1、1 1第七章第七章 激光器特性的控制與改善激光器特性的控制與改善7.1 7.1 模式選擇模式選擇 7.2 7.2 頻率穩定頻率穩定7.3 Q7.3 Q調制調制 7.4 7.4 注入鎖定注入鎖定7.5 7.5 鎖模鎖模模式選擇、穩頻及注入鎖定技術：模式選擇、穩頻及注入鎖定技術：改善激光器輸出光的 時間相性或空間相干性。Q Q調制、鎖模、增益開關及腔倒空技術：調制、鎖模、增益開關及腔倒空技術：獲得窄脈沖高峰值功率的激光束。 本章介紹以上控制與改善激光器特性的各種技術的原理及其理論。2 27.1 模式選擇模式選擇7.1 7.1 模式選擇模式選擇一、橫模選擇一、橫模選擇諧振腔中不同橫模具有不同的損耗是

2、橫模選擇的物理基礎。諧振腔中不同橫模具有不同的損耗是橫模選擇的物理基礎。激光器以TEM00模單模運轉的充分條件是: TEM00模的單程增益至少應能補償它在腔內的單程損耗，即應有：0001 200117.1.1g lerr 而損耗高于基模的相鄰橫模(如TEM10模)，卻應同時滿足0101 210117.1.2g lerr 在各個橫模的增益大體相同的條件下，不同橫模間衍射損耗的差別就是進行橫模選擇的根據。因此，必須盡量增大高階橫模與基模的衍射損耗比，10/00越大，則橫模鑒別力越高。同時還應使衍射損耗在總損耗中占有足夠的比例。3 37.1 模式選擇模式選擇 衍射損耗的大小及模鑒別力的高低與諧振腔的

3、腔型和菲涅耳數有關。如圖7.1.1和圖7.1.2 橫模選擇的幾種具體方法：橫模選擇的幾種具體方法： 1.小孔光闌選模：小孔光闌選模：實質是使光斑尺寸較小的基模無阻擋地通過小孔光闌，而光斑尺寸較大的高階橫模卻受到阻攔而遭受較大的損耗。常采用聚焦光闌法。聚焦光闌法。4 47.1 模式選擇模式選擇 2.諧振腔參數諧振腔參數g、N選擇法：選擇法：適當選擇諧振腔的類型和腔參數g、N值，使諧振腔的衍射損耗滿足式(7.1.1)與式(7.1.2) ，可使激光器輸出基橫模激光束。3.非穩腔選模：非穩腔選模：非穩腔是高損耗腔，不同橫模的損耗有很大差異，利用非穩腔在高增益激光器中選擇橫模的方法被廣泛采用。4.微調諧

4、振腔：微調諧振腔： 對于平面腔，當腔鏡傾斜時傾斜時基模損耗增加最顯著，腔的偏調有利于高階模的優先振蕩。對于穩定腔，由于基模體積最小而高階模的體積較大，當腔鏡發生傾斜時，高階橫模損耗顯著增大，基模受到的影響較小，因而仍可繼續維持振蕩。這樣，適當將腔鏡傾斜就可以抑制高階橫。5 57.1 模式選擇模式選擇二、縱模選擇二、縱模選擇 諧振腔中不同縱模有著相同的損耗，但由于頻率的差異而具有不同的小信號增益系數。擴大和充分利用相鄰縱模間的增擴大和充分利用相鄰縱模間的增益差，或人為引人損耗差是進行縱模選擇的有效途徑益差，或人為引人損耗差是進行縱模選擇的有效途徑。具體方法如下: 1.短腔法短腔法7.1.32qo

