第7章激光原理复习总结
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
20/23
7.5
锁模概念
锁模
使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定，则激光器 将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。
实现锁模的锁模的主要方法 主动锁模 ( Actively mode locked ) 被动锁模 ( Passive mode locking ) 自锁模 ( self mode locking )
N( a
L
)
2/23
横模选择方法： 谐振腔参数g、N选择（谐振腔设计） 小孔光阑 非稳腔
微调谐振腔
3/23
小孔光阑选横模
小孔
小孔光阑选模
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
4/23
非稳腔选横模 非稳腔属于高损耗腔，相邻横模间衍射损耗差异大，适 用于高增益激光器选横模
• 微调谐振腔
平面腔： 腔镜倾斜使基模衍射损耗显著增加，利于高阶模的输出 稳定腔：基模体积最小，受腔倾斜的影响小，高阶模的损耗显著 增加，利于基模输出
5/23
2. 纵模选择－提高时间相干性 纵模选择原则
扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差
即振荡线宽内单纵模起振
选纵模方法
短腔法－缩短腔长，增大纵模间隔 c q osc 2 L 适用于： 荧光线宽窄的激光器
锁模后脉冲特点 脉宽比锁模前窄2N＋1倍。脉冲峰值功率为原来的2N＋1倍 脉宽不可能无限窄？ 2N＋1为激光器起振的模式数，越多越好，但受荧光线 21/23 宽限制，N有限值。
试卷说明 一、填空10题x3（30分） 二、简答4题（共45分） 三、计算2题（共25分）
22/23
23/23
9/23
三、稳频方法
兰姆凹陷稳频 塞曼稳频
饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频 ）
无源腔稳频
10/23
§7.3 Q 调制
1. 调Q目的意义
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
2. 调Q基本思路
(1)抑制弛豫振荡,使激光在n达到最大时在极短时间内发生
(2) 通过某种方法使腔内损耗δ按规定的程序变化 3．调节Q值的途径 一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。 4.调Q技术
没有电的干扰，产生调Q脉冲的时刻有一定的随机性，不能人为
地控制。染料易变质，需经常更换，输出不稳定。
16/23
四、转镜调Q
利用改变反射镜的平行度反射损耗来控制Q值的方法。如图所示 的是转镜调 Q激光器的示意图。它是把脉冲激光器谐振腔的全反 射镜用一直角棱镜取代，该棱镜安装在一个高速旋转马达的转 子上，由于它绕垂直于腔的轴线作周而复始的旋转，因此构成 一个Q值作周期变化的谐振腔。
尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗差
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.
1/23
影响衍射损耗的因素 a.与腔型和g参数有关，不同的腔型和g，衍射损耗不同。 b.同一种腔型，不同横模，衍射损耗不同。 模 最小，随着模序数增加， 越来越大。 1 TEM 00 00 c.同一种腔型，菲涅尔数 不同，衍射损耗不同。 2
q q
c 2L
频率的稳定性主要取决于，L的稳定
8/23
二、稳频的一般原理：
1.稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术。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标准 频率时，鉴频器给出误差讯号,通过负反馈电路去控制腔 长，使激光频率自动回到标准频率上。 2.鉴频器：是稳频的关键部件。 ①任务：a.提供标准频率。b.频率鉴别：当激光器振 荡频率偏离标准频率时，能够鉴别出来。 ②对鉴频器的要求：a.中心频率要稳定，标Baidu Nhomakorabea频率不 能有漂移。b.灵敏度要高，微小变化能鉴别。 ③ 鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器、以 外界标准频率做鉴频器
镜架 棱镜
激光介质
半反
激光
磁头
磁钢
光泵 电源
电动机
转镜调Q 属于慢开关类型 目前已基本上不采用。 触发电路
17/23
四、脉冲透射式调Q （腔倒空 cavity depletion）
谐振腔由全反射镜M1和可控反射镜M2组成。t<0时,M2镜全反
射,谐振腔处于高Q值状态,激光器振荡但无输出。激光能量储存 于谐振腔中。t=0时,控制M2镜使其透射率达100%,储存于腔内 的激光能量迅速逸出腔外,于是输出一巨脉冲。这种调Q方式称 作脉冲透射式调Q或腔倒空.由于这种调Q方式是在全透射情况 下输出光脉冲,光子逸出谐振腔所需最长时间为2L'/c(L'为谐振腔 光程长),所以输出光脉冲持续时间约等于2L'/c,脉宽仅为数纳秒.
