脈沖激光器分析PPT參考課件

1、1,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理 1 Q調(diào)制原理 .2. 調(diào)Q激光器的峰值功率； 3. 巨脈沖的能量； 7.1.4. 巨脈沖的時(shí)間特性 7.2 Q-調(diào)制技術(shù) 1 電光調(diào)Q技術(shù)； 2.聲光調(diào)Q技術(shù)；3.被動(dòng)調(diào)Q技術(shù); 4.腔倒空技術(shù) 7.3 激光器鎖模技術(shù) 1 激光鎖模原理; 2. 振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模; 3. 相位調(diào)制主動(dòng)鎖模; 4.均勻加寬激光器主動(dòng)鎖模自洽理論; 5. 被動(dòng)鎖模,第七章 脈沖激光基礎(chǔ),p68,2,711-1,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,7.1 Q調(diào)制原理,我們?cè)诜治雒}沖激光器輸出尖峰序列的原因時(shí)已指出，在泵浦激勵(lì)過(guò)程中，

2、當(dāng)工作物質(zhì)中反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度 n 增加到閾值時(shí)就產(chǎn)生激光。 當(dāng) n 超過(guò) nt 時(shí)，隨著受激輻射的增強(qiáng)，上能級(jí)粒子數(shù)大量消耗，反轉(zhuǎn)集居數(shù) n 迅速下降，直到 n 低于閾值 nt 時(shí)，激光振蕩迅速衰減。 然后泵浦的抽運(yùn)又使上能級(jí)逐漸積累粒子而形成第二個(gè)激光尖峰。 如此不斷重復(fù)，便產(chǎn)生一系列小的尖峰脈沖。 由于每個(gè)激光脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，所以輸出脈沖的峰值功率較低，一般為幾十千瓦數(shù)量級(jí)。 增大輸入能量時(shí)，只能使尖峰脈沖的數(shù)目增多，而不能有效地提高峰值功率水平。同時(shí)，激光輸出的時(shí)間特性也很差。,3,711-2,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,

3、為了得到高的峰值功率和窄的單個(gè)脈沖，采用了Q調(diào)制技術(shù). Q調(diào)制的基本原理是通過(guò)某種方法使諧振腔的損耗 (或Q值)按照規(guī)定的程序變化，在泵浦激勵(lì)剛開(kāi)始時(shí)，先使光腔具有高損耗 H，激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩，于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)便可以積累到較高的水平。 然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，使腔的損耗突然降低到 ，閾值也隨之突然降低，此時(shí)反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過(guò)閾值，受激輻射極為迅速地增強(qiáng)。 于是, 在極短時(shí)間內(nèi)，上能級(jí)儲(chǔ)存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?，在輸出端有一個(gè)強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。 采用調(diào)Q技術(shù)很容易獲得峰值功率高于兆瓦，脈寬為幾十毫微秒的激光巨脈沖。 本節(jié)將簡(jiǎn)單介紹Q調(diào)制技術(shù)的原理和基本技術(shù)。,4,71

4、1-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,7.1.1.Q調(diào)制激光器基本原理,圖 7.1-1為調(diào) Q 過(guò)程的示意圖。,在 t0 時(shí)，損耗為 H ，腔內(nèi)光子壽命為 H，相應(yīng)的閾值為,5,711-4,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,7.1.1.Q調(diào)制激光器基本原理,圖 7.1-1為調(diào) Q 過(guò)程的示意圖。,當(dāng) t0 時(shí)，泵源激勵(lì)使反轉(zhuǎn)集居數(shù)不斷增長(zhǎng)，至 t=0 時(shí)刻，反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度增加到 ni ，但 因 ni nt ，所以不能產(chǎn)生激光，此時(shí)腔內(nèi)只有由自發(fā)輻射產(chǎn)生的少量光子，光子數(shù)密度 Ni 很小,

5、在 t0 時(shí)，損耗為 H ，腔內(nèi)光子壽命為 H，相應(yīng)的閾值為,在 t=0 時(shí)刻，損耗突然降至 (光子壽命為 R )，閾值也相應(yīng)地降至 nt,6,711-5,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,7,712-1,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,7.1.2. 調(diào)Q激光器的峰值功率,8,712-2,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,9,712-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,10,712-4

6、,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,11,713-1,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,7.1.3. 巨脈沖的能量,12,713-2,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,13,713-2,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,14,714-1,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,7.1.4. 巨脈沖的時(shí)間特性,15,714-2,激光原理 陳歷學(xué)

7、2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,16,714-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,714-3,17,714-4,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,714-3,18,714-5,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,714-3,19,714-6,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理,第七章 脈沖激光理論,20,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理 1 Q調(diào)制原理 .2. 調(diào)Q激光器的峰值功率

