激光技术调Q与锁模

2激光单元技术激光选模技术激光Q开光技术激光锁模技术对激光束实行人为控制的技术称之为激光单元技术31、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。4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TEM00TEM10TEM20TEM115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○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,从而相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例61）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。小孔光栏腔镜1腔镜27小孔光阑选横模腔型举例82）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。非稳区非稳区非稳区非稳区g1g21LgRL为腔长R为球面镜曲率半径011-1-193）特殊腔镜选模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。RD10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增益损耗实际振荡的纵模11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12短腔法选纵模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例如：He-Ne:10cmCO2:23cm损耗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13F-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14标准具腔镜1腔镜2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F-P标准具选单纵模15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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双标准具组腔镜1腔镜2激光介质16色散腔粗选波长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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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17色散腔粗选波长棱镜色散腔光栅色散腔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18行波腔选纵模法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。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192、激光Q开关技术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20一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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tI激光荧光21激光器Q值的定义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。Q=20腔内储存的激光能量每秒损耗的激光能量22电光晶体调Q优点：同步精度高，系统稳定可靠，输出脉冲窄。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。起偏器检偏器电光晶体23声光调Q优点：重复频率高，性能稳定可靠。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声光介质声光调Q器件24染料调Q激光器及其特性染料要求染料吸收峰应与激光输出波长吻合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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谐振腔输出镜反射率的影响YAG染料紫外滤光片反射镜YAG染料反射镜染料盒25100%0%TimeCavityLossCavityGainOutputintensityThepulselengthislimitedbyhowfastwecanswitchandtheround-triptimeofthelaserandyieldspulses10-100nslong.263、激光锁模技术锁模技术：将两个以上不发生关联的振荡模式（纵模）联系起来。是用来产生激光超短脉冲的技术。因Q开关压缩脉宽技术受到腔长的限制（通常ns量级）激光锁模技术所产生的激光超短脉冲已经达到飞秒量级。锁模激光器发射的是一个具有固定周期的脉冲序列超短光脉冲在受控核聚变、遥测、通信，以及物理、化学、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27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t光强28多模激光器模式锁定特性如图设3个波1,2,3,2=213=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EtIt29通过锁模得到超短脉冲3031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tttttt32主动锁模原理在激光谐振腔内加入一个调制器对谐振腔内部损耗进行调制令调制频率等于C/2Lν0ν0+Δνν0-Δνν域值33主动锁模激光器举例调制器可采用电光或声光调制提高谐振腔参数的稳定性用反馈系统对调制信号的误差进行补偿调制器激光介质起偏器移相器放大器探测器34同步泵浦锁模激光器通过增益调制实现锁模。一台锁模激光器的序列脉冲输出泵浦另一台激光器，在两个激光器光腔长度相等的条件下，激光器的增益受到调制，与损耗调制类似，在增益最大时形成一个脉宽更窄的序列脉冲输出。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泵浦激光染料凹面反射镜准直镜FP标准具输出镜2L35