5、sccL 模間隔 式中 為由g0()/l條件決定的振蕩帶寬。這一方法適用熒光譜線較窄的激光。q 縮短諧振腔長度，可增大相鄰縱模間隔，以致在熒光譜線有效寬度內，只存在一個縱模，從而實現單縱模振蕩。6 67.1 模式選擇模式選擇 2.行波腔法行波腔法 駐波腔中空間燒孔空間燒孔的存在，當激勵足夠強時，激光器出現多縱模振蕩。若采用環行腔，并在腔內插入一個只允許光單向通過的隔離器，如圖7.1.5所示，則可形成無空間燒孔的行波腔，從而實現單縱模振蕩。 3.選擇性損耗法（圖選擇性損耗法（圖7.1.6） 若在腔內插入標準具或構成組合腔，則由于多光束干涉效應，諧振腔具有與頻率有關的選擇性損耗，損耗小的縱模形成振

6、蕩，損耗大的縱模則被抑制。7 77.1 模式選擇模式選擇8 87.2 頻率穩定頻率穩定7.2 7.2 頻率穩定頻率穩定當諧振腔內折射率均勻時，單縱模單橫模激光器的縱模頻率q為：2qcqL頻率q在一定的范圍內漂移：qqqLLLL (7.2.1) 定義定義:頻率穩定度 來描述激光器的頻率穩定特性，它表示在某一測量時間間隔內頻率的漂移量|與頻率的平均值之比。/ 為了改善頻率穩定性通常采用電子伺服控制激光頻率，當激光頻率偏離標準頻率時，鑒頻器給出誤差信號控制腔長，使激光頻率自動回到標準頻率上。 本節將介紹蘭姆凹陷穩頻、塞曼穩頻、飽和吸收穩頻及無源腔穩頻等四種穩頻方法的原理。9 97.2 頻率穩定頻率穩

7、定頻率穩定特性包含：頻率穩定特性包含：頻率穩定性及頻率復現性頻率穩定性描述激光頻率在參考標準頻率vs附近的漂移；頻率復現性指參考標準頻率vs本身的變化 。/sss一、蘭姆凹陷穩頻一、蘭姆凹陷穩頻 蘭姆凹陷法以增益曲線中心頻率。為參考標準頻率，電子伺服系統通過壓電陶瓷控制激光器的腔長，使頻率穩定于0。10107.2 頻率穩定頻率穩定 蘭姆凹陷法穩頻可獲優于蘭姆凹陷法穩頻可獲優于10-9頻率穩定性，由于譜線中心頻率頻率穩定性，由于譜線中心頻率。隨激光器放電條件而改變，頻率復現性僅達隨激光器放電條件而改變，頻率復現性僅達10-710-8。，這種激。，這種激光器的輸出激光的光強和頻率均有微小的音頻調制

8、。光器的輸出激光的光強和頻率均有微小的音頻調制。11117.2 頻率穩定頻率穩定二、賽曼穩頻二、賽曼穩頻 利用塞曼效應穩頻的方法可分為縱向塞曼穩頻(外磁場方向與激光管軸線平行)、橫向塞曼穩頻及塞曼吸收穩頻(利用腔內吸收介質的塞曼效應穩頻)等三種。12127.2 頻率穩定頻率穩定 加磁場后，光譜線發生塞曼分裂，加磁場后，光譜線發生塞曼分裂，沿著磁場方向觀察時，譜線分裂為中心頻率為0右的右旋圓偏振光以及中心頻率為0右的左旋圓偏振光。 隨著光譜線的分裂，增益曲線和色散曲線也發生分裂，如圖7.2.6所示。13137.2 頻率穩定頻率穩定 如果無源腔頻率0q=。，塞曼分裂后的有源腔頻率對稱地分布于0的兩