8、； 3. 巨脈沖的能量； 7.1.4. 巨脈沖的時(shí)間特性 7.2 Q-調(diào)制技術(shù) 1 電光調(diào)Q技術(shù)； 2.聲光調(diào)Q技術(shù)；3.被動(dòng)調(diào)Q技術(shù); 4.腔倒空技術(shù) 7.3 激光器鎖模技術(shù) 1 激光鎖模原理; 2. 振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模; 3. 相位調(diào)制主動(dòng)鎖模; 4.均勻加寬激光器主動(dòng)鎖模自洽理論; 5. 被動(dòng)鎖模,第七章 脈沖激光基礎(chǔ),p68,21,721-0,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,7.2. Q調(diào)制技術(shù),凡能使諧振腔損耗發(fā)生突變的元件都能用作Q開(kāi)關(guān)。 常用調(diào)Q方法有轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q與飽和吸收調(diào)Q等。 前三種方法中諧振腔損耗由外部驅(qū)動(dòng)源控制

9、，稱(chēng)為主動(dòng)調(diào)Q。后一種方法中，諧振腔損耗取決于腔內(nèi)激光光強(qiáng)，因此稱(chēng)為被動(dòng)調(diào)Q。 轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q是最早發(fā)展的一種調(diào)Q方法，但目前已很少使用。本書(shū)僅簡(jiǎn)要介紹其余三種調(diào)Q方法。,22,721-1,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,7.2.1 電光調(diào)Q技術(shù),某些晶體在外加電場(chǎng)作用下，其折射率發(fā)生變化，使通過(guò)晶體的不同偏振方向的光之間產(chǎn)生位相差，從而使光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為電光效應(yīng)。 電光晶體中折射率的變化和電場(chǎng)成正比的效應(yīng)稱(chēng)為普克爾效應(yīng)，折射率的變化和電場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比的效應(yīng)稱(chēng)為克爾效應(yīng)。 電光調(diào)Q就是利用晶體的普克爾效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)Q突變的方法。 現(xiàn)以最常用的

10、電光晶體之一的磷酸二氘鉀 (KD*P) 晶體為例說(shuō)明其調(diào)Q原理。,【電光效應(yīng)】,23,721-2,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,電光調(diào)Q激光器如圖8-25所示。 未加電場(chǎng)前晶體的折射率主軸 x,y,z 。 沿晶體光軸方向 z 施加一外電場(chǎng) E ，由于普克爾效應(yīng)，主軸變?yōu)閤,y,z。 令光束沿 z 軸方向傳播，經(jīng)偏振器后變?yōu)槠叫杏?x 軸的線(xiàn)偏振光，入射到晶體表面時(shí)分解為等幅的 x 和 y 方向的偏振光；在晶體中二者具有不同的折射率 和 。,24,721-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,經(jīng)過(guò)晶體長(zhǎng)度

11、 d 距離后，二偏振分量產(chǎn)生了相位差：,25,721-4,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,當(dāng) =/2 時(shí)，所需電壓稱(chēng)作四分之一波電壓，記作V/4。 圖8-25 中電光晶體上施以電壓 V/4 時(shí)，從偏振器出射的線(xiàn)偏振光經(jīng)電光晶體后，沿 x 和 y 方向的偏振分量產(chǎn)生了 /2 位相延遲，經(jīng)全反射鏡反射后再次通過(guò)電光晶體后又將產(chǎn)生 =/2 延遲，合成后雖仍是線(xiàn)偏振光，但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向，因此不能通過(guò)偏振器。 這種情況下諧振腔的損耗很大，處于低Q值狀態(tài)，激光器不能振蕩，激光上能級(jí)不斷積累粒子。 如果在某一時(shí)刻，突然撤去電光晶體兩端的電壓，則諧

12、振腔突變至低損耗、高Q值狀態(tài)，于是形成巨脈沖激光。,26,721-5,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,電光Q開(kāi)關(guān)是目前使用最廣泛的一種Q開(kāi)關(guān)，適用于脈沖激光器，其主要特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)時(shí)間短(約 10-9s )，屬快開(kāi)關(guān)類(lèi)型。 電光調(diào)Q激光器可以獲得脈寬窄、峰值功率高的巨脈沖。 典型的 Nd3+:YAG 電光調(diào)Q激光器的輸出光脈沖寬度為 10-20ns，峰值功率可達(dá)數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦。 而對(duì)于釹玻璃調(diào)Q激光器，不難獲得數(shù)百兆瓦的峰值功率。 常用電光晶體有 KDP、KD*P、LiNbO3 及BSO等。,27,722-1,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1

