《第四章激光的基本技术ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章激光的基本技术ppt课件.ppt（85页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、12 第四章激光的基本技术第四章激光的基本技术第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术34.1 4.1 第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术4 激光的选模激光的选模( (选频选频) )技术技术 激光纵模的选模激光纵模的选模-选频技术选频技术激光横模的选模激光横模的选模-选模技术选模技术均匀增宽型介质与非均匀增宽型介质增益曲线均匀增宽型介质与非均匀增宽型介质增益曲线均匀增宽型介质的增益曲线均匀增宽型介质的增益曲线非均匀增宽型介质的增益曲线非均匀增宽型介质的增益曲线第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术54.1.1 4.1.1 激光单纵模的选取激光单纵模的选取 1. 1. 均匀增宽型谱
2、线的纵模竞争均匀增宽型谱线的纵模竞争(1) (1) 当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。值下降，增益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。图图4-1 4-1 均匀增宽型谱线纵模竞争均匀增宽型谱线纵模竞争第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术6(2) (2) 多纵模的情况下，如图所示，设有多纵模的情况下，如图所示，设有q-1q-1，q q，q+1q+1三个纵模满足振荡条件。三个纵模满足振荡条件。随着腔内光强逐步增强，随着腔内光强逐步增强，q-1q-1和和q+1q+1模都被抑制掉，只有模都
3、被抑制掉，只有q q模的光强继续增长，模的光强继续增长，最后变为曲线最后变为曲线3 3的情形。若此时的光强为的情形。若此时的光强为IqIq，则有，则有 ，于是振，于是振荡达到稳定，使激光器的内部只剩下荡达到稳定，使激光器的内部只剩下q q纵模的振荡。纵模的振荡。阈GIGqq),(纵模竞争纵模竞争: : 通过增益饱和通过增益饱和, ,某个纵模逐渐把其它纵模的振荡抑制下某个纵模逐渐把其它纵模的振荡抑制下 去去, ,最后只剩下该枞模振荡的现象。最后只剩下该枞模振荡的现象。第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术72.2.非均匀增宽型谱线的多纵模振荡非均匀增宽型谱线的多纵模振荡非均匀增宽激光器的输出
4、一般都具有多个纵模非均匀增宽激光器的输出一般都具有多个纵模 第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术83.3.单纵模的选取单纵模的选取(1) (1) 短腔法：短腔法： l两相邻纵模间的频率差两相邻纵模间的频率差 ，要想得到单一纵模的，要想得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使输出，只要缩短腔长，使 的宽度大于增益曲线阈值以上的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度所对应的宽度)2(Lcqql缺点缺点 腔长受到限制腔长受到限制, ,增益介质工作长度受到限制增益介质工作长度受到限制, ,输出功率受到输出功率受到限制限制, ,甚至没有激光输出。甚至没有激光输出。第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技
5、术9(2) (2) 法布里法布里- -珀罗标准具法：珀罗标准具法： l在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法布里布里- -珀罗标准具珀罗标准具 l由于多光束干涉的结果，对于满由于多光束干涉的结果，对于满足下列条件的光具有极高的足下列条件的光具有极高的透射率透射率222sin2dmcml能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为能获得最大透射率的两个相邻的频率间隔为: : 222sin2dcm第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术10(3) (3) 三反射镜法三反射镜法 如图，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中如
6、图，激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和和M4为全反射镜，为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射是具有适当透射率的部分透射部分反射镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合镜。这个组合相当于两个谐振腔的耦合只有同时满足上面两个谐振条件的光才能形成振荡只有同时满足上面两个谐振条件的光才能形成振荡,只要取只要取L2+L3足够小足够小 ，就可以单枞模输出，就可以单枞模输出)LL(2c32短)LL(2c21长两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术114.1.2 4.1.2 激光单横模的选取激光单横模的选取 1.
