激光技术调Q与锁模
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激光的调Q与锁模
在激光测量领域，调Q技术可以用于测 量距离、速度、角度等参数，具有高精 度和高分辨率的特点。
03 锁模技术
锁模技术的原理
锁模技术是一种控制激光脉冲宽度和重复频率的方法，通过在激光振荡 过程中引入周期性的相位调制，使得激光脉冲在时间上被压缩和固定。
锁模技术利用了激光的相干性，通过在激光腔内引入一个或多个调制器， 对激光的相位进行调制，使得激光脉冲在时间上呈现出周期性的变化。
锁模技术
通过在激光器中引入光学反馈，使激光器的多个纵模同时振荡并保持相位锁定状 态。通过控制反馈强度和频率，可以调节脉冲宽度和重复频率，从而实现超短脉 冲激光输出。
技术特点的比较
调Q技术
调Q激光器结构简单，脉冲能量较高 ，但脉冲宽度较大，通常在毫秒量级 。调Q技术适用于需要高功率脉冲激 光的场合，如材料加工、医疗美容等 。
激光的调q与锁模
目录
• 激光基础知识 • 调Q技术 • 锁模技术 • 调Q与锁模技术的比较 • 调Q与锁模技术的发展趋势
01 激光基础知识
激光原理简介
激光原理
激光是受激发射放大原理产生的相干光。在激光器中，通过外部激励源激发原 子或分子从低能态跃迁到高能态，再通过受激辐射放大实现光的放大。
激光产生过程
随着超快激光技术的进步，锁模技术能够实现更短脉冲宽度和更高重复频率的激光输出， 为科学研究、工业应用等领域提供更多可能性。
锁模技术的集成化与小型化
为了满足不同应用场景的需求，锁模技术将进一步实现集成化和小型化，便于携带和使 用。
锁模技术在光通信、光谱分析等领域的应用拓展
锁模技术能够产生超短脉冲激光，具有极高的时间分辨率和光谱分辨率，因此在光通信、 光谱分析等领域具有广泛的应用前景。
03 锁模技术
锁模技术的原理
锁模技术是一种控制激光脉冲宽度和重复频率的方法，通过在激光振荡 过程中引入周期性的相位调制，使得激光脉冲在时间上被压缩和固定。
锁模技术利用了激光的相干性，通过在激光腔内引入一个或多个调制器， 对激光的相位进行调制，使得激光脉冲在时间上呈现出周期性的变化。
锁模技术
通过在激光器中引入光学反馈，使激光器的多个纵模同时振荡并保持相位锁定状 态。通过控制反馈强度和频率，可以调节脉冲宽度和重复频率，从而实现超短脉 冲激光输出。
技术特点的比较
调Q技术
调Q激光器结构简单，脉冲能量较高 ，但脉冲宽度较大，通常在毫秒量级 。调Q技术适用于需要高功率脉冲激 光的场合，如材料加工、医疗美容等 。
激光的调q与锁模
目录
• 激光基础知识 • 调Q技术 • 锁模技术 • 调Q与锁模技术的比较 • 调Q与锁模技术的发展趋势
01 激光基础知识
激光原理简介
激光原理
激光是受激发射放大原理产生的相干光。在激光器中，通过外部激励源激发原 子或分子从低能态跃迁到高能态，再通过受激辐射放大实现光的放大。
激光产生过程
随着超快激光技术的进步，锁模技术能够实现更短脉冲宽度和更高重复频率的激光输出， 为科学研究、工业应用等领域提供更多可能性。
锁模技术的集成化与小型化
为了满足不同应用场景的需求，锁模技术将进一步实现集成化和小型化，便于携带和使 用。
锁模技术在光通信、光谱分析等领域的应用拓展
锁模技术能够产生超短脉冲激光，具有极高的时间分辨率和光谱分辨率，因此在光通信、 光谱分析等领域具有广泛的应用前景。
新激光ppt课件第八章 调Q技术与锁模技术
nL tc
式中tc
nL
c
为光子在腔内的寿命
d (G c 1 )
dt
n tc
d (G c 1 )
dt
n tc
当增益=损耗时，即为阈值条件
令 t tc
Gt
n ct c
则 d d (tcG n c1) (G G t 1)
GN
d
d
dN
N (
Nt 2
1) N
d
Nt
2.速率方程的解
1.工作物质储能调Q(PRM) 也叫脉冲反射式调Q.它是将能量以激活离子的
形式储存在工作物质中,能量储存的时间取决于激 光上能级的寿命.
(1).工作过程
(2).Q脉冲形成的三个时刻 (3).特点
Hale Waihona Puke 2.谐振腔储能调Q(PTM) 也叫脉冲透射式调Q.它是将能量以光子的
形式储存在谐振腔中,当腔内光子数密度达到最大 值时瞬间将腔内能量全部输出，因而也叫腔倒空法。
和选择合适的谐振腔，以降低Nt.