13、 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,7.2.2聲光調(diào)Q技術(shù),當(dāng)聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí)，該介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與聲波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變，從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期變化，形成等效的位相光柵，其光柵常數(shù)等于聲波波長(zhǎng)$lambda_e$。光束射經(jīng)此介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射，一部分光偏離原來(lái)方向。,現(xiàn)象：透射光束分裂為0級(jí)與+1級(jí)或-1級(jí)衍射光，+1級(jí)或-1級(jí)衍射光與聲波波面的夾角亦為 ，如圖8-26所示。,【布喇格衍射】,28,722-2,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,當(dāng)聲波頻率較高，,聲光作用長(zhǎng)度 d 足夠大,聲波波長(zhǎng) 光波波長(zhǎng),入射光波與聲波波面

14、的夾角滿(mǎn)足,布喇格衍射條件,光強(qiáng)比：一級(jí)衍射光光強(qiáng) I1 (或 I-1 )與入 射光光強(qiáng) Ii 之比為,經(jīng)長(zhǎng)度為 d 的位相光柵后光波相位變化的幅度,獲得高衍射效率的方法：提高超聲驅(qū)動(dòng)功率！,29,722-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,當(dāng)聲光Q開(kāi)關(guān)由一塊對(duì)激光波長(zhǎng)透明的聲光介質(zhì)及換能器組成，常用的聲光介質(zhì)有熔融石英、鉬酸鉛及重火石玻璃等。 聲光介質(zhì)表面粘接有鈮酸鋰、石英等壓電材料薄片制成的換能器，換能器的作用是將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波。 聲光開(kāi)關(guān)置于激光器中，在超聲場(chǎng)作用下發(fā)生衍射，由于一級(jí)衍射光偏離諧振腔而導(dǎo)致?lián)p耗增加，從而使激光振蕩難以形成

15、，激光高能級(jí)大量積累粒子。若這時(shí)突然撤除超聲場(chǎng)，則衍射效應(yīng)即刻消失，諧振腔損耗突然下降，激光巨脈沖遂即形成。 聲光調(diào)Q開(kāi)關(guān)時(shí)間一般小于光脈沖建立時(shí)間，屬快開(kāi)關(guān)類(lèi)型。 由于開(kāi)關(guān)的調(diào)制電壓只需100多伏，所以可用于低增益的連續(xù)激光器，可獲得峰值功率幾百千瓦、脈寬約為幾十納秒的高重復(fù)率巨脈沖。 但聲光開(kāi)關(guān)對(duì)高能量激光器的開(kāi)關(guān)能力差，不宜用于高能調(diào)Q激光器。,30,723-1,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,由吸收系數(shù)方程可見(jiàn)，吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減少，當(dāng)光強(qiáng)很大時(shí)，吸收系數(shù)為零，入射光幾乎全部透過(guò)。 飽和吸收體的透過(guò)率隨光強(qiáng)的變化如圖8-26b所示。,

16、7.2.3被動(dòng)調(diào)Q技術(shù),在諧振腔中設(shè)置一飽和吸收體，利用其飽和吸收效應(yīng)可以控制諧振腔的損耗。 理論上，可近似地把飽和吸收體看成是兩能級(jí)系統(tǒng)，利用穩(wěn)態(tài)二能級(jí)速率方程，按由速率方程求增益系數(shù)的類(lèi)似過(guò)程，可求出中心頻率處的吸收系數(shù),簡(jiǎn)并度相等的二能級(jí)系統(tǒng)的飽和光強(qiáng),31,723-2,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,隨著激光工作物質(zhì)中反轉(zhuǎn)集居數(shù)的積累，放大的自發(fā)輻射逐漸增加，當(dāng)光強(qiáng)與飽和吸收體的 Is 可比擬時(shí)，吸收系數(shù)顯著減少。當(dāng)這一過(guò)程發(fā)展到一定程度時(shí)，單程增益等于單程損耗，激光器開(kāi)始起振。 隨著激光強(qiáng)度增加，飽和吸收體的吸收系數(shù)又繼續(xù)下降，而這又促使

17、激光更迅速地增加，于是產(chǎn)生了受激輻射不斷增長(zhǎng)的雪崩過(guò)程。 當(dāng)激光光強(qiáng)增加至可與增益介質(zhì)的飽和光強(qiáng)可比擬時(shí)，增益系數(shù)顯著下降，最終導(dǎo)致激光熄滅。,染料盒透過(guò)率隨光強(qiáng)變化曲線(xiàn),將飽和吸收體放在諧振腔中，泵浦過(guò)程開(kāi)始時(shí)，由于其吸收系數(shù)大，諧振腔損耗很大，激光器不能起振。,32,723-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,由上述巨脈沖發(fā)展過(guò)程可知，用作被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)的飽和吸收體應(yīng)具備下列特性： (a) 吸收峰中心波長(zhǎng)應(yīng)與激光器激光波長(zhǎng)吻合； (b) 飽和光強(qiáng) Is 要適當(dāng)。 Is 小于增益介質(zhì)的飽和光強(qiáng) Is，是巨脈沖產(chǎn)生的必要條件， Is 太大還會(huì)因Q開(kāi)關(guān)速