7、1. 衍射损耗和菲涅耳数衍射损耗和菲涅耳数(1)(1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。 (2)(2)如如图所示的球面共焦腔，镜面上的图所示的球面共焦腔，镜面上的基横模高斯光束基横模高斯光束光强分布光强分布可以表示为可以表示为 )2exp()(220SII图4-4 腔的衍射损耗LyxeCu220000Lyxsss22第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术12(3)(3)单程单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率 与射向镜面的与射向镜面的总光功率总光功率 之比之比2122expaD21020212002
8、)2exp(2)(IdIdI)2exp(22)(212210aIdIa(4)(4)分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓分析衍射损耗时为了方便，经常引入一个所谓“菲涅尔数菲涅尔数”的参量，它定义为的参量，它定义为 LLaN12N2expD第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术132.2.衍射损耗曲线衍射损耗曲线(1)(1)图图4-54-5给出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的衍射损耗给出了圆截面共焦腔和圆截面平行平面腔的衍射损耗 菲涅尔数曲线。菲涅尔数曲线。 图图4-5 4-5 不同腔的衍射损耗曲线不同腔的衍射损耗曲线第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术143.3.光阑法选取单横模
9、光阑法选取单横模 基本做法：在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑，让基横模光基本做法：在谐振腔内插入一个适当大小的小孔光阑，让基横模光 束顺利通过，而将高阶横模抑制束顺利通过，而将高阶横模抑制 小孔光阑的半径小孔光阑的半径r0可以选取为放置小孔光阑处的光束有效截面半径可以选取为放置小孔光阑处的光束有效截面半径22000)z(1)z(r第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术154.4.聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模聚焦光阑法和腔内望远镜法选横模(1)(1)聚焦光阑法：如图聚焦光阑法：如图4-64-6所示，在腔内插入一组透镜组，使光束所示，在腔内插入一组透镜组，使光束在腔内传播时尽量经历较大的
10、空间，以提高输出功率。在腔内传播时尽量经历较大的空间，以提高输出功率。 (2)(2)腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图腔内加望远镜系统的选横模方法，其结构如图4-74-7所示。所示。 图4-6 聚焦光阑法图4-7 腔内望远镜法|理解纵模竞争的物理意义理解纵模竞争的物理意义本节重点：本节重点： 作业：作业： P99：1，2|了解基本的选频及选模方法了解基本的选频及选模方法第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术174.2 4.2 第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术18稳定度是指稳定度是指激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频激光器在一次连续工作时间内的频率漂移与振荡频率之比
11、率之比 S复现性是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对复现性是激光器在不同地点、时间、环境下使用时频率的相对变化量变化量 R第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术194.2.1 4.2.1 影响频率稳定的因素影响频率稳定的因素1. 1. 腔长变化的影响腔长变化的影响对共焦腔的对共焦腔的TEMTEM0000模来说，谐振频率的公式可以简化为：模来说，谐振频率的公式可以简化为：Lcq2当当L L的变化为的变化为 L L， 的变化为的变化为时，引起的频率相对变化为：时，引起的频率相对变化为：)(LL(1) (1) 温度变化：一般选用热膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架温度变化：一般选用热
12、膨胀系数小的材料做为谐振腔的的支架(2) (2) 机械振动：采取减震措施机械振动：采取减震措施2. 2. 折射率变化的影响折射率变化的影响(1)(1)内腔激光器内腔激光器: : 温度温度T T、气压、气压P P、湿度、湿度h h的变化很小，可以忽略的变化很小，可以忽略(2)(2)外腔和半内腔激光器外腔和半内腔激光器: : 腔的一部分处于大气之中，温度腔的一部分处于大气之中，温度T T、气压、气压 P P、湿度、湿度h h的变化较放电管内显著。的变化较放电管内显著。应尽量减小暴露于大气的部应尽量减小暴露于大气的部 分，同时还要屏蔽通风以减小分，同时还要屏蔽通风以减小T T 、 P P、 h h的
