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1、激光器的工作和输出特性由于激活腔内光强分布不均匀，精确计算腔内各点光强是个复杂的问题。本节由增益饱和效应出发估算稳态工作时的腔内平均光强，并在此基础上给出粗略估算输出功率的方法。连续激光器的输出功率n按照工作方式不同，激光器分为两类:连续激光器、脉冲激光器。以不间断方式输出激光即为连续式，每间隔一段时间才输出一次即为脉冲式n本章的内容：一、连续激光器的输出功率、振荡模式特性和模式选择二、脉冲激光器的尖峰和驰豫振荡、调Q和锁模的基本原理第1页/共37页激光器的工作和输出特性如果腔内某一振荡模式的频率为n nq，开始时，G(n(nq,I,In nq)Gt，腔内光强In nqh h。当In nq增至
2、一定值时，出现增益饱和效应，随Iqh h，G(n nq,In nq)i i，直到降至G(n nq,In nq)=Gt，增益和损耗达到平衡，Iq不再增加。这时，激光器建立了稳定工作状态。连续激光器的输出功率但是，不管激发强或弱，稳态工作时激光器的信号增益系数总是等于Gt！当外界激发作用增强时，小信号增益系数G0(n n)增大，即饱和光强增大，此时In nq必须增加到一个更大的值才能出现增益饱和效应，使G(n nq,In nq)降低到Gt并建立起稳定工作状态，因此激光器的输出功率增加。n激光器的稳定输出状态是如何建立起来的?n如何增大激光器的输出功率?第2页/共37页激光器的工作和输出特性均匀加宽
3、单模激光器的输出功率n均匀加宽放大器的增益系数为：n腔内均匀加宽介质中建立起的稳态光强为：n从激光器中输出的激光束光强为：第3页/共37页激光器的工作和输出特性均匀加宽单模激光器的输出功率n从激光器中输出的激光束功率为：A是输出截面积n激光器的激光输出功率与泵浦速率的关系：第4页/共37页激光器的工作和输出特性非均匀加宽单模激光器的输出功率n非均匀加宽单模激光器的输出功率为：n多普勒加宽放大器的增益双烧孔效应：n腔内非均匀加宽介质中建立起的稳态光强为：In nq分别与运动方向相反的两组原子相互作用，引起增益饱和，出现“双烧孔”。第5页/共37页激光器的工作和输出特性多普勒加宽单模激光器的输出功
4、率兰姆凹陷n当振荡模频率n nqn n0时,I+和I-与同一类原子相互作用，同时参与了该类原子的增益饱和，对增益饱和起作用的光强In n0 I+I-=2I+。n当振荡模频率n nqn n0时,I+和I-两束光在增益曲线上分别烧两个孔，对每一个孔起饱和作用的分别是I+或I-，对增益饱和起作用的光强In nq I+。第6页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择激光器的纵模频谱分布n激光器的可能起振的振荡纵模数：n振荡阈值条件决定振荡频率范围DnDnosn谐振腔的纵模频率：n增益曲线决定被放大光的频率范围DnDn第7页/共37页激光器的工作和输出特性激光
5、器中的模竞争激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择n增益曲线均匀饱和引起的自选模作用：多个满足阈值条件的纵模在振荡过程中互相竞争,结果总是靠近中心频率v0的一个纵模得胜,形成稳定振荡,其他纵模都被抑。第8页/共37页激光器的工作和输出特性均匀加宽激光器中的模竞争激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择n增益的空间烧孔效应：由于谐振腔内的驻波场分布，使得增益系数沿轴向呈现出不均匀分布。n若存在另一非优势纵模，其腔内光强波腹分布与优势模的波节重合，而获得较高的增益,从而形成较弱的振荡。由于轴向空间烧孔效应,不同纵模可以使用不同空
6、间的激活粒子而同时产生振荡,这一现象叫做纵模的空间竞争。第9页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择激光器的模式选择模式选择的目的：减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。n横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同。基横模光强是高斯形，光场分布均匀，发散角最小。随着横模序数的增加，光场的范围加大，分布不均匀，发散角越来越大。一般激光器中有很多模式振荡，实际的光场分布是复合模。为了改善激光的方向性，必须选出基横模。n模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。n纵模：
7、沿腔轴线方向电磁场的本征态。纵模数表示激光振荡频率数，纵模数多，单色性差。单一纵模单色性最好。第10页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择横模选择选模原理：采取一定的办法加大基模和高阶横模衍射损耗的差别，使高阶横模的损耗大于增益不能振荡，而基模满足阈值条件，保存下来，达到选出基横模的目的。n横模选择方法：1.在谐振腔内加置限模光阑：小孔小孔光栏法聚焦光栏法第11页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择横模选择n横模选择方法：3.腔参数选择法：利用衍射损耗来进
8、行选模2.腔镜微倾斜：偏折损耗和透射损耗之比大则高阶模的损耗大，对选模有利。第12页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择纵模选择技术n短腔法选纵模 原理:利用减少腔长的办法增加纵模频率间隔当DnDnqDnDnos 时，实现单模振荡。特点：结构简单，无插入损耗，只需缩短腔长即可实现单模。输出功率减小，L小，工作物质尺寸小，模体积小，输出功率小。只适用于增益介质线宽DnDng窄的气体激光器中。第13页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择纵模选择技术-法布里珀罗