18、度太慢而嚴(yán)重影響調(diào)Q效果。 但 Is 也不宜過(guò)小，否則很弱的光就能使其透明，工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)便不能充分積累。,33,723-4,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,最早出現(xiàn)的被動(dòng)調(diào)Q激光器以染料為飽和吸收體。 對(duì)釹玻璃和YAG等激光器適用的染料有BDN、五甲川、十一甲川和藍(lán)色素等，其相應(yīng)的溶劑有丙酮、氯苯、二氯乙烷等。對(duì)紅寶石激光器適用的染料有隱花菁、金屬酞菁、釩酞菁、氯鋁鈦菁、鋯鈦菁、葉綠素D等，其相應(yīng)的溶劑有丙酮、甲醇、氯苯、硝基苯等。 將上述染料摻入透明塑料基質(zhì)制成的染料片也可用于被動(dòng)調(diào)Q。 染料濃度及泵浦能量的大小對(duì)巨脈沖特性有明顯影響。濃

19、度太低或泵浦能量太大易形成多脈沖輸出。濃度太高則會(huì)提高激光器閾值。 染料調(diào)Q是一種被動(dòng)式快開(kāi)關(guān)，使用簡(jiǎn)單。與脈沖激光器配合可獲得峰值功率千兆瓦，脈寬數(shù)十納秒的激光巨脈沖。其缺點(diǎn)是染料易變質(zhì)，需經(jīng)常更換，輸出不夠穩(wěn)定。,34,723-5,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,近年來(lái)，發(fā)展了系列新型固體飽和吸收材料。適用于1060nm 波段的固體飽和吸收材料有：,35,724-1,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,以上討論的Q調(diào)制方式屬于工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q，即在低Q值狀態(tài)下激光工作物質(zhì)的上能級(jí)積累粒子，當(dāng)Q值突然升高

20、時(shí)形成巨脈沖振蕩，同時(shí)輸出光脈沖，如圖7.2-4a 所示。上述方式稱(chēng)作脈沖反射式調(diào)Q。 由于振蕩和輸出同時(shí)進(jìn)行，脈寬取決于激光增 長(zhǎng)和衰減過(guò)程，光束需要在腔內(nèi)往返若干次才能完成衰減過(guò)程，所以脈寬達(dá)數(shù)十納秒.,7.2.4腔倒空技術(shù),(a)脈沖反射式調(diào)Q；(b)脈沖透射式調(diào)Q；(c)脈沖反射一透射式調(diào)Q,36,724-2,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,圖8-27b示出另一種諧振腔儲(chǔ)能調(diào)Q過(guò)程。諧振腔由全反射鏡 M，和可控反射鏡 M2 組成。 t0 時(shí)，M2 鏡全反射，諧振腔處于高Q值狀態(tài)，激光器振蕩但無(wú)輸出。激光能量?jī)?chǔ)存于諧振腔中。 t=0時(shí)，控制

21、M2 鏡使其透射率達(dá)100，儲(chǔ)存于腔內(nèi)的激光能量迅速逸出腔外，于是輸出一巨脈沖。這種調(diào)Q方式稱(chēng)作脈沖透射式調(diào)Q或腔倒空。 由于腔倒空調(diào)Q方式是在全透射情況下輸出光脈沖，光子逸出諧振腔所需最長(zhǎng)時(shí)間為 2L/c ( L 為諧振腔光程長(zhǎng))，所以輸出光脈沖持續(xù)時(shí)間約等于 2L/c ，脈寬僅為數(shù)納秒,37,724-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1 Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,為了提高輸出峰值功率，可將這兩種調(diào)Q方式結(jié)合，將脈沖反射與透射式調(diào)Q復(fù)合成為一個(gè)過(guò)程。如圖7.2-4c 所示。 圖7.2-5 為此種調(diào)Q激光器的實(shí)例。,38,724-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.1