六、调Q方法
1. 电光调Q
电光调Q装置如图， 激光腔中插入起偏振片 及作为Q开关的KD*P晶 体。
原理:
电光调Q装置示意图
电光调Q激光器如图。未加电场前晶 体的折射率主轴为x、y、z。沿晶体光轴 方向z施加一外电场E ,由于普克尔效应, 主轴变为 x 、y 、z 。令光束沿z轴方向传 播,经偏振器后变为平行于Z轴的线偏振光, 入射到晶体表面时分解为等幅的 x 和 y 方 向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折 射率 X 和 y 。经过晶体长度d距离后,二 偏振分量产生了相位差δ
由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加,从而 使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子。若 这时突然撤除超声场,则衍射效应即刻消失,谐振腔损 耗突然下降,激光巨脉冲遂即形成。
4.7激光锁模技术2015
在腔内插入一个受外界信号控制的调制器，周期性改变振荡模式的某 个参量而实现锁模的方法
2、振幅(损耗)内调制锁模：声光锁模
(1)概念
图(4-31) 锁模调制示意图
使用声光调制器调制谐振腔损耗，损耗的调制频率为vm=c/2L时,损耗调制周 期为Tm=2π/Ω =2L/c，可获重复频率也为vm的激光脉冲系列 设光信号在t1时刻通过调制器,并且δ(t1)=0,则在(t1+Tm)时刻此信号将再次无 损地通过调制器。对于t2时刻通过调制器的光信号而言,若δ(t2)≠0,则每次经过调 制器时都要损失一部分能量。这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那 部分光信号能形成振荡,而光信号的其余部分因损耗大而被抑制,因此形成周期为 2L/c的窄脉冲输出。
T
由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的变化规律，即可了解输出 激光的持性。找出它的周期、极值点、0点。
A(t)的变化规律：
1 sin[ (2 N 1)t ] 2 A(t ) E0 1 sin (t ) 2
1.当分子为0，分母不为0 ，则是 A(t)的0 点:
1 sin[ (2 N 1)t ] 0 2
图4-30 锁模光强脉冲 (2N+1=9)
3.脉冲的宽度 (τ) (光脉冲持续时间的一半)
按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度，在这里可以近似用极大值 和0点之间的时间来表示。
1 2L t=0 为极大值 , 第一个0点: 2N 1 c 1 2L T 1 t 1 所以 2N 1 c 2N 1 v t
1.输出脉冲的峰值(最大光强)
Amax (2 N 1) E0
I (t ) A(t ) 2 E02 (2 N 1) 2
注意：如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为各模功率之 和,即I∝(2N+1)E02。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1) 倍。腔长越长,荧光线宽越大,则腔内振荡的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率 就越大。
2、振幅(损耗)内调制锁模：声光锁模
(1)概念
图(4-31) 锁模调制示意图
使用声光调制器调制谐振腔损耗，损耗的调制频率为vm=c/2L时,损耗调制周 期为Tm=2π/Ω =2L/c，可获重复频率也为vm的激光脉冲系列 设光信号在t1时刻通过调制器,并且δ(t1)=0,则在(t1+Tm)时刻此信号将再次无 损地通过调制器。对于t2时刻通过调制器的光信号而言,若δ(t2)≠0,则每次经过调 制器时都要损失一部分能量。这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那 部分光信号能形成振荡,而光信号的其余部分因损耗大而被抑制,因此形成周期为 2L/c的窄脉冲输出。
T
由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的变化规律，即可了解输出 激光的持性。找出它的周期、极值点、0点。
A(t)的变化规律：
1 sin[ (2 N 1)t ] 2 A(t ) E0 1 sin (t ) 2
1.当分子为0，分母不为0 ，则是 A(t)的0 点:
1 sin[ (2 N 1)t ] 0 2
图4-30 锁模光强脉冲 (2N+1=9)
3.脉冲的宽度 (τ) (光脉冲持续时间的一半)
按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度，在这里可以近似用极大值 和0点之间的时间来表示。
1 2L t=0 为极大值 , 第一个0点: 2N 1 c 1 2L T 1 t 1 所以 2N 1 c 2N 1 v t
1.输出脉冲的峰值(最大光强)
Amax (2 N 1) E0
I (t ) A(t ) 2 E02 (2 N 1) 2