9、标准具选纵模nF-P透射带宽:n选模原理：实现单一纵模的条件L激光工作物质a.标准具只有一个透射峰落在介质的增益线宽之内DnDnm0.5DnDnos b.标准具一个透射峰内只包含一个纵模，DnDnq 0.5dndn 第14页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择激光器的振荡模式和模式选择纵模选择技术-复合腔选纵模 n利用干涉仪的反射特性进行选模,干涉仪既作选模又作激光器输出镜。干涉仪的反射率是频率的函数，不同频率的光反射率不同。LD第15页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性1.腔外调制：光开关或调制器
10、置于连续激光器输出端，使光在短时间间隔内通过；效率低、脉冲光的峰值功率低于连续激光器本身的稳定值2.腔内调制：光开关或调制器置于激光器腔内，调节能量的存储与输出，能够获得 极高的峰值功率。脉冲激光器n脉冲激光器可以获得窄脉宽、高峰值功率的激光束。锁模：将同时振荡的多个纵模相互间实现相位锁定并相互耦合n四种腔内调制脉冲激光器：增益开关：通过开关泵浦源控制增益Q开关：腔内放置被调制的吸收体来控制腔内损耗，能量存储在反转原子中腔倒空：通过改变输出镜透射率控制腔内损耗，能量存储在腔内n获得脉冲激光束的方法：第16页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性n
11、一个短脉冲的生成过程可以分成四个阶段。如图所示:激光尖峰形成的物理过程t=t4,D Dn(t)的消耗速率与累积速率平衡，达到极小值t=t1，激光开始产生tt1,累积腔内光子数t=t2,D Dn(t)的累积速率与消耗速率平衡，达到极大值tt2,增益饱和，D Dn(t)i it=t3,腔内光子数达到极大值tt3,腔内光子数纯消耗，急剧减少tt4,光子数逐渐消耗至最小，反转粒子数开始累积第17页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性调Q Q激光器的工作原理分析n调Q Q原理：泵浦开始时，增大损耗，使振荡难以形成，从而使上能级的反转粒子数密度增大，当积累
12、达到最大值时，突然使谐振腔损耗变小，于是Q Q值突增，在腔内以极快的速度建立极强的振荡，输出极强的激光脉冲，称为激光巨脉冲或调Q Q脉冲。第18页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性调Q Q技术的过程a.激活介质贮能 满足条件Gld d。由于d d很大,振荡阈值很高，不能产生激光振荡能量贮存在激活介质b.b.激活介质谐振腔组合贮能先使反转粒子数达到最大值，但满足Gmaxld d，产生激光振荡，能量以光子的形式贮存在腔内。条件：Gld d,d d减小到d dmin,因为增益最大，所以d dmin小时，激光迅速建立，在极短的时间内，工作物质贮能通过
13、光子的受激辐射过程释放出来，形成巨脉冲。n能量贮存过程n激光产生与输出过程 调Q的过程：调节d d，相当于Q是一个门，关上门，Q低贮能，打开门产生激光。第19页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性实现调Q的方法电光调n反射式Q Q开关原理：利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，改变Q Q值。第一阶段:在晶体上加Vl/2l/2,偏振光通过KDP晶体后振动方向旋转90度，不能通过P，称为“关门”状态。P1/P2第二阶段：在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值时，突然退去晶体上的电压，光在腔内形成振荡。u由于激光的形成和输出同时进行，因此脉冲
14、宽度的压缩受了限制。第20页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性实现调Q的方法电光调n透射式Q开关当工作物质储能达到最大值时，在晶体上加Vl l/2，输出端无透射，光振荡迅速形成KDP晶体上不加电压，输出端无反射，反转粒子数累积撤去晶体上所加电压，光能瞬间输出。第21页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性实现调Q的方法声光调n晶体的声光原理：声光介质在超声波的作用下，折射率发生周期性的变化，使介质变成正弦相位光栅，当光束通过声光介质时会产生布喇格衍射，衍射光相对于级光有q q角的偏离。n声光调Q
15、原理工作物质反射镜反射镜声光介质第22页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性nQ开关激光器一般脉宽达10-8s-10-9s量级短脉冲n锁模技术一般脉宽达10-12s-10-13s量级超短脉冲 想要更短的脉冲第23页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性多模激光器的输出特性各振荡模的振幅和相位无规则分布输出的光强是各个纵模无规叠加,总光强的平均值是各纵模光强之和的1/2。Eq-中心频率处的振幅大，远离中心频率处的振幅小，且它们之间变化无规律。f fq-各模的初相位，在-p p到p p之间分布。对于不
16、同的时间，每个模的振幅和相位也有变化，f fq随时间漂移。第24页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性锁模原理n锁模:使各相邻模之间的相位固定，使各模变成时间相干波。各纵模频率间隔相等并固定DnDnq=c/2L各模振动方向或方式相同-激光器的固有性质设法使各模之间的相差固定f fq+1-f fq=常数n多纵模锁定后的激光输出：u定义中心频率的纵模q0，在腔内参与振荡的模式个数共2N1个各模间隔相同，锁模后有f fq+1-f fqb b第25页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性设各纵模的振幅相等