22、Q-調(diào)制技術(shù),第七章 脈沖激光理論,諧振腔中兩個(gè)格蘭棱鏡取相同的偏振方向，當(dāng)電光晶體所加縱向電壓 V=0 時(shí)，腔內(nèi)光束可經(jīng)格蘭棱鏡 2 透射至腔外，諧振腔處于低Q狀態(tài)，在泵浦光激勵(lì)下，YAG的高能級(jí)不斷積累粒子。 若突然在電光晶體上加上半波電壓 V/2 (當(dāng)所加電壓使電光晶體中沿兩個(gè)感應(yīng)主軸 x 和 y 方向的偏振分量經(jīng)晶體后產(chǎn)生 相位延遲時(shí)，稱(chēng)作半波電壓)，則偏振光經(jīng)晶體后因偏振面旋轉(zhuǎn)了 /2 而被格蘭棱鏡 2 反射至全反射鏡，形成高Q值諧振腔。于是在腔內(nèi)形成巨脈沖激光，但不能輸出腔外。 若在腔內(nèi)激光光強(qiáng)達(dá)最大值時(shí)突然去除晶體上的電壓，則腔內(nèi)激光能量 2L/c 持續(xù)時(shí)間內(nèi)經(jīng)格蘭棱鏡透射腔外。

23、,39,7.1Q-調(diào)制激光器基本原理 1 Q調(diào)制原理 .2. 調(diào)Q激光器的峰值功率； 3. 巨脈沖的能量； 7.1.4. 巨脈沖的時(shí)間特性 7.2 Q-調(diào)制技術(shù) 1 電光調(diào)Q技術(shù)； 2.聲光調(diào)Q技術(shù)；3.被動(dòng)調(diào)Q技術(shù); 4.腔倒空技術(shù) 7.3 激光器鎖模技術(shù) 1 激光鎖模原理; 2. 振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模; 3. 相位調(diào)制主動(dòng)鎖模; 4.均勻加寬激光器主動(dòng)鎖模自洽理論; 5. 被動(dòng)鎖模,第七章 脈沖激光基礎(chǔ),p68,40,730-0,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,7.3 激光器鎖模技術(shù),前面幾節(jié)中我們討論了用調(diào)Q技術(shù)壓縮激光脈沖寬度以獲得高功率脈沖

24、的方法。 調(diào)Q脈沖寬度的下限約為L(zhǎng)/C的數(shù)量級(jí)，對(duì)一般激光器，其值約為 。 為了得到更窄的脈沖，可以利用鎖模技術(shù)對(duì)激光束進(jìn)行特殊的調(diào)制，使光束中不同的振蕩縱模具有確定的相位關(guān)系，從而使各個(gè)模式相干疊加得到超短脈沖。 鎖模激光脈沖寬度可達(dá) ，相應(yīng)地具有很高的峰值功率。本節(jié)僅對(duì)鎖模激光器工作原理作簡(jiǎn)單介紹。,41,731-1,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,7.3.1 激光鎖模原理,一般非均勻加寬激光器，如果不采取特殊選模措施，總是得到多縱模輸出。 由于空間燒孔效應(yīng)，均勻加寬激光器的輸出也往往具有多個(gè)縱模。,每個(gè)縱模輸出的電場(chǎng)分量為,第 個(gè)模式的振幅

25、； 第 個(gè)模式的頻率； 第 個(gè)模式的初位相。,各個(gè)模式的振幅 、初位相 均無(wú)確定關(guān)系，各個(gè)模式互不相干，因而激光輸出是它們的無(wú)規(guī)疊加的結(jié)果，輸出強(qiáng)度隨時(shí)間無(wú)規(guī)則起伏。 若使各振蕩模式的頻率間隔保持一定，并具有確定的相位關(guān)系，則各個(gè)模式是相干的。激光器的輸出是各個(gè)模式相干疊加的結(jié)果。激光器將輸出一列時(shí)間間隔一定的超短脈沖。這種激光器稱(chēng)為鎖模激光器。,(7.3-1),42,731-2,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,討論在激光束的某一位置(z=0)處激光場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律。,【兩縱模振蕩疊加】:,兩縱模振蕩的頻率差,假設(shè)二模振幅相等，二模的行波光強(qiáng):

26、,初始：在 t=0 時(shí)，二縱模的電場(chǎng)均為最大值，合成行波光強(qiáng)是二模振幅和的平方。由于二模初位相固定不變，所以每經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間T0 后，相鄰模相位差便增加了 2 ，得到下述關(guān)系,當(dāng) 時(shí)(m為正整數(shù))，二模式電場(chǎng)又一次同時(shí)達(dá)到最大值，再一次發(fā)生二模間的干涉增強(qiáng)。于是產(chǎn)生了具有一定時(shí)間間隔的一列脈沖，脈沖峰值光強(qiáng)為 4I，由式(7.3-3)可求出脈沖周期為,(7.3-3),(7.3-2),(7.3-4),43,731-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,【多縱模振蕩疊加】:,設(shè)腔內(nèi)有 個(gè)模式,如果相鄰模式的初位相之差保持一定(稱(chēng)為相位鎖定),在 z=0