9、側，左旋光與右旋光具有相同的小信號增益系數，并因此具有相等的輸出光強。若0q不等于。，則左旋光光強不等于右旋光光強。 雙頻激光器穩頻的方法之一，就是測出二圓偏振光輸出功率之差值，以此作為鑒頻的誤差信號，再通過伺服控制系統控制激光器腔長。 雙頻穩頻激光器的頻率穩定性可達10-1010-11，頻率復現性為10-710-8。三、飽和吸收穩頻三、飽和吸收穩頻14147.2 頻率穩定頻率穩定 由于(1)1曲線的尖銳凹陷，激光器輸出功率在。處出現一個尖銳的尖峰，稱為反蘭姆凹陷，如圖8.2.9(b)所示。利用反蘭姆凹陷，可使激光器的頻率穩定在。，其穩頻系統與蘭姆凹向法類似。15157.2 頻率穩定頻率穩定四

10、、無源腔穩頻四、無源腔穩頻 圖7.2.10是利用法-布羅干涉儀穩定半導體激光器運行頻率的示意圖。激光頻率的變化將引起透過法-布羅干涉儀光功率的變化。 利用與蘭姆凹陷穩頻類似的鑒頻方法得到的誤差信號，控制激光二極管的溫度、激勵電流或外腔激光器的腔長可使激光頻率穩定于法-躪干涉儀的最佳透過頻率。 將多個激光器穩定于不同級次的透過峰頻率上，可得到頻率間隔固定的多路激光，它可用作頻分復用光通信的發射光源。16167.3 Q調制調制7.3 Q7.3 Q調制調制一、一、Q Q調制激光器基本工作原理調制激光器基本工作原理想想脈沖激光器輸出尖峰序列的過程？想想脈沖激光器輸出尖峰序列的過程？ Q調制技術基本原理

11、：通過某種方法使諧振腔的損耗(或Q值)按照規定的程序變化,在泵浦激勵剛開始時,先使光腔具有高損耗H,激光器由于閾值高而不能產生激光振蕩,于是亞穩態上的粒子數便可以積累到較高的水平。然后在適當的時刻,使腔的損耗突然降低到,閾值也隨之突然降低,此時反轉集居數大大超過閾值,受激輻射極為迅速地增強。于是在極短時間內,上能級儲存的大部分粒子的能量轉變為激光能量,在輸出端有一個強的激光巨脈沖輸出。 采用調Q技術很容易獲得峰值功率高于兆瓦和脈寬為幾十毫秒的窄激光脈沖，脈寬為幾十毫微秒的激光巨脈沖。17177.3 Q調制調制 凡能使諧振腔損耗發生突變的元件都能用作Q開關，常用的調Q方法:轉鏡調Q、電光調Q 、

12、聲光調Q與飽和吸收調Q等。前三種方法中諧振腔損耗由外部驅動源控制制，稱為主動調Q；后一種諧振腔損耗取決于腔內激光光強，因此稱為被動調Q。二、二、Q Q調制方法調制方法 某些晶體在外加電場作用下，其折射率發生變化，使通過晶體的不同偏振方向的光之間產生位相差，從而使光的偏振狀態發生變化的現象稱為電光效應。其中折射率的變化和電場成正比的效應稱為普克爾效應；折射率的變化和電場強度平方成正比的效應稱為克爾效應。電光調Q就是利用晶體的普克爾效應來實現Q突變的方法。 1.電光調Q18187.3 Q調制調制 如果在某一時刻,突然撤去電光晶體兩端的電壓,則諧振腔突變至低損耗、高Q值狀態,于是形成巨脈沖激光。 2

13、.聲光調Q 當聲波在某些介質中傳播時，該介質會產生與聲波信號相應的、隨時間和空間周期變化的彈性形變，從而導致介質折射率的周期變化，形成等效的位相光柵，其光柵常數等于聲波波長s，光束射經此介質時發生衍射，一部分光偏離原來方向。19197.3 Q調制調制 聲光開關置于激光器中，在超聲場作用下發生衍射，由于一級衍射光偏離諧振腔而導致損耗增加，從而使激光振蕩難形成，激光高能級大量積累粒子。若這時突然撤除超聲場，則衍射效應即刻消失，諧振腔損耗突然下降，激光巨脈沖遂即形成。 3.被動調Q 將飽和吸收體放在諧振腔中，泵浦過程開始時，由于其吸收系數大，諧振腔損耗很大激光器不能起振。隨著激光工作物質中反轉集居數

