第六章激光器的模式选择和调制技术

H

exp

j
2
l
1


2


2

全反镜一端复振幅可写为
b(x',
y')


A(u,
) exp j2
( xu

y
)exp

j
2
l
1 2 2 dud
如果我们制作一个反射镜，反射系数R可以表示为
bx', y' R2 (x', y') bx', y'
3、纵模选择技术
• 色散腔法粗选波长 • 短腔法选纵模 • F-P标准具法 • 复合腔法选纵模 • 行波腔选纵模 • 其他纵模选择方式
色散腔粗选波长
• 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
增益
实际振荡 的纵模
损耗

半导体激光器的纵模
2、横模选择技术
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 1. 必须尽量增大高阶模与基模的衍射损耗比 2. 必须尽量减少腔内其他损耗i和镜面损耗m ，从而
行波腔选纵模法
• 在均匀加宽工 作物质中，以 行波方式产生 激光振荡，消 除空间烧孔效 应就可以实现 单纵模输出
4、激光模式测量技术
横模测量技术 1、直接观测法
激光器
. 扩束透镜
2、小孔扫描法 3、CCD成像
激光器
CCD
衰减片
脉冲、连续激光横模-光斑品质分析系统
纵模测量技术
匹配透镜
• 扫描干涉仪
Δψ=2π/λ(nx＇ny＇)L=2π/λn03γ63Ez＇L =2π/λn03γ63V
，当晶体上所加电压在0-Vλ／2之间连 续变化时，其Δψ也就随着从0-π，则 其合成振动的轨迹不断经历着从直 线－椭圆－圆－椭圆－直线周而复 始的连续变化。这种变化的偏振光 通过检偏器A，即可得光强度的周期 变化（强度调制）。光强与相位差 的关系如图曲线所示。
共轭反射镜的测试光路
5）横模的叠加与转换
•以TEM01模为例讨论模 式的叠加与转换
•右图上部为doughnut mode 的波前
•下面为模式的光强分 布花样
•它是由两个不同偏振 和光强分布的TEM01模 叠加组成的
both the Hermite Gaussian and the Laguerre Gaussian
• 外调制是指加载信号在激光输出后进行，通常是 在激光谐振腔外，光路上放置调制器。
• 激光调制有调幅、调频、调相和脉冲调制等方式
6、激光调制技术
1. 调制的基本概念 2. 内调制 3. 外调制 4. 电光调制 5. 声光调制 6. 磁光调制 7. 干涉调制 8. 其他调制技术
1、调制的基本概念
• 振幅调制 • 频率调制和相位调制 • 强度调制 • 脉冲调制 • 脉冲编码调制
g1
非稳区
损当 耗谐 差振 迅腔 速参 增数 加趋
近 介 稳 腔 时
4、特殊腔镜选模
1）高斯镜选模
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
2）相位供轭反射镜谐振腔选横模
圆形镜对称稳定腔两个低阶模的 衍射损耗比
圆形镜平凹稳定腔两个低阶模 的衍射损耗比
2、光阑法选横模
腔镜1
小孔光栏
腔镜2
• 在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜尺寸， 即减小了谐振腔的菲涅耳数N。菲涅耳数越小，衍射 损耗就越大。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。
r为小孔光栏半径，a为反射镜半径
小孔光栏选横模腔型举例
3、介稳腔和非稳腔选模
• 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
非稳区
-1
非稳区
1
01 -1

腔镜1
激光介质
标准具
腔镜2
腔镜1
激光介质
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
复合腔法选纵模
1. 迈克尔逊式 复合腔
=C/2n(l1-l2)
l2 l1
2、Fox-Smith式 复合腔
=C/2n(l1+l2)
l2 l1
I/Ii=sin2(1/2·2π/λ·n03γ63V)=sin2 (π/2·V/Vπ)
透射率（I/Ii）随外加 电压变化的光强调制 特性曲线
加λ/4波片的泡克耳斯盒示意图
泡克耳斯效应的时间响 应特别快，能跟得上 1010Hz的电压变化，而 且φ与U成线性关系，所 以多用泡克耳斯盒来作 电光调制器。
第六章、激光器的模式选择和调制技术
1. 激光模式选择极其意义 2. 横模选择技术 3. 纵模选择技术 4. 激光模式测量技术 5. 激光调制的基本概念 6. 激光调制技术
1、激光模式选择极其意义
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。
附近的一个或一组纵模时 • 利用色散腔选择纵模是最为实用且有效
的方法
棱镜色散腔 光栅色散腔
外腔半导体激光器
短腔法选纵模
• 谐振腔模间隔=C/2nL • 如果设计腔长L使模间
隔 增益曲线宽度
g 则可以实现单纵模工作 例如：He-Ne 10cm
CO2 3m VCSEL
损耗

