第六章激光器的模式选择和调制技术

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。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TEM11模TEM02模TEM01模TEM12模TEM00模TEM01模TEM10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增益损耗实际振荡的纵模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方形镜和圆形镜的激光横模花样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：GL2exp1rrII2210阈值条件为：0II由此得出：1GL2exp1rr221若实现单横模运转，应使以下2式同时成立。1GLexp1rr1GLexp1rr01210021球面镜谐振腔的两个重要参数g参数其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。菲涅尔数其中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RLg1LaN2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。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•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。小孔光栏腔镜1腔镜2r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。0非稳区非稳区非稳区非稳区g1g211-1-1当谐振腔参数趋近介稳腔时损耗差迅速增加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。RD2）相位供轭反射镜谐振腔选横模式中是以方向余弦=u=v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，傅立叶传输方程为在一个激光谐振腔内设输出镜一端的光场分布为：dudyxujuAyxa)(2exp).(),()(2expyxuj2212212expljH全反镜一端复振幅可写为如果我们制作一个反射镜，反射系数R可以表示为其中*代表共轭dudljyxujuAyxb2212exp)(2exp),()','(','',')','(2yxbyxbyxR反射波则由下式表示dudljyxujuAyxbyxRyxb22212exp2exp),(','','','当其通过距离l的自由空间传播回输出镜时有将输出镜系数选择为这样经过一次往返实现了自在现。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。yxadudyxujuAyxa,2exp,,'yxayxRyxayxayxayxR,,,,,,11经过共轭镜反射后光强分布的复原过程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doughnutmode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boththeHermiteGaussianandtheLaguerreGaussian3、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-Ne10cmCO23mVCSEL损耗F-P标准具选模标准具腔镜1腔镜2激光介质双标准具组腔镜1腔镜2激光介质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)2、Fox-Smith式复合腔=C/2n(l1+l2)l1l2l1l2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2、小孔扫描法3、CCD成像激光器激光器CCD衰减片扩束透镜.脉冲、连续激光横模-光斑品质分析系统纵模测量技术•扫描干涉仪•光谱分析仪匹配透镜隔离器光栏压电陶瓷探测器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•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ttmAtemcoscos1tmtAtemsincosttmAtIm22coscos12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•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。常用电光调制技术1.电光调制原理•纵向电光调制nx’=no–1/2no363Ezny’=no+1/2no363Eznz’=ne•横向电光调制xyy’zx’V起偏器检偏器/4x’zy’检偏器V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：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。透射率（I/Ii）随外加电压变化的光强调制特性曲线I/Ii=sin2(1/2·2π/λ·n03γ63V)=sin2(π/2·V/Vπ)加λ/4波片的泡克耳斯盒示意图泡克耳斯盒加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。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：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横向电光调制原理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。组合调制器进行温度补偿•自然双折射引起的相位差随温度改变•调制器一般需要做温度控制•为更好的减小温度漂移的影响常用组合调制器进行温度补偿zz.xy’x’z.y’zx’/2EEEE尺寸任何小于或等于φ3尺寸公差Z轴：±0.3mmX轴,Y轴:±0.1mm倒角小于0.5mm,45°±5°晶向精度Z轴:5'X轴,Y轴:10'平行度10表面质量10/5平面度λ/8at632.8nm镀膜R0.2%@1064nm波前畸变λ/4@633nm消光比400:1@633nm,φ6mm光束铌酸锂LiNbO3掺镁铌酸锂Mg:LiNbO3φ3铌酸锂LiNbO3晶片光学级铌酸锂晶体(LiNbO3)铌酸锂是非线性光学级晶体，广泛应用于参量振荡器、倍频、声光器件、光学调制器。MgO的掺入可有效提高晶体的抗损伤阈值、目前大量使用的光波导器件是在铌酸锂基片上采用钛扩散或质子交换工艺，利用线性电光效应制成光相位调制器、光开关、光滤波