14、的積累，放大的自發輻射逐漸增加，當光強與飽和吸收體的Is可比擬時，吸收系數顯著減少。當這一過程發展到一定程度時單程增益等于單程損耗，激光器開始起振。 隨著激光強度的增加，飽和吸收體的吸收系數又繼續下降，而這又促使激光更迅速地增加，于是產生了受激輻射不斷增長的雪崩過程，當激光光強增加至可與增益介質的飽和光強可比擬時，增益系數顯著下降，最終導致激光熄滅。20207.3 Q調制調制三、調三、調Q Q激光器基本理論激光器基本理論1. 調Q激光器的峰值功率（7.3.7）2. 巨脈沖能量（ 7.3.8 ）、（7.3.9）3. 巨脈沖的時間特性四、脈沖透射式調四、脈沖透射式調Q Q（腔倒空）（腔倒空） 以上

15、討論的Q調制方式屬于工作物質儲能調Q，即在低Q值狀態下激光工作物質的上能級積累粒子，當Q值突然升高時形成巨脈沖振蕩，同時輸出光脈沖，如圖7.3.7(a)所示，上述方式稱作脈沖反射式調Q。21217.3 Q調制調制 圖8.3.7(b)示出另一種諧振腔儲能調Q過程。諧振腔由全反射鏡M1和可控反射鏡M2組成。 t0時，M2鏡全反射，諧振腔處于高Q值狀態，激光器振蕩但無輸出，激光能量儲存于諧振腔中。 t=0時，控制M2鏡使其透射率達100%，儲存于腔內的激光能量迅速逸出腔外，于是輸出一巨脈沖。這種調Q方式稱作脈沖透射式調Q或腔倒空。22227.4 注入注入鎖定鎖定7.4 7.4 注入鎖定注入鎖定 用一

16、束弱的、性能優良的激光束控制一個強激光器輸出光束的光譜特性、模式相位特性及空間特性，即激光注入鎖定注入鎖定技術。注入鎖定現象可分為兩類注入鎖定現象可分為兩類:連續激光器的注入鎖定:在一連續激光振蕩器中注入一弱的單色激光信號，若注入光信號頻率1足夠接近激光器的自由振蕩頻率，則激光振蕩可完全為注入信號控制，激光器振蕩模式的頻率躍變為1，相位與注入信號同步。脈沖激光器的注入鎖定:在調Q或增益開關激光器啟動過程中注人一弱信號，可使頻率與注入信號頻率最接近的模式優先起振，其他模式被抑制，實際上激光振蕩并未被注入信號真正鎖定，激光頻率仍為激光器自由振蕩的頻率。23237.4 注入注入鎖定鎖定注入鎖定的實際

17、意義：注入鎖定的實際意義： 利用注入鎖定，可由一個功率較小、但窄線寬、單模運轉、頻率穩定的激光器來控制一個高功率或動態調治激光器的光束質量。與可達到同樣目的的光放大技術相比，具有功率轉換效率高、裝置小等優點。 注入鎖定不僅能影響激光器的頻域特性，也可用于控制激光器模式的相位特性或空間特性。24247.4 注入注入鎖定鎖定7.5 7.5 鎖模鎖模用鎖模技術可以得到更窄的脈沖。一、鎖模原理一、鎖模原理 使各振蕩模式的頻率間隔保持一定,并具有確定的相位關系,則激光器將輸出一列時間間隔一定的超短脈沖，這種激光器稱為鎖模激光器。如果相鄰模式的初位相之差保持一定，稱為相位鎖定相位鎖定。 設腔內有q=-N,-(N-1),0,(N-1)N等(2N+1)個模式振蕩。如果相鄰模式相位鎖定相位鎖定，z0