F-P标准具选模
由此得出： r1r2 1 2 exp2GL 1
若实现单横模运转，应使以下2式同时成立。
r1r2 1 00 expGL 1
r1r2 1 01 expGL 1
球面镜谐振腔的两个重要参数
g参数
g 1 L R
其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。
菲涅尔数
• 也可进行频率调制 • 既可以进行数字通信，
也可以传输模拟信号 • 一般直接调制速率很
难超过5G
外调制
1、电光调制
有两种调制中常用的电光效应，一 种是折射率的变化量与外电场强度 的一次方成比例，称为泡克耳斯 （Pockels）效应；另一种是折射率 的变化量与外电场强度的二次方成 比例，称为克尔（Kerr）效应。利 用克尔效应制成的调制器，称为克 尔盒，其中的光学介质为具有电光 效应的液体有机化合物。利用泡克 耳斯效应制成的调制器，称为泡克 耳斯盒，其中的光学介质为非中心 对称的压电晶体。泡克耳斯盒又有 纵向调制器和横向调制器两种。
ax, y
将输出镜系数选择为
这样经过一次往返 实现了自在现。
R1x,
y

ax, y ax, y
ax, y R1x, yax, y
实际上我们可以设计任意强度分布和形状的光场作为我 们希望的振荡模式，制造一对符合要求的相位共轭镜， 以达到选模目的。
经过共轭镜反射后光强分布的复原过程
nx＇-nz=n0-1/2n03γ63Ez-ne
当通光方向上晶体长度为L，厚度为d，外加电压V=Ezd,则从晶体出射时的相位差为
Δψ=2π/λ[(nx＇-nz)·L]=2π/λ[(n0-ne)·L-1/2n03γ63(L/d)V]
由上式可知，在横向运用时，光通过晶体后的相位差包括两部分：第一 部分是与外电场无关，由晶体本身的自然双折射所引起的相位延迟，即上式 中的第一项。它对调制器的工作没有什么作用，当温度变化时，还会带来不 利影响，应设法消除。第二部分是外加电场作用产生的相位延迟，它与外加 电压V和晶体的尺寸(L/d)有关，所以适当选择晶体的尺寸，可降低其半波压。 一般横向调制器横向运用时其半波电压要低于纵向运用。
a2 N
L
其中a为腔内有效孔径的半径，L为腔长。
衍射损耗是谐振腔参数g和菲涅尔数N的函数
腔参数g和菲涅尔数N与衍射损耗的关系
设计腔参数g、N选择横模
• 在增益较小的激光器件中，可以通过适 当的腔参数设计选择基横模
• N一定时g参数绝对值越小，各模式的d 也越小，比值10 /00增大。
• 因此，考虑各模式的d ，以及10 /00， 同时考虑模体积，适当选择g和N就可以 选出基模。如He-Ne激光器。
光栏
探测器
隔离器
压电陶瓷
• 光谱分析仪
5、激光调制的基本概念
• 应用某种方法对激光的强度、频率、相位等参数 进行调制称为激光调制
• 把准备传输的信息加载于激光载波的过程应用激 光调制技术
• 激光调制根据其与激光器的关系，可分为内调制 和外调制
• 内调制是指加载调制信号在激光振荡过程中进行， 即以调制信号的规律去改变激光振荡参数，从而 改变激光输出特性以实现调制
泡克耳斯盒加λ/4波片与不加 λ/4波片的区别示意图
a) 不加λ/4波片 b) 加λ/4波片
横向电光调制原理
横向电光调制器（磷酸氢钾类晶体第一种运用方式）的组成如图所示。主要由起 偏器、调制晶体（45°-z切割）、检偏器等组成。 因为沿z轴方向外加电场，所以Ex=Ey=0,Ez=E，但因通光方向与z轴相垂直，并沿 着 y’方向入射，则进入晶体后，将分解为沿 x’、z方向振动的二分量。 有：
常用电光调制技术
1. 电光调制原理 • 纵向电光调制 nx’=no–1/2no363Ez ny’=no+1/2no363Ez nz’=ne
• 横向电光调制
y’
x’ y
x
z
起偏器
V
/4 检偏器
z
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
x’
y’
V 检偏器
纵向电光调制原理
在x＇方向折射率比原来减小了1/2n03γ63Ez，而y＇方向的折 射率则增加了1/2n03γ63Ez，如图20－18（b）所示。当沿z轴 方向入射的线偏振光进入晶体后，即沿x＇、y＇方向分解 为两个互相垂直的偏振分量。由于它们的折射率不同，则 沿x＇方向振动的光传播速度快，称为“快光”；而沿y＇ 方向振动的光传播速度慢，称为“慢光”。则两束光经晶 体（长度为L）后，将产生位相差Δψ，则有：
相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例
激 光 器 的 横 模 花 样
激方 光形 横镜 模和 花圆 样形
镜 的
圆形镜腔的三个低阶模式的强度分布图
1、横模选择原理
初始光强为I0的某个横模，在谐振腔内经过一次往返 后其光强变为：
I I0r1r21 2 exp2GL
阈值条件为： I I0
TEM11模
TEM01模
TEM02模
TEM12模
TEM00模 TEM10模
TEM01模 TEM11模
激 光 横 模 偏 振 结 构 图
纵模选择极其意义
• 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，纵模 选择在这时就是必 不可少的技术
et A1 m cosmtcost et Acost msin mt
I t

A2 2
1
m cosmtcos2 t

模拟调制
数字调制
内调制
• 主要用于半导体激光 器
• 通过改变驱动电流实 现对输出光的调制
• 一般通信采用强度调 制
其中*代表共轭
反射波则由下式表示
bx', y'R2 x', y' bx', y'


A (u,
) exp
j2
xu

y
exp
j
2
l
1 2 2 dud
当其通过距离l的自由空间传播回输出镜时有
a'x, y Au, exp j2 xu y dud
在一个激光谐振腔内设输出镜一端的光场分布为：
a(x, y) A(u. )exp j2 (xu y )dud
式中 exp j2 (xu y ) 是以方向余弦 =u = v
1 2 2 传输的平行平面波。A(u.v)为复振幅。
设腔内为自由空间，腔长为l，傅立叶传输方程为
因此产生了以控制输出光束发散角和 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。
横模选择极其意义
• 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模
TEM10模
TEM20模