13、脉动。的脉动。第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术204.2.2 4.2.2 稳频方法概述稳频方法概述1. 1. 被动式稳频被动式稳频利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数利用热膨胀系数低的材料制做谐振腔的间隔器；或用膨胀系数为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合。为负值的材料和膨胀系数为正值的材料按一定长度配合。把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡把单频激光器的频率与某个稳定的参考频率相比较，当振荡频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误频率偏离参考频率时，鉴别器就产生一个正比于偏离量的误差信号。差信号。2.2.主动式稳频主动式稳频
14、(1)(1) 把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率把激光器中原子跃迁的中心频率做为参考频率，把激光频率 锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。锁定到跃迁的中心频率上，如兰姆凹陷法。(2) (2) 把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的把振荡频率锁定在外界的参考频率上，例如用分子或原子的 吸收线作为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激吸收线作为参考频率，选取的吸收物质的吸收频率必须与激 光频率相重合。如饱和吸收法。光频率相重合。如饱和吸收法。第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术214.2.3 4.2.3 兰姆凹陷法稳频兰姆凹陷法稳频1. 1. 兰姆凹陷的
15、中心频率即为谱线的中心频率兰姆凹陷的中心频率即为谱线的中心频率 ，在其附近频率的，在其附近频率的微小变化将会引起输出功率的显著变化。这种稳频激光器的基本结微小变化将会引起输出功率的显著变化。这种稳频激光器的基本结构如图构如图4 4- -8 8所示所示 图图4-8 4-8 兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构兰姆凹陷法稳频激光器的基本结构0第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术222.2.腔长自动补偿系统的方框图如图腔长自动补偿系统的方框图如图4-94-9所示所示 图图4-9 4-9 兰姆凹陷法稳频方框图兰姆凹陷法稳频方框图l压电陶瓷加一直流电压：使初始频率为压电陶瓷加一直流电压：使初始频率为l压
16、电陶瓷上还需加一频率为压电陶瓷上还需加一频率为f f( (约为约为lkHzlkHz) )、幅度很小、幅度很小( (只有零只有零点几伏点几伏) )的交流讯号，此讯号称为的交流讯号，此讯号称为“搜索讯号搜索讯号”0第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术23图图4-10 4-10 稳频原理稳频原理3.3.图图4 4- -1010为稳频原理示意图。为稳频原理示意图。 l假如由于某种原因假如由于某种原因( (例如温度升高例如温度升高) )使使L L伸长，引起激光频率由伸长，引起激光频率由 偏偏 至至 ， 与与 的位相正好相反的位相正好相反 0APl假如由于某种原因假如由于某种原因( (例如温度降低例
17、如温度降低) )使使L L缩短，引起激光频率由缩短，引起激光频率由 偏至偏至 ， 与与 的位相正好相同的位相正好相同 0BPl在中心频率附近在中心频率附近 0 0 ，不论是，不论是 小于小于 0 0还是大于还是大于 0 0 ，其结果都是使输出，其结果都是使输出功率功率P P增加，而且此时增加，而且此时 P P将以频率将以频率2f2f变化变化第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术24图图(4-11) (4-11) 不同同位素对兰姆凹陷的影响不同同位素对兰姆凹陷的影响4. 4. 注意事项注意事项l第一、激光器的激励电源是稳压和稳流的。第一、激光器的激励电源是稳压和稳流的。l第二、氖的不同同位素
18、的原子谱线中心有一定频差。第二、氖的不同同位素的原子谱线中心有一定频差。l第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率大小有关。第三、频率的稳定性与兰姆凹陷中心两侧的斜率大小有关。第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术254.2.4 4.2.4 饱和吸收法稳频饱和吸收法稳频1.1.饱和吸收法稳频的示意装置如图饱和吸收法稳频的示意装置如图4 4- -1212所示。所示。 2.2.与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线上也有一个吸收凹陷，如图上也有一个吸收凹陷，如图4 4- -1313所示所示 图4-12 饱和吸收法稳频的装置
19、示意图图4-13 吸收介质的吸收曲线3.3.由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中心形成的凹陷比激光管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。心形成的凹陷比激光管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术264.4.激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单程增益中的单程增益 和吸收管中的单程吸收和吸收管中的单程吸收 的差，即的差，即 )(G)(A)()()(AGG净l如图如图4 4- -14(a)14(a)，只有频率调到，只有频率调到 附近激光才能