17、，则激光器输出的总光波场是2N1个纵模相干迭加的结果：n多纵模锁定后的激光输出：(a)2N+1个模式经过锁定以后，总的光波场变为频率为w w0的单色调幅波，振幅A(t)是随时间变化的周期函数，即总光波场受到振幅调制。(b)光强I(t)正比于A(t)2,是时间的函数，光强受到调制。(c)光脉冲包括2N+1个纵模。锁模输出的光强第26页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性锁模输出的光强nA(t)的变化规律:只要得到A(t)的周期、极值、零点。变化周期为T=2L/c，在一个周期内有2N个零点和2N+1个极值点2N-2个介于Amax与Amin之间的次极
18、大值。t=0 和t=2L/c时，Amax=(2N+1)E0第27页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性锁模激光器的输出特性激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。2L/c 光在腔内往返一次的时间,相当于在腔内只有一个脉冲在振荡每个脉冲宽度近似等于振荡线宽的倒数，增益线宽越宽，锁模脉宽越窄。被锁定的纵模数越多2N1t t 脉冲的峰值功率 输出脉冲的峰值功率P正比于(2N+1)2E02在锁模过程中，各模之间发生功率耦合，不再独立。锁模的结果是输出序列的脉冲，脉宽窄，峰值功率高，脉冲的能量是所有相位固定的纵模提供的.第28页/共37页激光器
19、的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性n纵模锁定的方法主要有主动锁模，被动锁模，自锁模锁模的方法n主动锁模：在激光腔内插入一个调制器，用一定的调制频率周期性地改变谐振腔内振荡模的振幅或相位。当调制器的调制频率精确地等于纵模间隔时，对各个模的调制会产生边频，其频率与两个相邻纵模的频率一致。n以声光调制器的振幅调制锁模为例：设调制信号：损耗变化的频率为调制信号频率的两倍,调制器的透过率：假定调制前腔内光场通过调制器后的光场变为第29页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性锁模的方法n中心频率调制的结果是使与它相邻的两个
20、纵模振荡。n锁模的关键，必须使腔内损耗的变化频率和腔内纵模频率间隔相等。n调制频率W W等于激光振荡纵模的频率间隔n调制的过程继续下去，直到在激光线宽内所有纵模振荡为止。这些模式的相位相同符合锁模条件。第30页/共37页激光器的工作和输出特性激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性脉冲激光器的特性锁模的方法n锁模的关键，必须使腔内损耗的变化频率和腔内纵模频率间隔相等。第31页/共37页激光器的分类按工作物质分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子激光器。按运转方式分类：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、稳频激光器、可调谐激光器、单模激光器、多模激光器、锁模激光器、Q
21、开关激光器。按激光波长分类：红外光激光器、可见光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器、X射线激光器、g g射线激光器。按泵浦方式分类：电激励激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、光参量激光器、热能激励激光器、化学激光器、拉曼自旋反转激光器。按谐振腔结构分类：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器、折叠腔激光器、光栅腔激光器、光纤激光器、波导激光器、分布反馈激光器。第32页/共37页He-Ne激光器（1960年）n工作物质：He原子和Ne原子(5:1)混合组成的中性原子气体He原子与电子碰撞，形成激发态原子He*由于He He*原子间无法形成光辐射跃迁，所以He*处于亚稳态，不断累积能量。激发态He
22、*原子与基态Ne原子碰撞，将能量转移给Ne原子形成激发态Ne*原子。Ne*原子形成粒子布居反转。1s22s22p55s1 2p53p1，输出激光 632.8nm气体激光器气体激光器n工作原理（632.8nm谱线）：n2p55s1、2p54s1含有4个子能级，2p54p1、2p53p1含有10个子能级，辐射谱线有一定带宽，He-Ne激光器的输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um 第33页/共37页n工作原理：a.电子碰撞直接激发b.激发态He原子的能量共振转移b过程的激发速率是a过程80倍n从2p53s1 态无法通过光辐射形式回到原子基态，只能通过与管壁碰撞来放出能量回到基态，所以要求放电管很细，一般是毛细管。n主要特点：光束质量好，发散角可小于1mrad；单色性好，带宽可小于20Hz；输出功率和频率稳定度高；结构简单紧凑。He-Ne激光器气体激光器气体激光器第34页/共37页光纤放大器Erbium Doped Fiber Amplifier(EDFA)nEr3+（铒离子）注入光纤纤芯区域，其工作波段恰好落在光纤通信的最佳波长区（.mm）固体激光器固体激光器第35页/共37页光纤放大器Erbium Doped Fiber Amplifier(EDFA)nEDFA的工作原理第36页/共37页感谢您的观看！第37页/共37页