注意：如果各模式相位未被锁定,则各模式是不相干的,输出功率为各模功率之 和,即I∝(2N+1)E02。由此可见,锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了(2N+1) 倍。腔长越长,荧光线宽越大,则腔内振荡的纵模数目越多,锁模脉冲的峰值功率 就越大。
第六讲激光的调Q与锁模
该式说明了我们观察到的平均光强是各个 纵模光强之和。
11
如果我们能设法使这些各自独立振荡的 纵模在时间上同步，就需要把它们的相位相 互关联起来，使之有一确定的关系。一般说， 能使q+1 - q等于常数，我们就说该激光器各 模的相位q是按照q+1 - q=常数的关系被锁 定。
12
二、多模激光器模式锁定特性
8
激光的频 谱是由等间隔 (C/2L)的分离 谱线所组成， 每条谱线对应 一个纵模，各 纵模间彼此独 立，相位是在 -到之间随 机分布。在时 间域内，其强 度分布有噪声 特性。
振幅
0
v
振幅强度
t
9
当用接收器件来探测非锁模激光器输出 的光功率时，接收到的光强是所有满足阈值 条件的纵模光强的叠加。此时，某一瞬时的 输出光强为：
第六讲 激光的锁模 技术
1
6．1 锁模技术
前面讲过的调Q激光器可以获得巨脉冲， 但是最小脉冲宽度约秒量级。其原因是形成 激光脉冲需要一个建立时间。如果用腔倒空 技术，可以将脉宽压缩到1～２ns，并且由腔 长决定。 锁模技术可以实现更窄的脉宽和更高的 输出峰值功率。
2
锁模技术是从1964年发展起来的，由于 它能使激光脉冲的持续时间达到10-12秒，甚 至更窄（10-15秒）。所以也称为超短脉冲技 术。由于激光输出脉宽很窄，所以峰值功率 可以很高。这种窄脉冲高峰值功率的激光应 用甚广，在受控核聚变、等离子体物理学、 遥测技术、化学及物理动力学、生物学、高 速摄影、光通讯、光雷达、光谱学、全息学 及非线性光学等许多领域都有着重要的应用， 对于研究超高速现象及探索微观世界的规律 性具有极大的意义。
q 2 q 2 C C 2L L
n 0 n 第n个纵模频率为： 0为中心频率，为纵模间隔 设第n个纵模的振幅为An(t)， i ( ) t 0 n An (t ) A0e n 其中，A0为振幅， n为初相位。
第六讲激光的调Q与锁模
27
1968年开始横模锁定的研究，稍后又开 始了纵横模同时锁定的研究，70年代后又发 展了主动加被动双锁模（损耗调制加相位调 制）、主动加调Q及同步锁模等方法 。 纵模锁定的方法主要有，自锁、主动锁 模（内调制包括损耗调制和相位调制）及被 动锁模（可饱和吸收染料锁模），下面分别 加以讨论。
28
1、纵模锁定
1 t1 2 2 I ( t ) E ( t ) 0 E ( t ) dt t1 q 因为 1 t1 2 1 2 2 0 Eq cos (qt q ) dt Eq t1 q q2 1 t1 0 Eq E cos( t ) cos( t ) dt 0 q q q q q t1 q q 所以 N 1 2 I ( t )＝ Eq q 0 2
15
下面用数学形式来定量地分析激光输出与 相位锁定的关系。若多模激光器的所有振荡 模均有相等的振幅E0。超过阈值的纵模共有 2N+1个，各相邻模的相位差都是n ，并设处 在介质增益曲线中心的模(q=0)，其角频率为 0，其相位为0，即以中心模的相位为参考相 位。
16
振幅特性
对于一个腔长为L的平行平面腔，如果忽 略了腔的非线性色散效应，则两相邻纵模的 频率间隔相等，由（1）式
5
在多模振荡时，如果使振荡模的频率间隔 保持一定，并且使各模之间只有确定的相位 关系，这时激光输出是一系列周期脉冲，这 种激光器叫做“锁模”激光器，相应的技术 叫做“锁模技术”。
6
假设在激光工作物质的净增益线宽内包 含有N个纵模，那么，这时激光器输出的光波 电场是N个纵模电场的和： N （2） E ( t ) E cos( t )
第六讲 激光的锁模 技术
1
6．1 锁模技术
激光技术调Q与锁模
激光振荡的建立条件是增益G大于损耗
G = i + m+ d
○ 其中i为激光在腔内传输由于散射、吸收产
生的损耗, m为反射镜产生的损耗； d为谐 振腔中由衍射产生的损耗。
选择横模的两个原则
○ 必须尽量增大高阶模与基模的衍射损耗比 ○ 尽量减少腔内其他损耗i和镜面损耗m, 从而
输出光束发散角和光强分布为主要目的的横 模选择技术，以及以获得窄线宽为主要目的 纵模选择技术。
3
横模选择及其意义
激光器的横模决定了输出光束的光强分布和发散角 从工业的钻孔、焊接到光通信，从激光医疗到激光 测距，横模输出的选择都非常重要
TEM00 TEM10
TEM20
TEM11
4
横模选择技术
相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例
5
1）光阑法选横模
在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜尺寸，增 加了衍射损耗。适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
小孔光阑方法最简单易行，且有效。但同时须考虑模体 积问题。
腔镜1
小孔光栏