20、振荡。附近激光才能振荡。 0l如图如图4 4- -14(b)14(b)，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。 图图(4-14) (4-14) 反转兰姆凹陷反转兰姆凹陷|了解基本的稳频方法了解基本的稳频方法本节重点：本节重点： 第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术284.3 4.3 第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术294.3.1 4.3.1 高斯光束通过薄透镜时的变换高斯光束通过薄透镜时的变换1. 1. 透镜的成像公式：透镜的成像公式： ，注意参数的正负。，注意参数的正负。薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率半径。薄透镜的作用是改变光波波阵面的曲率
21、半径。 fss1112. 2. 从光波的角度看，规定发散球面波的曲率半径为正，会聚球从光波的角度看，规定发散球面波的曲率半径为正，会聚球面波的曲率半径为负，则如图面波的曲率半径为负，则如图4-154-15所示，成像公式可改写为：所示，成像公式可改写为：fRR111 图图4-15 球面波通过薄透镜的变换球面波通过薄透镜的变换第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术30实际问题中，通常实际问题中，通常 和和 是已知的，此时是已知的，此时 ，则入射，则入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别为：光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别为：0ssz 0)(1 220ssR2200)(1s3.
22、 3. 将透镜的变换应用到高斯光束上。如图所示，有以下关系：将透镜的变换应用到高斯光束上。如图所示，有以下关系：fRR111图图4-16 4-16 高斯光束通过薄透镜的变换高斯光束通过薄透镜的变换第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术314. 4. 由由 和和式可求得出射光束在镜面处的波阵面半径式可求得出射光束在镜面处的波阵面半径 和有效截和有效截 面半径面半径 。R2200220)s(1)s(1sR这样我们可以通过入射光束的这样我们可以通过入射光束的 、 来确定出射光束的来确定出射光束的 、 了了。0s0s2200220)s(1)s(1 sRf1R1R1图4-16 高斯光束通过薄透镜的变
23、换)f , s ,(hR022220)R(122)R(1Rs)f , s ,(g0第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术320s0sfRR111高斯光束特性公式对高斯光束的薄透镜变换要考虑到高斯光束的束腰位置及束腰半径对高斯光束的薄透镜变换要考虑到高斯光束的束腰位置及束腰半径第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术33(1) (1) 短焦距：即短焦距：即fR 4.3.2 4.3.2 高斯光束的聚焦高斯光束的聚焦1.1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形(2) (2) 短焦距时短焦距时fRf1fRfffs)(1 22fR 12222)f(1 f)R(1
24、Rs1f2第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术34(3) (3) 在满足条件在满足条件 和和 的情况下，出的情况下，出射的光束聚焦于透镜的焦点附近。如图射的光束聚焦于透镜的焦点附近。如图4-174-17所示，这与几何光所示，这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。fR 12f图图4-17 4-17 短焦距透镜的聚焦短焦距透镜的聚焦第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术35(4) (4) 由前面的结论可得：由前面的结论可得：f01ffRfR212222222222220)f(1)f( )f(1)f()f(1f0第四章第四章 激光
25、的基本技术激光的基本技术36(5) (5) 即缩短即缩短 和加大和加大 都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的。都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的。f0fl前一种方法就是要采用焦距小的透镜前一种方法就是要采用焦距小的透镜l 后一种方法又有两种途径：一种是通过加大后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s s来加大来加大 ；另；另一种办法就是加大入射光的发散角从而加大一种办法就是加大入射光的发散角从而加大 ，加大入射光加大入射光的发散角又可以有两种做法的发散角又可以有两种做法 ，如图，如图4-184-18和图和图4-194-19图图4-18 用凹透镜增大用凹透镜增大后获得微小的后获得微小的0图图4-19 用两