27、 處，第 q 個(gè)模式的電場(chǎng)強(qiáng)度為,忽略頻率牽引和頻率推斥，相鄰模式頻率之差為：,(2N+1)個(gè)模式合成之電場(chǎng)強(qiáng)度為,設(shè)各模式的振幅相等 ，各個(gè)模式場(chǎng)強(qiáng)疊加為：,44,731-4,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,利用三角級(jí)數(shù)求和公式可得,(a)(2N+1)個(gè)縱模電場(chǎng)強(qiáng)度波形圖,(b)鎖模脈沖。,(7.3-7),表明：2N+1 個(gè)模式的合成電場(chǎng)的頻率為 ，振幅A(t)隨時(shí)間變化,(7.3-6),45,731-5,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,最大光強(qiáng)(脈沖峰值光強(qiáng))為,光強(qiáng)最大。,若各模式相位未被鎖定

28、，則各模式是不相干的，輸出功率為各模功率之和， 。,由此可見(jiàn)，鎖模后脈沖峰值功率比未鎖模時(shí)提高了 2N+1 倍。腔長(zhǎng)越長(zhǎng)，熒光線(xiàn)寬越大，則腔內(nèi)振蕩的縱模數(shù)目越多，鎖模脈沖的峰值功率就越大。,可見(jiàn)鎖模脈沖的周期 T0 等于光在腔內(nèi)來(lái)回一次所需的時(shí)間。 可以把鎖模激光器的工作過(guò)程形象地看作有一個(gè)脈沖在腔內(nèi)往返運(yùn)動(dòng)，每當(dāng)此脈沖行進(jìn)到輸出反射鏡時(shí)，便有一個(gè)鎖模脈沖輸出。,相鄰脈沖峰值間的時(shí)間間隔為T(mén)0,(7.3-7),(7.3-8),(7.3-9),46,731-6,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,(7.3-10),脈沖峰值與第一個(gè)光強(qiáng)為零的谷值間的時(shí)間

29、間隔為,(7.3-7),鎖模激光的帶寬,脈沖的半功率點(diǎn)的時(shí)間間隔近似地等于 ，因而可認(rèn)為脈沖寬度等于 。 鎖模激光的帶寬 為鎖模激光的帶寬，它顯然不可能超過(guò)工作物質(zhì)的增益帶寬，這就給鎖模激光脈沖帶來(lái)一定的限制。 氣體激光器譜線(xiàn)寬度較小，其鎖模脈沖寬度約為納秒量級(jí)。 固體激光器譜線(xiàn)寬度較大，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以得到脈沖寬度為 量級(jí)的皮秒脈沖。 特別是釹玻璃激光器的振蕩譜寬達(dá) ，其鎖模脈沖寬度可達(dá) 。 表8.1列出幾種典型鎖模激光器的脈沖寬度。,47,731-7,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,【結(jié)論】： 由于各縱模的相位鎖定，鎖模激光器可以輸出一周期

30、 的光脈沖序列。 峰值功率較未鎖定時(shí)大 2N+1 倍，一般峰值功率達(dá)到幾千兆瓦是不困難的。 光脈沖的寬度 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于調(diào)Q脈沖所能達(dá)到的寬度。,48,732-1,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,7.3.2 振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模,在一般激光器中，各縱模振蕩互不相關(guān)，各縱模相位沒(méi)有確定的關(guān)系。 由于頻率牽引和頻率推斥效應(yīng)，相鄰縱模的頻率間隔并不嚴(yán)格相等。 為了得到鎖模超短脈沖，須采取措施強(qiáng)制各縱模初位相保持確定關(guān)系，并使相鄰模頻率間隔相等。 目前采用的鎖模方法可分為主動(dòng)鎖模與被動(dòng)鎖模兩類(lèi)， 主動(dòng)鎖模又可分為振幅調(diào)制鎖模和相位調(diào)制鎖模。,49,732-2,激光

31、原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,圖7.3-2a 幅度調(diào)制鎖模激光器示意圖,圖7.3-2a 中損耗調(diào)制器 M 為一電光調(diào)制器或聲光調(diào)制器，加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)制電壓，使腔的損耗發(fā)生頻率為$nu$的周期性變化($nu=c/2L$)。由于損耗的改變，每個(gè)模式的振幅也發(fā)生周期性變化。,50,732-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,如果激光器中增益曲線(xiàn)中心頻率處的縱模首先振蕩，其電場(chǎng)強(qiáng)度為,令 為調(diào)幅系數(shù)，它的大小決定于調(diào)制信號(hào)的大小。,(7.3-11),E0(t) 可改寫(xiě)為,可見(jiàn)，調(diào)制的結(jié)果使中心縱模振蕩不僅包含原