腔镜2
6
小孔光阑选横模腔型举例
7
2）介稳腔和非稳腔选模
增益
损耗
实际振荡的纵模
10
纵模选择技术
短腔法选纵模 F-P标准具法
色散腔法粗选波长
行波腔选纵模
11
短腔法选纵模
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
谐振腔模间隔=c/2L 如果设计腔长L使模间 隔 >= 增益曲线宽度, 即： >= g 则可以实现单纵模工作
华中科技大学激光工程第10讲-激光调制,调Q,激光技术-A-朱长虹-
射频信号 激光脉冲
脉冲峰值功率
脉冲平均功率/脉冲重复频率 脉冲宽度
对于声光调Q，开关的时间 s主要由声行波通过光束的渡越时间决定， 相邻两个Q脉冲的时间间隔大致要与激光工作物质的上能级寿命相等。 声光调Q通常用于连续激光器，输出K 激光调Q技术
✮
被动调Q
饱和吸收体的能级应当与激光能级匹配， 即饱和吸收波长与激光波长一致。
透反镜 激光介质
泵浦 饱和 吸收体
全反镜
将饱和吸收体放在谐振腔内，初始腔内光强很弱,同时吸收 损耗大，Q值低,谐振腔处于关闭状态，不能形成激光振荡； 在泵浦的作用下，随着激光介质反转粒子数的不断积累， 腔内自发辐射荧光也逐渐增强; 当荧光光强可与饱和吸收光强相比拟时，吸收系数变小， 透过率增大，饱和吸收体突然被漂白，这时腔内Q值猛增，产 生激光振荡，输出调Q激光脉冲。
检偏器
V
入射光电场矢量按主轴分解， 出射光波按 分量相位差合成，经过检偏器后光强发生改变。
13 of End
2 电光调制与声光调制
电光调制晶体的性质
非中心对称晶系 晶体折射率均匀 吸收和散射损耗小 物理化学性能稳定
激光损伤阈值高
常用的电光调制晶体有： KDP，DKDP，RTP,LN等。
14 of End
脉冲宽度与测量精度的关系
c L t 2
21 of End
3 激光调Q技术
激光尖峰脉冲系列
增加激光器的泵浦功率,只能增加尖峰频率,减小尖峰的间隔 既不能减少激光脉宽，也不能增加激光器的峰值功率
22 of End
3 激光调Q技术
弛豫振荡现象：普通脉冲固体激光器输出脉冲由许多振 幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成。脉宽约 0.1~1us ，间隔为数 us ，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵 浦持续时间相等。
脉冲峰值功率
脉冲平均功率/脉冲重复频率 脉冲宽度
对于声光调Q，开关的时间 s主要由声行波通过光束的渡越时间决定， 相邻两个Q脉冲的时间间隔大致要与激光工作物质的上能级寿命相等。 声光调Q通常用于连续激光器，输出K 激光调Q技术
✮
被动调Q
饱和吸收体的能级应当与激光能级匹配， 即饱和吸收波长与激光波长一致。
透反镜 激光介质
泵浦 饱和 吸收体
全反镜
将饱和吸收体放在谐振腔内，初始腔内光强很弱,同时吸收 损耗大，Q值低,谐振腔处于关闭状态，不能形成激光振荡； 在泵浦的作用下，随着激光介质反转粒子数的不断积累， 腔内自发辐射荧光也逐渐增强; 当荧光光强可与饱和吸收光强相比拟时，吸收系数变小， 透过率增大，饱和吸收体突然被漂白，这时腔内Q值猛增，产 生激光振荡，输出调Q激光脉冲。
检偏器
V
入射光电场矢量按主轴分解， 出射光波按 分量相位差合成，经过检偏器后光强发生改变。
13 of End
2 电光调制与声光调制
电光调制晶体的性质
非中心对称晶系 晶体折射率均匀 吸收和散射损耗小 物理化学性能稳定
激光损伤阈值高
常用的电光调制晶体有： KDP，DKDP，RTP,LN等。
14 of End
脉冲宽度与测量精度的关系
c L t 2
21 of End
3 激光调Q技术
激光尖峰脉冲系列
增加激光器的泵浦功率,只能增加尖峰频率,减小尖峰的间隔 既不能减少激光脉宽，也不能增加激光器的峰值功率
22 of End
3 激光调Q技术
弛豫振荡现象：普通脉冲固体激光器输出脉冲由许多振 幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成。脉宽约 0.1~1us ，间隔为数 us ，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵 浦持续时间相等。
调Q技术与锁模技术
E2 E1
泵浦使激光器达到阈值，产生激光→ 泵浦使激光器达到阈值，产生激光→反转粒子数减少至低于 阈值→ 阈值→激光熄灭 特点 (1)峰值功率不高，只在阈值附近 峰值功率不高， 峰值功率不高 (2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率 加大泵浦能量， 加大泵浦能量 只是增加尖峰的个数， 激光器的阈值始终保持不变 原因: 原因
p
（1）工作过程 ）
调Q激光脉冲的建立过程， 激光脉冲的建立过程， 激光脉冲的建立过程 各参量随时间的变化情况， 各参量随时间的变化情况， 如图所示。 如图所示。 表示泵浦速率W 图(a)表示泵浦速率 p随时间 表示泵浦速率 的变化； 表示腔的Q值是 的变化；图(b)表示腔的 值是 表示腔的 时间的阶跃函数(蓝虚线 蓝虚线)； 时间的阶跃函数 蓝虚线 ； 图(c)表示粒子反转数△n的变 表示粒子反转数△ 的变 表示粒子反转数 表示腔内光子数Φ随 化；图(d)表示腔内光子数 随 表示腔内光子数 时间的变化。 时间的变化。
