第七章激光器特性的控制与改善

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
0 =0
同相 2f
<0 反相
稳频系统
光电 接收
频率稳定性：10-9
压电陶瓷：改变腔长 直流:
调节激光器输出频率
交流信号:
搜索信号， 判断 +,-
正向电压 外，内 反向电压 外，内
0 0 0
同相 反相
2f
反向 正向 0 电压
压电陶瓷 腔长q 拉回0
压电陶瓷 腔长q 拉回0
压电陶瓷不变
0
•频率复现性差 10-7 • 要求兰姆凹陷对称, 窄且深
特点: Q开关时间极短 几ns量级
讨论前提：三能级系统激光器（为什么？）
L＝l, F=1, f1=f2 及各模式振幅相等
nt
nni i
dn , dN dt dt
dN dn
Nm
Pm
nt
n f
Ni
0
N t0
dN dt
21vNn
N
R
n nt 时
dN 0 dt
1
nt 21v R
1. 调Q速率方程及其解
GRATING
m 2
0
分布布喇格反射(DBR)
DBR
P-TYPE n-TYPE DBR
外腔半导体激光器
LD
§7.2 稳频激光器
一、外界因素对频率稳定性的影响
纵模频率：
q
q c
2L
频率稳定性：
谐振腔几何长度变化：温度、振动 10-3/oC
折射率变化：温度，起伏（放电电流、驱动电
流等），气压、湿度
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
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
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
输出频率
频率变换 技术
第七章 激光器特性的控制与改善
• 模式选择 • 激光器稳频 • 调Q技术 • 锁模原理
• 锁模脉冲特性
峰值功率、脉冲间隔，脉宽、
声光调Q：低增益连续激光器
声光介质
Bragg衍射
反射镜
工作物质
驱动源
I1 Ii
sin2
2
2
d H
1
MP
2
反射镜
染料调Q（被动调Q）
0
1 I Is
I
s
h 212
2
T
1.0
全反射镜 工作物质
0.8
染料盒 反射镜
0.6
• 染料吸收峰与激光辐射中心波长吻合
0.4
• Is Is 但也不能过小
饱和吸收稳频－反兰姆凹陷
压电陶瓷
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
1 0
吸收曲线 烧孔效应
1
00
烧孔宽度
1 I I
Is
吸收饱和 > 增益饱和
1
2I Is
H
1 +
1 0
1
0 1
1 I
Is
g0
1
1
0 2 0 1
nt
nnii
Ni Nm
Nm
1 2
ni
nt
nt
ln
ni nt
nt
(L=l )
1 2
nt
ni nt
ln
ni nt
1
n f
0 Ni
tP
L l
习题7- 6
Nm
1l
2 L
nt
ni nt
ln
ni nt
1
当两反射镜透过率分别为T和0，光束截面＝工作物质截面(S)
调Q激光器输出峰值功率
Pm
1 2
h
21
• 尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗比 10 00 • 尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗，加大衍射 损耗在总损耗中的比例 T d s1 s2 i
横模选择方法 • 谐振腔设计 • 小孔光阑 • 非稳腔 • 微调谐振腔 合理选择腔型及腔结构参 数，使 TEM00和 TEM10模 之间有足够的差异
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
(7-3-5)
N
Ni
1 2
ni
n nt
ln
n ni
四能级系统在Q开关时间(ns)内 E1E0的粒子数很少，n1不能忽
dn d n2 n1 dn2
dt
dt
dt
（习题7-9）
2. 脉冲峰值功率(Pm) 当 t tP n nt , N Nm
(7.3.5)
N
Ni
1 2
Leabharlann Baidu
ni
n
nt
ln
n ni
2kL '
2 2
L'
2
2
cv
L
'
2
L
c
2 L
c
q 2
纵坐标可由或表示
定义品质因数Q，表示腔的锐度，或者频率敏感程度
Q 0 0 0
1 2 1 2 1 2
Q
T
1
1 R1 1 R2
2
R1R2 4 R1R2 sin2 2
sin
2 ,
1 2
R1R2 1 R1R2 1
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,
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’
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
1
102 I/Is
三、脉冲透射式调Q （腔倒空 cavity depletion）
PTM－Pulse Transmission Modulation PRM－Pulse Reflection Modulation
振荡次数
调Q方式
特点
建立时间 脉宽
脉冲反射式调Q 能量储存在介质 脉冲透射式调Q 能量储存在腔内
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
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
• 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
u0 1
往返一周放大率 M m1m2
双凸腔
m1
l1
l1
L
m2
l2
l2
L
本征值
n
1
n1
M2
u1 x u2 x2
• 高损耗腔，相邻横模间衍射损耗差异大，模体积大
• 微调谐振腔
2. 纵模选择－提高时间相干性
－在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法
纵模选择原则
扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差
• 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？
• 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 反转粒子数积累
在适当时刻(?) ：
Q开关打开
低损耗, (高Q), nt 低 受激辐射放大形成巨脉冲
High loss Low loss
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
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
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
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
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 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
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
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