第七章 激光器特性的控制与改善
§7.1 模式选择
1. 横模选择
I I 0 r1r2 (1 δ )2 exp(2gL); I I 0 单模运转条件： g 0 l 0 g10 00 e r1r2 (1 00 ) 1, e l r1r2 (1 10 ) 1
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：
18/23
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 脉冲透射式调Q
工作物质储能 输出激光脉冲
能量储存在介质 能量储存在腔内
谐振腔储能 输出激光脉冲
2nL’/c 2L’/c
6.调Q过程：
能量贮存过程
激光产生与输出过程
12/23
7.调Q方法
1. 电光调Q 2. 声光调Q 3. 饱和吸收调Q 4. 转镜调Q
13/23
一、电光调Q基本工作原理
透反镜
／4电压
YAG
偏振器
全反镜
氙灯
电光晶体
带偏振器的电光调Q装置
电光晶体调Q 属于快开关类型，是目前应用最广泛的一种Q开 关。其主要缺点是半波电压较高，需要几千伏的高压脉冲，对 其他电子线路易造成干扰。
14/23
二、 声光调Q原理
输出镜
激光介质
声光器件全反镜
声光调Q 属于 快开关类型，只能用于低增益的连续激光器上。
15/23
三、饱和吸收染料的调Q原理
激光 输出镜
激光介质 染料盒全反镜
氙灯
染料透过率与光功率密度的关系
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 收系数饱和燃料被漂白 Q值突增，形成激光脉冲泵浦结束 饱和吸调Q ，是一种被动式的快开关类型，结构简单，使用方便，
几十ns 几ns
脉冲反射式调Q
脉冲透射式调Q
工作物质储能 谐振腔储能 输出激光脉冲
脉冲反射－透射式调Q
19/23
§7.4 注入锁定
注入锁定： 弱信号注入一自由运转的振荡器中产生锁定振荡器振 荡特性的现象。 注入锁定意义 用一束弱的、性能优良的激光束控制一个强激光器输 出光束的光谱、模式相位及空间特性。
选择性损耗法（腔内插入 F-P标准具）
6/23
行波环形腔
激光工作物质
外腔半导体激光器
LD
M2
M3
M1
隔离器
抑制空间烧孔效应
适当选择M1M2的反射率，改 变M3的位置可选出单模腔长
组合腔
频率满足干涉仪反射频率 的模式损耗最小而起振
7/23
§7.2 频率稳定
一、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。
就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。 或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。 11/23
5. 操作程序 ：
泵浦激励期间 (激光产生之前)： Q开关关闭 高损耗, (低Q), nt 高 低损耗, (高Q), nt 低 反转粒子数积累 在适当时刻 ：增益达到极大值： Q开关打开 受激辐射放大形成巨脉冲
7.5
锁模概念
锁模
使各纵模在时间上同步，频率间隔也保持一定，则激光器 将输出脉宽极窄、峰值功率很高的超短脉冲。
实现锁模的锁模的主要方法 主动锁模 ( Actively mode locked ) 被动锁模 ( Passive mode locking ) 自锁模 ( self mode locking )
N( a
L
)
2/23
横模选择方法： 谐振腔参数g、N选择（谐振腔设计） 小孔光阑 非稳腔
微调谐振腔
3/23
小孔光阑选横模
小孔
小孔光阑选模
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
4/23
非稳腔选横模 非稳腔属于高损耗腔，相邻横模间衍射损耗差异大，适 用于高增益激光器选横模
• 微调谐振腔
平面腔： 腔镜倾斜使基模衍射损耗显著增加，利于高阶模的输出 稳定腔：基模体积最小，受腔倾斜的影响小，高阶模的损耗显著 增加，利于基模输出
5/23
2. 纵模选择－提高时间相干性 纵模选择原则
扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差
即振荡线宽内单纵模起振
选纵模方法
短腔法－缩短腔长，增大纵模间隔 c q osc 2 L 适用于： 荧光线宽窄的激光器
锁模后脉冲特点 脉宽比锁模前窄2N＋1倍。脉冲峰值功率为原来的2N＋1倍 脉宽不可能无限窄？ 2N＋1为激光器起振的模式数，越多越好，但受荧光线 21/23 宽限制，N有限值。
试卷说明 一、填空10题x3（30分） 二、简答4题（共45分） 三、计算2题（共25分）
22/23
23/23
9/23
三、稳频方法
兰姆凹陷稳频 塞曼稳频
饱和吸收稳频（反兰姆凹陷稳频 ）
无源腔稳频
10/23
§7.3 Q 调制
1. 调Q目的意义
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
2. 调Q基本思路
(1)抑制弛豫振荡,使激光在n达到最大时在极短时间内发生
(2) 通过某种方法使腔内损耗δ按规定的程序变化 3．调节Q值的途径 一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。 4.调Q技术
没有电的干扰，产生调Q脉冲的时刻有一定的随机性，不能人为
地控制。染料易变质，需经常更换，输出不稳定。
16/23
四、转镜调Q
利用改变反射镜的平行度反射损耗来控制Q值的方法。如图所示 的是转镜调 Q激光器的示意图。它是把脉冲激光器谐振腔的全反 射镜用一直角棱镜取代，该棱镜安装在一个高速旋转马达的转 子上，由于它绕垂直于腔的轴线作周而复始的旋转，因此构成 一个Q值作周期变化的谐振腔。
尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗差
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.