W 2 π nL Q = 2 πν 0 = W δ c / nL δλ 0
Q值与谐振腔的损耗成反比 要改变激光器的阈值，可以通过 值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值 值与谐振腔的损耗成反比 要改变激光器的阈值， 突变谐振腔的Q值 或损耗 来实现。 或损耗δ)来实现 突变谐振腔的 值(或损耗 来实现
I
激光
荧光
(a)
t
(b)
脉冲激光器输出的尖锋结构
产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上 当激光器的工作物质被泵浦， 当激光器的工作物质被泵浦 能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡， 能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光 子数密度增加，而发射激光。随着激光的发射，上能级粒子数大 子数密度增加，而发射激光 量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振荡就停 止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，
调Q技术与锁模技术
2
n2
Wp
则上能级达到最大反转粒子数取决于
n2=Wpτ2
为了能使激光工作物质的上能级积累尽可能多的粒子，则要求Wpτ2 值应大一些，但τ2也不宜太大，否则会影响能量的释放速度。 (2)光泵的泵浦速度必须快于激光上能级的自发辐射速率，即 光泵的发光时间(波形的半宽度)必须小于激光介质的上能级寿命。 (3)谐振腔的Q值改变要快（最好是突变），一般应与谐振腔 建立激光振荡的时间相比拟。
四、调Q激光器的两种储能方式 工作物质储能 调Q激光器
谐振腔储能
1.工作物质储能调Q 脉冲反射式调Q，简称PRM法（Pulse Reflection Model)。 将能量以激活离子的形式储存在工作物质中。能量储存的时间， 取决激光上能级的寿命。 W (a)
p
（1）工作过程
调Q激光脉冲的建立过程， 各参量随时间的变化情况， 如图所示。 图(a)表示泵浦速率Wp随时间 的变化；图(b)表示腔的Q值是 时间的阶跃函数(蓝虚线)； 图(c)表示粒子反转数△n的变 化；图(d)表示腔内光子数Φ随 时间的变化。
短脉冲技术
调Q技术与锁模技术是应人们对高峰值功率、窄脉宽激光脉冲 的应用需求而发展起来的。
两种方式机理不同，压缩的程度也不同。 调Q技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级（峰值功率达106W以 上）。 锁模技术可将激光脉宽压缩至皮秒或飞秒量级（峰值功率可达 到1012W)
第七章
激光技术
调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它 是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值 功率可提高几个数量级的一种技术。现在，欲获得峰值功率在兆 瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难。
ΦD Φi
课件6_11 调Q与锁模
(瞬时)激光输出功率: h h n P [nt ln (n ni )] tc 2tc ni ni 1 P 峰值: 0 nt 1 0 n n ni n nt 时 P Pmax Pmax if ni n h [nt ln t (n t ni )] 2tc ni n t : Pmax ni h 2tc
通常i =0 (假设初始无光子) 1 n 所以, [nt ln (n ni )] 2 ni
即t
t c时 , 0
nf 1 即, 0 [nt ln (n f ni )] 2 ni nf ni exp( n f ni nt )
ni when, nt 能量利用率 = ni n f ni 1
初始时刻低Q（高损耗），泵浦抽运使增益增大
dN N =R p N (t) N (1 e t / ) , 其中N R dt
① 假设矩形泵浦脉冲，当tp>>时，反转粒子数不会无限增长 而是趋近于一个常数值N。 ② 为获得大的N一般要求比较大（比如Nd, Yb, Er, Ho 掺杂在 不同基质中，其上能级寿命通常在ms量级）。
(r 1) R( )
1
11.2 Q开关
调Q原理
初始时刻低Q（高损耗），泵 浦抽运使增益增大，反转粒子 数达到峰值后，Q值迅速升高 （低损耗），受激辐射造成反 转粒子数耗尽产生“巨脉冲”
腔内光子寿命（输出脉冲 的衰减时间）
n0l tc c( l ln R1 R2 ) 10 8 s
T T T
随机相位的作用
振幅为E0, 均匀频率间隔为的N=51个纵模频率(随机初位 相)构成的时间波前。其中 L N