32、有頻率 的成分，還含有頻率為 ，初位相不變的兩個(gè)邊帶，其頻譜如圖7.3-2b所示。邊帶的頻率正好等于無(wú)源腔中的鄰模頻率。,(7.3-12),51,732-4,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,調(diào)制激光工作物質(zhì)的增益或腔內(nèi)損耗，均可使激光振幅得到調(diào)制，如果調(diào) 制頻率 f=c/2L上，可實(shí)現(xiàn)鎖模。,圖7.3-2b調(diào)幅后的縱模頻譜,這就是說(shuō)，在激光器中，一旦在增益曲線(xiàn)的某個(gè)頻率 形成振蕩，將同時(shí)激起兩個(gè)相鄰模式的振蕩。并且，這兩個(gè)相鄰模幅度調(diào)制的結(jié)果又將產(chǎn)生新的邊頻，因而激起頻率為 模式的振蕩，如此繼續(xù)下去，直至線(xiàn)寬范圍內(nèi)的縱模均被耦合而產(chǎn)生振蕩為止。,

33、52,732-5,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,由于實(shí)際激光器為有源腔，有源腔中存在著頻率牽引和頻率推斥效應(yīng)，所以自由振蕩的各縱模頻率和調(diào)制后產(chǎn)生的諸邊帶頻率有一微小的差別，自由振蕩的相鄰縱模間隔不相等，諸模式的初位相也沒(méi)有確定的關(guān)系。但當(dāng)二者的頻率差別十分微小，邊帶振幅足夠強(qiáng)時(shí)，發(fā)生注入鎖定效應(yīng)，自由振蕩模被抑制，或者說(shuō)自由振蕩模被中心縱模的諸邊帶所俘獲。 由以上分析可知，由于調(diào)幅產(chǎn)生的相鄰縱模間的能量耦合使所有縱模都具有相同的初位相，即各縱模的相位被鎖定，且相鄰縱模頻率間隔均等于 ，于是各縱模相干疊加的結(jié)果產(chǎn)生超短脈沖。,53,732-6,

34、激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,我們還可以從另一角度來(lái)理解超短脈沖的形成。由于損耗調(diào)制的頻率正好是 c/2L，損耗調(diào)制的周期正好是脈沖在腔內(nèi)往返一次所需的時(shí)間 T0 ( T0=2L/c )。因而調(diào)制器的損耗 是一周期為T(mén)0 的函數(shù),設(shè)光信號(hào)在 t1 時(shí)刻通過(guò)調(diào)制器，并且 ，則在 t+T0 時(shí)刻此信號(hào)將再次無(wú)損地通過(guò)調(diào)制器。對(duì)于 t2 時(shí)刻通過(guò)調(diào)制器的光信號(hào)而言，若 ，則每次經(jīng)過(guò)調(diào)制器時(shí)都要損失一部分能量。這就意味著只有在損耗為零的時(shí)刻通過(guò)調(diào)制器的那部分光信號(hào)能形成振蕩，而光信號(hào)的其余部分因損耗大而被抑制，因此形成周期為 2L/c 的窄脈沖輸出。,

35、振幅調(diào)制主動(dòng)鎖模的另一種物理圖像,54,732-7,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,在非均勻加寬激光器中，如果腔長(zhǎng)足夠長(zhǎng)，一般總是多縱模工作的，但各個(gè)縱模間沒(méi)有確定的相位關(guān)系，鎖模的作用只是使各縱模具有確定的相位關(guān)系。 而在均勻加寬激光器中，如果不存在空間燒孔效應(yīng)，通常只有一個(gè)縱模振蕩，但實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，這類(lèi)激光器也同樣可產(chǎn)生超短脈沖。 這種現(xiàn)象的原因是，當(dāng)施加各種鎖模手段后，0 模將產(chǎn)生一系列的邊頻，高增益模的能量不斷傳遞給低增益模，因而可產(chǎn)生多個(gè)模式。振幅調(diào)制一方面促使多個(gè)模式振蕩，同時(shí)使其相位鎖定，從而產(chǎn)生超短脈沖。,55,733-1,激光原理