1/23
影响衍射损耗的因素 a.与腔型和g参数有关，不同的腔型和g，衍射损耗不同。 b.同一种腔型，不同横模，衍射损耗不同。 模 最小，随着模序数增加， 越来越大。 1 TEM 00 00 c.同一种腔型，菲涅尔数 不同，衍射损耗不同。 2
q q
c 2L
频率的稳定性主要取决于，L的稳定
8/23
二、稳频的一般原理：
1.稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术。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标准 频率时，鉴频器给出误差讯号,通过负反馈电路去控制腔 长，使激光频率自动回到标准频率上。 2.鉴频器：是稳频的关键部件。 ①任务：a.提供标准频率。b.频率鉴别：当激光器振 荡频率偏离标准频率时，能够鉴别出来。 ②对鉴频器的要求：a.中心频率要稳定，标Baidu Nhomakorabea频率不 能有漂移。b.灵敏度要高，微小变化能鉴别。 ③ 鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器、以 外界标准频率做鉴频器
镜架 棱镜
激光介质
半反
激光
磁头
磁钢
光泵 电源
电动机
转镜调Q 属于慢开关类型 目前已基本上不采用。 触发电路
17/23
四、脉冲透射式调Q （腔倒空 cavity depletion）
谐振腔由全反射镜M1和可控反射镜M2组成。t<0时,M2镜全反
射,谐振腔处于高Q值状态,激光器振荡但无输出。激光能量储存 于谐振腔中。t=0时,控制M2镜使其透射率达100%,储存于腔内 的激光能量迅速逸出腔外,于是输出一巨脉冲。这种调Q方式称 作脉冲透射式调Q或腔倒空.由于这种调Q方式是在全透射情况 下输出光脉冲,光子逸出谐振腔所需最长时间为2L'/c(L'为谐振腔 光程长),所以输出光脉冲持续时间约等于2L'/c,脉宽仅为数纳秒.
第七章 激光器特性的控制与改善
§7.1 模式选择
1. 横模选择
I I 0 r1r2 (1 δ )2 exp(2gL); I I 0 单模运转条件： g 0 l 0 g10 00 e r1r2 (1 00 ) 1, e l r1r2 (1 10 ) 1
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：
18/23
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 脉冲透射式调Q
工作物质储能 输出激光脉冲
能量储存在介质 能量储存在腔内
谐振腔储能 输出激光脉冲
2nL’/c 2L’/c
6.调Q过程：
能量贮存过程
激光产生与输出过程
12/23
7.调Q方法
1. 电光调Q 2. 声光调Q 3. 饱和吸收调Q 4. 转镜调Q
13/23
一、电光调Q基本工作原理
透反镜
／4电压
YAG
偏振器
全反镜
氙灯
电光晶体
带偏振器的电光调Q装置
电光晶体调Q 属于快开关类型，是目前应用最广泛的一种Q开 关。其主要缺点是半波电压较高，需要几千伏的高压脉冲，对 其他电子线路易造成干扰。
14/23
二、 声光调Q原理
输出镜
激光介质
声光器件全反镜
声光调Q 属于 快开关类型，只能用于低增益的连续激光器上。
15/23
三、饱和吸收染料的调Q原理
激光 输出镜
激光介质 染料盒全反镜
氙灯
染料透过率与光功率密度的关系
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 收系数饱和燃料被漂白 Q值突增，形成激光脉冲泵浦结束 饱和吸调Q ，是一种被动式的快开关类型，结构简单，使用方便，
几十ns 几ns
脉冲反射式调Q
脉冲透射式调Q
工作物质储能 谐振腔储能 输出激光脉冲
脉冲反射－透射式调Q
19/23
§7.4 注入锁定
注入锁定： 弱信号注入一自由运转的振荡器中产生锁定振荡器振 荡特性的现象。 注入锁定意义 用一束弱的、性能优良的激光束控制一个强激光器输 出光束的光谱、模式相位及空间特性。
选择性损耗法（腔内插入 F-P标准具）
6/23
行波环形腔
激光工作物质
外腔半导体激光器
LD
M2
M3
M1
隔离器
抑制空间烧孔效应
适当选择M1M2的反射率，改 变M3的位置可选出单模腔长
组合腔
频率满足干涉仪反射频率 的模式损耗最小而起振
7/23
§7.2 频率稳定
一、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。
就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。 或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。 11/23
5. 操作程序 ：
泵浦激励期间 (激光产生之前)： Q开关关闭 高损耗, (低Q), nt 高 低损耗, (高Q), nt 低 反转粒子数积累 在适当时刻 ：增益达到极大值： Q开关打开 受激辐射放大形成巨脉冲