锁模的基本原理： 多模激光器中，各振荡模具有相同的振幅E0，共2N+1个模式， c 中心频率为0，纵模间隔为 q = ，相邻模之间的相位差恒 2nL 定为，即 i[( q ) t q ]
激光原理与技术之激光锁模技术
激光原理与技术
激光锁模技术
1
§3.1概论
调Q技术的局限性
采用PTM方式，Δt=2L/c，L为光学腔长。
c 3 108 L(ns) t 109 0.15m 2 2 c 3 108 L( ps) t 1012 0.15mm 2 2 c 3 108 L( fs ) t 1015 0.15 m 2 2
只与激光介质本身的性质有关，增益线宽越宽，脉冲宽度越窄， g 1是傅里叶变换的极限，也符合测不准关系。 1 1 PTM (2 N 1) q 2 N 1
4 峰值功率Pm
2 Pm Amax (t ) (2 N 1) 2 E 02 (2 N 1) P
2 周期性 T 等于腔内只有一个脉冲， 1 2L 2 q c 往返一次输出一个脉冲。 2N 1 2 1 1 (q )] 0 2 (2 N 1)q (2 N 1) q g
3 脉冲宽度：Amax A( ) 0 sin[
A(t ) E0
sin[
2N 1 (q t )] 2 为调制包络，0是载波 1 sin[ (q t )] 2
§3.1概论
锁模原理（二）
锁模激光器的特性
1 峰值（最大值） Amax lim A(t ) lim A(t ) (2 N 1) E0
t 0 t 2
§3.2声光驻波场振幅调制主动锁模
频域分析
5 相干叠加 1个锁模脉冲由所有同相位、相干叠加的纵模一起贡献
§3.2声光驻波场振幅调制主动锁模
设AO的驱动频率为f s，声波驻波场 Ts "出现-消失"的频率为2 f s，周期为 2 1 要求：f s f m q 2 T 1 1 c f s f m q 2 2 4L
激光锁模技术
1
§3.1概论
调Q技术的局限性
采用PTM方式，Δt=2L/c，L为光学腔长。
c 3 108 L(ns) t 109 0.15m 2 2 c 3 108 L( ps) t 1012 0.15mm 2 2 c 3 108 L( fs ) t 1015 0.15 m 2 2
只与激光介质本身的性质有关，增益线宽越宽，脉冲宽度越窄， g 1是傅里叶变换的极限，也符合测不准关系。 1 1 PTM (2 N 1) q 2 N 1
4 峰值功率Pm
2 Pm Amax (t ) (2 N 1) 2 E 02 (2 N 1) P
2 周期性 T 等于腔内只有一个脉冲， 1 2L 2 q c 往返一次输出一个脉冲。 2N 1 2 1 1 (q )] 0 2 (2 N 1)q (2 N 1) q g
3 脉冲宽度：Amax A( ) 0 sin[
A(t ) E0
sin[
2N 1 (q t )] 2 为调制包络，0是载波 1 sin[ (q t )] 2
§3.1概论
锁模原理（二）
锁模激光器的特性
1 峰值（最大值） Amax lim A(t ) lim A(t ) (2 N 1) E0
t 0 t 2
§3.2声光驻波场振幅调制主动锁模
频域分析
5 相干叠加 1个锁模脉冲由所有同相位、相干叠加的纵模一起贡献
§3.2声光驻波场振幅调制主动锁模
设AO的驱动频率为f s，声波驻波场 Ts "出现-消失"的频率为2 f s，周期为 2 1 要求：f s f m q 2 T 1 1 c f s f m q 2 2 4L
调q激光原理
调q激光原理激光是一种特殊的光，它具有高亮度、单色性和相干性等特点。
激光的应用领域非常广泛，包括医疗、通信、制造业等。
而调Q激光作为激光技术中的一种重要形式，具有独特的原理和应用。
本文将对调Q激光的原理进行详细介绍，希望能够为读者提供一定的参考价值。
调Q激光是一种通过调制锁模技术得到的脉冲激光。
它的原理是利用调制器对激光腔内的损耗进行调制，从而控制激光的增益和损耗，使得激光在腔内发生脉冲输出。
调Q激光的工作原理可以简单地分为两个过程，锁模和调制。
在锁模过程中，激光腔内的损耗被调制器调制，使得激光的增益和损耗达到平衡，从而实现锁模。
在调制过程中，调制器对激光腔内的损耗进行调制，使得激光在腔内发生脉冲输出。
通过这两个过程，调Q激光得以实现。
调Q激光的原理主要包括锁模原理和调制原理。
锁模原理是指通过调制器对激光腔内的损耗进行调制，使得激光的增益和损耗达到平衡，从而实现锁模。
而调制原理是指调制器对激光腔内的损耗进行调制，使得激光在腔内发生脉冲输出。
这两个原理共同作用，使得调Q激光得以实现。
调Q激光具有许多优点，主要包括高峰值功率、窄脉冲宽度、高重复频率等。
这些优点使得调Q激光在许多领域具有广泛的应用前景。
例如，在医疗领域，调Q激光可以用于激光手术、激光治疗等；在通信领域，调Q激光可以用于光通信、光纤通信等；在制造业领域，调Q激光可以用于激光打标、激光切割等。
因此，调Q激光具有广阔的市场前景。
总之，调Q激光作为一种重要的激光形式，具有独特的原理和应用。
通过对调Q激光的原理进行详细介绍，希望能够为读者提供一定的参考价值。
调Q激光在医疗、通信、制造业等领域具有广泛的应用前景，相信随着技术的不断进步，调Q激光将会有更加广阔的发展空间。
调Q技术与锁模技术
結束 放映
結束 放映