26、个凸透镜聚焦用两个凸透镜聚焦2200)s(1022第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术37(6)22000)s(1fl这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。l不论是求聚焦点的位置，还是求会聚光斑的大小，都可以在不论是求聚焦点的位置，还是求会聚光斑的大小，都可以在 一定的条件下把高斯光束按照几何光学的规律来处理一定的条件下把高斯光束按照几何光学的规律来处理1)s( )s(1fs)s(1f22022002022000fssf00s ssf 00第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术382.2.入射高斯光束的腰到透镜的距离入射高斯光束的腰到
27、透镜的距离s s等于透镜焦距等于透镜焦距f f的情形的情形(1)s(1 sRfs220220022220)s(1)R(1Rs)f(1 fRf1R1R1)f(1 fR220fs 2.2.入射高斯光束的腰到透镜的距离入射高斯光束的腰到透镜的距离s s等于透镜焦距等于透镜焦距f f的情形的情形第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术39(2)(2)同理有：同理有：2200)s(1fs(3)(3)根据高斯光束的渐变性可以设想，只要根据高斯光束的渐变性可以设想，只要 s s 和和 f f 相差不大，相差不大， 高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。
28、00f222202202200)R(1)f(1 fR)f(1反比关系反比关系第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术404.3.3 4.3.3 高斯光束的准直高斯光束的准直1.1.高斯光束的准直：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。高斯光束的准直：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。2.2. 可以看出，增大出射光束的束腰就可以缩小光束可以看出，增大出射光束的束腰就可以缩小光束 的发散角。的发散角。022 00f s ssf00需要缩小入射光束束腰半径0第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术4100122101200201022 222MffMMffffff 3.3.选用两个透镜，短焦距的
29、凸透镜和焦距较长的凸透镜可以选用两个透镜，短焦距的凸透镜和焦距较长的凸透镜可以 达到准直的目的。达到准直的目的。 图图(4-20) 倒装望远镜系统压缩光束发散角倒装望远镜系统压缩光束发散角MM是高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。是高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。M M是倒置是倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。由于望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。由于f f2 2f f1 1，所以，所以M M1 1。 又由于又由于 0 0，因此有，因此有M M M M 1 1 ” ” n nt t( (阈值粒子反阈值粒子反转数转数) )，因此受激辐射增强非常，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质
30、存储的能量在迅速，激光介质存储的能量在极短的时间极短的时间内转变为受激辐射内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。值功率很高的窄脉冲。第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术704.6.2 调调Q原理原理采用某种办法使采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q 值值状态状态，这时激光振荡的阈值很高，粒子数反转即使积累到很，这时激光振荡的阈值很高，粒子数反转即使积累到很高水平也不会产生振荡；当粒子密度反转数达到其峰值时，高水平也不会产生振荡；当粒子密度反转数达到其峰值时，突然降低损耗使腔的突然降低损耗使腔的Q值增
31、大值增大，导致激光介质的增益大大超过，导致激光介质的增益大大超过阈值，极其快速地产生振荡。这时储存在亚稳态上的粒子所阈值，极其快速地产生振荡。这时储存在亚稳态上的粒子所具有的能量会很快的转换为光子能量，光子像雪崩一样以极具有的能量会很快的转换为光子能量，光子像雪崩一样以极高的速率增长，激光器便可输出一个峰值功率高、宽度窄的高的速率增长，激光器便可输出一个峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。激光巨脉冲。第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术71调调Q技术关键技术关键 动态损耗：动态损耗：Q 开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证以保证Q 开
