.非均匀加宽激光器通常都是多纵模振荡
gi (ν , Iν )
gt
Iν
ν
ν
ν
激发增强
3. 外界的激发越强，小信号增益曲线就越高，满足振荡条件的 纵模个数也越多
8
均匀加宽单模激光器
均匀加宽工作物 质的增益系数
0 (ν q ) gH δ = g= H (ν q , Iν q ) Iν q l 1+ I s (ν q )
腔内平均光强：
Iν q
激光器的输出功率：
+
0 gH (ν q )l I s (ν q ) − 1 δ
第七章 激光器特性的控制与改善
纵模选择技术
选单纵模即是选出单一的频率，单色性好。在多横模 的腔中，光的频率很复杂，各频率间隔小，在增益线 宽中振荡的频率多，从中选出单个频率很困难，因此 在选纵模之前先选横模-基模。 •纵模选择方法 1.色散腔粗选频率 激光介质的谱线常常不止一条，在选单一频率之前， 如果先使激光处在单一的谱线上,对选纵模有利。 原理：在腔中加入一色散元件，使不同波长的光发生 分离，其中只有较窄波长范围的光振荡，其他波长的 光偏离腔外。选出一条谱线,谱线的宽度可以达到10nm。
单模激光器线宽 多模激光器谱宽
测量谱宽的方法：光谱仪 （分辨率：0.02nm－GHz）； 扫描干涉仪 （MHz）
自差拍
（KHz）
稳频技术
基本概念 稳频方法
概
述
•稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化， 稳频是实际的要求。 •频率的稳定性和复现性 1.频率的稳定性 激光器连续运转时，在一定的时间间隔内平均频率 v 与该时间内频率的变化量 v之比，用s表示。 2.频率的复现性 激光器在不同的时间、地点等条件下频率重复或再 现的精度，用R表示。 •结论：频率稳定性表示激光频率在平均频率附近的漂 移，频率的再现性表示平均频率本身的变化。
(1)法布里－珀罗标准具(F-P) F-P原理：由两块平行板玻璃组成，它是利用多光束的干涉原理 做成的。它对光的透过率和反射率均是频率的周期函数。
1 1 T ( ) 2F 2 4R 2 2 1 ( sin ) 1 sin ( nd cos ) 2 2 (1 R)
在选模中，不但选出单一基模，而且应尽可能使选择的 腔型增大模体积－输出功率增大。
•横模选择方法 1.稳定腔中的模式选择 (1)腔参数g、N选择法-利用衍射损耗来进行选模。 (2)元件选模法 ①小孔光栏法-在腔中加一小孔光栏使 10 ↑来实现选模。 ②聚焦光栏法-加入聚焦透镜，在焦点处放小孔光栏。 (3)长腔法-增加腔长(适当的增加)，能改善激光的模式。 2.介稳腔的选模 平行平面腔- TEM 00模的光束沿轴向传播，无偏折损耗，只有透射损 耗；而高阶模偏离轴向传播，有偏折损耗和透射 损耗。 为偏折损耗和透射损耗之比，它大则偏折损耗大即 高阶模的 损耗大，对选模有利。在平平腔中利用提高 的方法进行选模。
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选纵模方法
短腔法－缩短腔长，增大纵模间隔
q
c 2L
osc
适用于荧光线宽窄的激光器
例：He-Ne D 1.5GHz
g0
osc
l
F
L 0.1m q 1.5GHz 单模
YAG： F 2 1011
L 0.5mm
腔内插入 F-P标准具
激光工作物质
L
d
自由光谱区
j
c
2 d cos
g0
2
2 q 2 q
T
2
q
1 1
R R
2 2
1
T
2q
1
1 1
R R
2 2
R1
0
R 0.99
T 2q 1 2.53105
透过率T
1
R=0.7
0.9
R=0.8
0.8
R=0.9
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1 I
Is
1
1
1
放置吸收管的谐振腔单程损耗 1 1L
输出功率
P
1 2
ATIs
gml '
2
1
P~1曲线上形成反兰姆凹陷
频率稳定性: 10-11~10-12
频率复现性 10-11
632.8nm: 碘同位素蒸汽；3.39mm: 甲烷；1530.3718 nm ：乙炔
F-P标准具稳频
F-P
2 4
2 ,
1 2
R1R2 1 R1R2 1
2 4
q
sin
2
,
2
,
q
2kL
q
2
c
2 L
2
qc
2 L
,
q L 0 2
1 2
c
2 L
2
c
2 L
2
c
2 L
1RR11RR221142
Q
1 2
2 L R1R2 1 4 0 1 R1R2 1 2
L Q 0 Q R Q
圆形平面镜腔 圆形镜共焦腔
• 小孔光阑选横模
小孔
小孔
小孔光阑选模
聚焦光阑选模
基本思路： 减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗 TEM00模和其它高阶模有不同的光斑尺寸
特点：方法简单 不易获得大功率输出
• 非稳腔选横模 适用于高增益激光器选横模 非稳腔的输出光束为球面波或平面波
双凸
平凹
平凸
单程放大率 m1 a1 a1 m2 a2 a2 本征函数 u x xn
Iout I E E* 2 ' ' / 1 2 波阻抗
T2,R2
Iout ITT2 IT 1 R2 I0 IinT1 Iin 1 R1
R1 1 2 , R2 2 2
Ε T
E0 1 Γ1 Γ2e jΔ
Γ1 Γ2e jΔ