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
突然將器件的閾值調低，那麼累積在上能階的大 量粒子，便雪崩式地躍遷到雷射下能階，在極短 的時間內將儲存的能量釋放出來，而獲得峰值功 率極高的雷射脈衝輸出。 由雷射原理可知，雷射器振盪的閾值條件，可表 g 1 示為 nth (6.2) A21 c g為模式數，A21為自發輻射機率， c 為光子在腔內 的壽命。 因為 c＝Q/2 ν ， g 2ν nth A21 Q (6.3)
閾值反轉粒子數密度與共振腔的品質因數Q成反 比。調節器件的振盪閾值，就是調節共振腔的品 質因數Q，調節共振腔的損耗。因而，將這種獲 得巨脈衝的技術叫做調Q技術或Q開關技術。
結束 放映
共振腔一般有5種損耗，即反射損耗（記為 1）、 吸收損耗（記為 2）、衍射損耗（記為 3）、散 射損耗（記為 4）和輸出損耗（記為 5）。共振 ＋ 4 腔的總損耗為各項損耗之和(δ＝ ＋ ＋ 2 3 1 ＋5 )。
結束 放映
二、共振腔的品質因數Q 在電子技術中，用Q值來描述一個共振回路品質的高 低。在雷射技術中，用Q值來描述一個共振腔的品質， 稱其為共振腔的品質因數。 共振腔的品質因數Q定義為
腔內儲存的雷射能量 Q 2 v0 每秒損耗的雷射能量
結束 放映
如果腔內儲能用E表示，光在腔內傳播一個單程 的能量損耗率用δ表示，則光在腔內走一個單程 的能量損耗為 E 。設共振腔腔長為L，腔內介 質折射率為n，則光在腔內傳播一個單程所需時 間t 為nL/c，光在腔內每秒損耗的能量為 E /t＝ E c/nL。共振腔的品質因數Q可表示為
結束 放映
結束 放映
結束 放映
在圖6.4所示過程中，有三個特殊的時刻值得注意： Q值階躍上升的時刻(t＝t0)：在這一時刻，雷射振盪 開始建立，此時反轉粒子數密度Δn＝Δni。
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当激光工作物质中有多个能级间可以发生激光跃 迁，从而可以产生多波长激光辐射的情况下
或者工作物质有相当宽的增益线宽
如果在应用中，需要选出对应某一波长附近的一 组纵模时
利用色散腔选择纵模是最为实用且有效 的方法
16
色散腔粗选波长
棱镜色散腔
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
激光单元技术
对激光束实行人为控制的技术称之为激光单元技术
激光选模技术
激光Q开光技术
激光锁模技术
2
1、激光选模技术
激光模式选择及其意义：
激光的优点在于功率高、方向性好、单色性 和相干性好，一个理想的激光器输出光应按 需要控制输出模式，很多情况下我们希望只
输出单一的横模和纵模。因此产生了以控制
t
I
t
28
通过锁模得到超短脉冲
29
30
被动锁模原理
在谐振腔内放入吸收介质，由于饱和吸收效应，介质 只吸收强度低的光，而强度高的光透过吸收介质形成 振荡逐步被放大
工作物质
染料
t
t
t
t
t
t
31
主动锁模原理
在激光谐振腔内加入一 个调制器
域值
对谐振腔内部损耗进行 调制 令调制频率等于C/2L
紫外滤光片
反射镜
光输出波长吻合
YAG
染料
染料应有适当的饱
和光强值
染料配成溶液后应
有较长 的保存期
染料盒
反射镜
影响染料调Q输出 特性的因素
染料浓度的影响
输入能量的影响 染料盒的影响
YAG
染料
谐振腔输出镜反射
率的影响
24
Output intensity
Cavity Loss
0% Time
The pulse length is limited by how fast we can switch and the round-trip time of the laser and yields pulses 10 - 100 ns long.
25
Cavity Gain
100%
3、激光锁模技术
弛豫振荡现象: 是由于腔内泵浦造成的粒子反转数的增加和激光振
荡造成的粒子反转数减少，交替占有优势造成的。
如果在泵浦开始时阻止激光振荡，在上能级积累了大量粒子时，
突然建立激光振荡，在一个很短的时间内将泵浦到上能级的粒子 充分利用，就可能获得一个峰值功率非常高的巨脉冲输出
I
激光 荧光 t
20
激光器Q值的定义
激光介质
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
腔镜1
双标准具组
腔镜2
两标准具的厚度 不同 纵模间隔不同 振荡模式必须同 时符合三个谐振 腔的参数要求从 而达到选模目的
15
色散腔粗选波长
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
在光腔内插入一个色散分光元件，使不同波长 的光在空间上分离，只让其中一种波长的光满 足振荡条件，这样的光腔称为色散腔。在下列 情况用色散腔
介稳腔和非稳腔由于模式衍射损耗增加，高阶模起振比 较困难，所以只要适当控制腔参数就可以实现基模输出。 非稳腔还有模体积大，可以充分利用增益介质实现大功 率输出的优点。
g2
非稳区
1 -1
0
非稳区
L g 1 R
L为腔长 R为球面镜 曲率半径
1 -1
g1
非稳区
非稳区
8
3）特殊腔镜选模
高斯镜选模
22
声光调Q