32、关打开之前没有激光产生；开关打开之前没有激光产生； 插入损耗：插入损耗：Q 开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最最 小，一般会引入反射及散射损耗；小，一般会引入反射及散射损耗； 开关时间开关时间: Q 开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间，开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间， 将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭；能量在开关完全打开之间迅速衰竭； 同步性能同步性能: Q 开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步。开关应能够精确地控
33、制，与外界信号保持同步。 第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术72电光调电光调Q装置如图所示装置如图所示激光腔中插入起偏振片及作为激光腔中插入起偏振片及作为Q开关的开关的KD*P晶体。晶体。 电光调电光调Q装置示意图装置示意图4.6.3 电光调电光调Q主动调主动调Q技术技术磷酸二氘钾磷酸二氘钾X方向振动的线偏振光经方向振动的线偏振光经KD*P晶体后反射回来变成晶体后反射回来变成y方向振动的线偏振光方向振动的线偏振光2V第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术734.6.4 声光调声光调Q主动调主动调Q技术技术声光调声光调Q装置示意图装置示意图下图是一个声光调下图是一个声光调Q的的YAG
34、激光器的示意图。激光器的示意图。腔内插入的声光调腔内插入的声光调Q器件由声光互作用介质器件由声光互作用介质(如熔融石英如熔融石英)和键和键合于其上的换能器所构成的。合于其上的换能器所构成的。 第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术744.6.5 染料调染料调Q被动调被动调Q技术技术1. 下图是染料调下图是染料调Q激光器的示意图。它是在一个固体激光器的腔激光器的示意图。它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。内插入一个染料盒构成的。 2. 染料盒内装有可饱和染料，这种染料对该激光器发出的光有强染料盒内装有可饱和染料，这种染料对该激光器发出的光有强烈吸收作用，而且随入射光的增强吸收系数
35、减小。其吸收系数可烈吸收作用，而且随入射光的增强吸收系数减小。其吸收系数可以由下式表示：以由下式表示： 染料调Q装置示意图011sII3.3.选择染料要顾及几个方面选择染料要顾及几个方面 l染料吸收峰的中心波长应和激光波长基本吻合；染料吸收峰的中心波长应和激光波长基本吻合；lIs要适当，以便得到合适的要适当，以便得到合适的”开光开光“速度；速度；l燃料溶液要具有一定的稳定性和保存期，以利于实用燃料溶液要具有一定的稳定性和保存期，以利于实用|激光调制的概念激光调制的概念4.4-4.64.4-4.6重点：重点： |激光偏转技术（模拟偏转、数字偏转）激光偏转技术（模拟偏转、数字偏转） 实现激光偏转的
36、途径，实现激光偏转的途径，3种种|何谓激光的何谓激光的Q值，激光调值，激光调Q的原理的原理 几种调几种调Q类型类型第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术764.7 4.7 第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术77 压缩脉冲宽度压缩脉冲宽度, ,高峰值功率高峰值功率,Q,Q开关激光器一般脉宽达开关激光器一般脉宽达nsns量级量级, ,如果再压缩脉宽如果再压缩脉宽,Q,Q开关激光器已经无能为力开关激光器已经无能为力, ,但有很多实际应用需但有很多实际应用需要更窄的脉冲要更窄的脉冲.(60.(60年代后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到年代后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到psps甚甚至至fsf
37、s量级。量级。) ) 1. 1.激光测距，为了提高测距的精度激光测距，为了提高测距的精度, ,则脉宽越窄越好则脉宽越窄越好. . 2. 2.激光高速摄影激光高速摄影. .为了拍照高速运动的物体为了拍照高速运动的物体, ,提高照片的清晰度提高照片的清晰度, , 也要压缩脉宽也要压缩脉宽. . 3. 3.对一些超快过程的研究对一些超快过程的研究, ,激光核聚变激光核聚变, ,激光光谱激光光谱, ,荧光寿命的测荧光寿命的测 定定, ,非线性光学的研究等需窄的脉宽非线性光学的研究等需窄的脉宽.(.(掺钛蓝宝石自锁模激光掺钛蓝宝石自锁模激光 器中得到了器中得到了8.5fs8.5fs的超短光脉冲序列的超短
38、光脉冲序列) )。第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术784.7.1 4.7.1 锁模原理锁模原理1. 1. 非均匀增宽激光器中某一纵模电矢量大小可写成非均匀增宽激光器中某一纵模电矢量大小可写成 )()(qqtiqqeEtE则总的输出为则总的输出为 ，各纵模为非相干叠加。，各纵模为非相干叠加。qtiqqqeEtE)()(2. 2. 锁模技术锁模技术: :让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的让谐振腔中可能存在的纵模同步振荡，让各模的 频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器 输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。输出在时间