2
Γ1 Γ2e jΔ
3
E0
1
2
ni nt
为什么？
工作介质 红宝石 荧光寿命 3ms
钕玻璃 YAG CO2 0.7ms 0.23ms 1ms
He-Ne 染料 20ns ~ns
3. 调Q脉冲能量（E） 腔内脉冲总能量 E’
半导体激光器
光电 接收
稳频系统
T
j
§7.3 Q 调制 一、Q调制激光器工作原理
1. 调Q意义
压窄光脉冲宽度, 使有限的激光能量在极短的时间内
输出以提高脉冲峰值功率
E Pm t
2. 调Q基本思路：
抑制弛豫振荡,使激光在n达到最大时的极短时间内
发生
通过某种方法使腔内损耗按规定的程序变化
3. 调Q基本术语
Delay time
在腔内加入阶跃变化的损耗机制 适当时刻 ? 泵浦 Q开关打开 延迟时间：反转粒子数积累最多
～激光上能级寿命～荧光寿命
二、调Q方法
转镜调Q：反射损耗 慢开关 电光调Q：反射损耗 快开关
声光调Q 衍射损耗 染料调Q 吸收损耗
主动调Q：外加驱动源调节腔内损耗 如电光、声光调Q
被动调Q：由腔内光强调节损耗 如染料调Q
插入FP后 透射宽度 c 1 r
2 d r
l
F-P标准具的设计考虑
j osc
T
q
c 2L
j
1、谐振腔的锐度：品质因数Q和精细度F F-P腔中的平面波为例，两反射镜反射率分别为R1R2
Iin
I0 E0
E1
E2 E3
T1,R1
ET E0 E1 E2 E3 E4
E0-
Es1 12 Ese j
1/2=480 kHz; Q=9.88×108, F=313
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1 2
行波环形腔
激光工作物质
隔离器
抑制空间烧孔效应
组合腔
分布反馈(DFB)半导体激光器
（Distributed Feedback）
p-TYPE n-TYPE
定义：精细度(Finesse)
自由光谱区宽度
F= 半高全宽度
1 2
F-P腔内平面 波传输时
F
1 2
c 2L 1 2
R1R2 1 4 1 R1R2 1 2
R F
结论：精细度与腔长、 波长无 1
R=0.7
0.9
R=0.8
关，由F-P腔端面反射率决定
0.8 0.7
R=0.9
例：L=1m， 0=632.8nm R1=R2=0.99, =c/0=4.74×1014 Hz,
单模氦氖激光器频率稳定性：10-4-10-5 =1010Hz 采取恒温、防震、隔声、稳压、稳流措施：10-7
二、稳频基本原理：－稳定谐振腔光学长度
• 选择标准参考频率
• 获取误差信号
• 驱动电子伺服系统自动调节腔长
三、稳频方法 *兰姆凹陷 *饱和吸收 塞曼吸收 F-P标准具
<0 反相
>0 同相
1 Γ1Γ2e
jΔ
IT I0
1
2
1 R1R2 4 R1R2 sin2 2
Iout IT 1 R2
Iin
1 R1 1 R2
2
1 R1R2 4 R1R2 sin2 2
F-P 腔透过率曲线 (R1 R2 R)
T
I out Iin
1
R2
1 R2
4R sin2
理想阶跃开关；忽略泵浦及自发辐射引起的n的变化
dN dt
21vNn
N
R
nt
1
21v R
dN dt
N
R
n nt
1
dn dt
2 21vNn
2n2 A21
2n1W13
dn dt
2
n nt
N
R
两式相除 dN 1 nt 1 积分 dn 2 n
N
Ni
dN
1 2
n
ni
nt n
1dn
Ni－ t=0 时光子数密度 ni－t=0 时反转粒子数密度
• 锁模方法
主动锁模：振幅调制、相位调制 被动锁模：染料锁模
7.1 模式选择
选模意义：
基横模（TEM00）～发散角小～空间相干性 单纵模 ～单色性好～时间相干性
1. 横模选择
横模选择的物理基础： 不同横模有不同的衍射损耗
横模选择原则
exp g000l r1r2 1 00 1 exp g100l r1r2 1 10 1
N
m
vST
Pm
1 2
Nmh
vST
其中
Nm
1 2
nt
ni nt
ln
ni nt
1
结论：Pm
ni nt
－开关比;
如何使
ni 大
nt
ni Q开关“关死” nt Q开关插入损耗小
（1）
H
ni nt
Pm
H为t 0 时的单程损耗， 为t 0 (Q开关打开时刻）单程损耗
（2）
PP
ni nt
（3） 相同泵浦功率下
• 慢开关 • 快开关
开关时间 > 脉冲建立时间 如转镜调Q 开关时间 < 脉冲建立时间
反射镜
工作物质
转镜
• 电光调Q
激光工作物质
d
2d c
y x
2 03 63 Ed 2 03 63V
c
c
V V
d
V 0
d
Q开关关闭 Q开关打开
n积累 振荡形成巨脉冲
思考：是否可以只用一个偏振控制器，V=? Q开关关闭？
2nL’/c 几十ns 2L’/c 几ns
• 泵浦激励时，V＝0 谐振腔处于低Q状态，积累n • V=V 两全反镜构成高Q腔，光子能量储存在腔内，不能输出 • V＝0 腔内光脉冲从格兰棱镜2 输出
三、调Q激光器的基本理论
用速率方程方法讨论调Q脉冲形成，研究Q突变过
程中n和N的变化规律，脉冲峰值功率(Pm)及脉冲宽度 (t)与n的关联性
速率方程 增益饱和
激光器 工作特性
谐振腔 理论
高斯光束
振荡阈值
振荡模式
选模
输出功率 输出线宽 弛豫振荡
调Q/锁模 /放大
稳频
LD直接调制/ 增益开关DFB,调Q/锁模