优点：重复频率高，性能稳定可靠。
声光调Q器件
利用声光介质中超声场产生衍射使损耗增加,不能形成激光振 荡。当粒子反转数积累达到饱和时，突然撤掉超声场，激光振 荡迅速建立，获得巨脉冲输出 声光调制器通常包括：
换能器 声光介质
23
染料调Q激光器及其特性
染料要求
染料吸收峰应与激
相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例
5
1）光阑法选横模
在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜尺寸，增 加了衍射损耗。适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
小孔光阑方法最简单易行，且有效。但同时须考虑模体 积问题。
腔镜1
小孔光栏
腔镜2
6
小孔光阑选横模腔型举例
7
2）介稳腔和非稳腔选模
增益
损耗
实际振荡的纵模
10
纵模选择技术
短腔法选纵模 F-P标准具法
色散腔法粗选波长
行波腔选纵模
11
短腔法选纵模
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
谐振腔模间隔=c/2L 如果设计腔长L使模间 隔 >= 增益曲线宽度, 即： >= g 则可以实现单纵模工作
2L
凹面反射镜 染料
泵浦激光
输出镜
FP标准具
准直镜
泵浦光源为锁模激光器 调整激光器腔长令2L/C等于泵浦激光的脉冲周期
34
35
损耗
例如：
He-Ne :10cm CO2: 23cm
12
F-P标准具选模
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
13
F-P标准具选单纵模
激光介质
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
腔镜1
标准具
腔镜2
14
生物等很多领域中都有广泛应用
根据实现锁模的方式的不同，可分为：
被动锁模
主动锁模
同步锁模
26
激光器的输出特性
一般情况下多模激光器形成振荡的各模式之 间相位是无关的，频率间隔为C/2nL
激光输出是无规的光脉冲
光强
光强
t
27
多模激光器模式锁定特性
如图设3个波1, 2, 3, 2=213=3 1，且三个波振幅相等。 设t=0时三个波相位相同，得到的将是一列周期脉冲 E
调Q技术的关键是把激光能量压缩在宽度极窄 的脉冲中发射，它可以使激光光源的单色亮度
提高几个数量级
调Q技术实现了高峰值功率窄脉宽的激光巨脉
冲输出（脉冲能达到纳秒量级）
它使激光强光光学现象研究得以发展，同时推 动了激光测距、激光雷达、激光加工等应用的 发展
19
一般固体脉冲激光器的输出特性
在毫秒量级泵光激励下产生弛豫振荡
Q=20
腔内储存的激光能量 每秒损耗的激光能量
腔内损耗一般包括5种
= 1+ 2+ 3+ 4+ 5
其中1为反射镜损耗， 2为吸收损耗； 3为衍射损耗； 4 为散射损耗； 5为输出损耗 用不同技术控制不同损耗就形成了不同的调Q技术。主要 讨论应用广泛的电光调Q、声光调Q和可饱和染料吸收调Q。
激光振荡的建立条件是增益G大于损耗
G = i + m+ d
○ 其中i为激光在腔内传输由于散射、吸收产
生的损耗, m为反射镜产生的损耗； d为谐 振腔中由衍射产生的损耗。
选择横模的两个原则
○ 必须尽量增大高阶模与基模的衍射损耗比 ○ 尽量减少腔内其他损耗i和镜面损耗m, 从而
21
电光晶体调Q
优点：同步精度高，系统稳定可靠，输出脉冲窄。
起偏器 电光晶体 检偏器
工作原理是，在开始泵浦时，电光晶体加/2电压，检偏器和 起偏器同向放置，沿轴向传播的光不能通过，所以腔内损耗很 大。在泵浦一段时间后，突然撤掉电光晶体的半波电压，腔内 损耗突然下降，达到调Q目的，激光振荡迅速建立并加强，获 得调Q巨脉冲输出。
○ 腔镜反射率呈高斯分布，使腔镜选择性对基模提供
反馈，而对高阶模损耗很大，由此实现基模振荡。 此技术可以有效选择模式输出，并实现大模体积运 转，提高激光器的单模输出功率。
R
D
9
纵模选择及其意义
在激光器纵模频率间隔小于增益曲线宽度的情况下，如果不加任 何控制，激光器一般将产生多纵模输出 激光的很多应用中需要单色性很好的窄线宽光源（如精密干涉计 算、全息照相、光外差通信、高分辨率激光光谱学等），纵模选 择在这时就是必不可少的技术
输出光束发散角和光强分布为主要目的的横 模选择技术，以及以获得窄线宽为主要目的 纵模选择技术。
3
横模选择及其意义
激光器的横模决定了输出光束的光强分布和发散角 从工业的钻孔、焊接到光通信，从激光医疗到激光 测距，横模输出的选择都非常重要
TEM00 TEM10
TEM20
TEM11
4
横模选择技术
光栅色散腔
17
行波腔选纵法
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
用多于两个的反射镜构成环形光腔，其中一个臂置 工作介质，一个臂置一单向隔离器，只允许一个方 向传播的光通过，这样激光只能以行波方式沿顺时 针或逆时针方向传播，从而获得单模输出。
18
2、激光Q开关技术
ν0-Δν ν0 ν0+Δν
ν
32
主动锁模激光器举例