39、上有规则的等间隔的短脉冲序列。第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术793.3.设腔内有设腔内有q q- -N N，-(-(N N-1)-1)，0 0，( (N N-1)-1)，N N 共共(2N+1)(2N+1)个模式个模式，又设相邻模式的角频率之差，又设相邻模式的角频率之差 ，则，则0qq NNqqitqiEtE)(exp)(0Lc4. 4. 如各模式的振幅相等，如各模式的振幅相等，E Eq q=E=E0 0，初位相相同且为，初位相相同且为 q q=0=0，则，则 0001sin(21)()2( )1sin()2Nititiq tqNNtE tEeeEet2202sin (21)2(
40、)sin2tNI tEt第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术805. 5. 图是图是2 2N N+1+19 9个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。 l当当 时，时，m=0m=0，1 1，2 2光强最大光强最大 图图4-30 4-30 锁模光强脉冲锁模光强脉冲2tml相邻脉冲峰值间的时间间隔相邻脉冲峰值间的时间间隔 22022022sin (21)2( )lim(21)sin2tmtENI tNEt22LTcl脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔 21(21)21TNN02t
41、) 1N2sin(第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术814.7.2 4.7.2 主动主动锁模锁模1. 1. 损耗内调制锁模损耗内调制锁模 图图(4-31) (4-31) 锁模调制示意图锁模调制示意图l如图所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。设调如图所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。设调 制周期为制周期为 ，调制频率，调制频率 ( (恰为纵模频率间隔恰为纵模频率间隔) ) cLTm22Lcm2l只有通过调制器时损耗为零的光，才能不断地被放大而增长起只有通过调制器时损耗为零的光，才能不断地被放大而增长起 来，如此得到周期为来，如此得到周期为T T的窄脉冲输出，如图所示
42、。的窄脉冲输出，如图所示。 第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术82图图(4-32) (4-32) 中心频率及两边频中心频率及两边频l从模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心频从模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心频 率率 处的模首先振荡，其调制后的电矢量为：处的模首先振荡，其调制后的电矢量为：0t2cos) t2cosM1 (Et2cos) t2cosEE() t (E0m00mm0tMEtMEtEtEmm)(2cos2)(2cos22cos)(000000即在激光器中，一旦形成即在激光器中，一旦形成 的振荡，将同时激起两个相邻模的振荡，将同时激起两个相邻模式的振
43、荡，如图。式的振荡，如图。 0第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术832. 2. 相位内调制锁模相位内调制锁模 l如果在谐振腔中插入一个电光位相调制器，也可达到锁如果在谐振腔中插入一个电光位相调制器，也可达到锁 模的目的。设光振幅不变，位相以频率模的目的。设光振幅不变，位相以频率 变化，即变化，即 m) t2sint2cos(E) t (Em00)4(2cos)()4(2cos)()3(2cos)( )3(2cos)()2(2cos)()2(2cos)( )(2cos)()(2cos)(2cos)()(0404030302020101000tJtJtJtJtJtJtJtJtJEtEmmm
44、mmmmm位相调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模位相调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模。第四章第四章 激光的基本技术激光的基本技术844.7.3 4.7.3 被动锁模被动锁模 被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸 收染料的收染料的“盒盒”即可即可 染料必须具备以下几个条件：第一，染料的吸收线应和染料必须具备以下几个条件：第一，染料的吸收线应和 激光波长很接近；第二，吸收线的线宽要大于或等于激激光波长很接近；第二，吸收线的线宽要大于或等于激 光线宽；第三，其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次光线宽；第三，其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次 的时间，否则就成为被动调的时间，否则就成为被动调Q Q激光器了。激光器了。 |激光锁模的原理激光锁模的原理本节重点：本节重点： |激光锁模有哪些主要方式激光锁模有哪些主要方式作业：作业： 8 8，9 9