36、陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,7.3.3 相位調(diào)制主動(dòng)鎖模,上式表明，除了在相位調(diào)制函數(shù)極值時(shí)通過(guò)調(diào)制器的那部分光信號(hào)不產(chǎn)生頻移外，其他時(shí)刻通過(guò)調(diào)制器的光信號(hào)均經(jīng)受不同程度的頻移。 如果調(diào)制相位的周期與光在腔內(nèi)運(yùn)行的周期一致，則經(jīng)受頻移的光信號(hào)每經(jīng)過(guò)調(diào)制器一次都要再次經(jīng)受頻移，最后因移出增益曲線(xiàn)以外而猝滅。 只有那些在相位調(diào)制函數(shù)極值時(shí)通過(guò)調(diào)制器的光信號(hào)才能形成振蕩，因而產(chǎn)生超短光脈沖序列。,相位調(diào)制又稱(chēng)頻率調(diào)制。在激光器諧振腔內(nèi)插入一電光晶體，利用晶體折射率 隨外加電壓的變化，產(chǎn)生相位調(diào)制。相位調(diào)制函數(shù)的形式是,-相位調(diào)制的幅度,縱模電場(chǎng)經(jīng)調(diào)制器后變?yōu)?/p>

37、,振蕩頻率變?yōu)?(7.3-13),56,733-2,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,左圖給出了鎖模脈沖與調(diào)制信號(hào)變化的關(guān)系。 對(duì)應(yīng)于調(diào)制信號(hào)的兩個(gè)極值，有兩個(gè)完全無(wú)關(guān)的超短脈沖序列，分別以實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)表示。這兩列脈沖出現(xiàn)的幾率相同。 激光器通常工作在一個(gè)系列上，但器件的微小擾動(dòng)會(huì)使鎖模激光器輸出從一個(gè)系列躍變到另一個(gè)系列。為了避免這種躍變，可將原有調(diào)制信號(hào)及其倍頻信號(hào)同時(shí)施于電光調(diào)制晶體，造成相位調(diào)制函數(shù)的不對(duì)稱(chēng)性，從而使一列脈沖優(yōu)先運(yùn)行。 相位調(diào)制的光波和幅度調(diào)制光波類(lèi)似，也存在一系列邊帶，相位調(diào)制時(shí)諸縱模鎖定的物理機(jī)制與幅度調(diào)制時(shí)相似。,相位調(diào)

38、制鎖模原理示意圖,57,733-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,58,734-1,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,前面曾在腔內(nèi)有(2N+1)個(gè)相位鎖定的等幅模振蕩時(shí)，得出鎖模超短脈沖的形狀和脈沖寬度。但這種分析是十分粗糙的，例如實(shí)際激光器的諸模式振幅并不相等，而是和增益曲線(xiàn)的形狀有關(guān)的，振蕩諸模式的相位也不一定全部鎖定。 由于目前常用的鎖模激光器大多是固體鎖模激光器、半導(dǎo)體鎖模激光器和染料鎖模激光器，它們的熒光譜線(xiàn)均屬均勻加寬，因此下面以幅度調(diào)制鎖模為例介紹一種適用于均勻加寬情況的理論處理方法。

39、 對(duì)相位調(diào)制鎖模，處理方法完全類(lèi)似。這一處理方法的要點(diǎn)是：假設(shè)有一短脈沖在腔內(nèi)傳播，經(jīng)過(guò)激光工作物質(zhì)、損耗調(diào)制器及反射鏡反射往返一次后應(yīng)正好等于其自身。由此自洽條件出發(fā)，可求出超短脈沖的解析表示式。,7.3.4均勻加寬激光器主動(dòng)鎖模自洽理論,59,734-2,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,當(dāng)脈沖兩次經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為 l 的增益物質(zhì)，并從反射鏡 1 反射后(反射率為 r1 )，,根據(jù)對(duì)許多主動(dòng)鎖模激光器輸出脈沖波形的測(cè)量，可假設(shè)光脈沖是高斯型。某一參考平面上行波超短光脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度可表示為,對(duì)上述方程進(jìn)行傅里葉變換之后，得到脈沖E1(t)的頻譜分布：,

40、小信號(hào)近似,(7.3-14),(7.3-16),(7.3-15),60,734-3,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,上式可近似為,傅里葉變換可得,(7.3-16),(7.3-17),61,734-4,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,損耗調(diào)制器為一電光晶體，其上加一調(diào)制電壓 因此損耗調(diào)制器的透射率以頻率為 的周期變化，透射率峰值的時(shí)間間隔為 2L/c，正好等于脈沖在腔內(nèi)往返一次所需的時(shí)間。 光脈沖通過(guò)損耗調(diào)制器的透射率 T(t) 為,電光晶體的半波電壓,脈沖總在透射率峰值附近的時(shí)刻通過(guò)調(diào)制器,脈沖經(jīng)反射鏡2反射并兩次通過(guò)損耗調(diào)制器后,(7.3-18),62,734-5,激光原理 陳歷學(xué) 2011年2月,7.3 激光器鎖模技術(shù),第七章 脈沖激光理論,相鄰模式頻率間隔,自恰條件要求,式(7.3.15及式(7.3