1、 光電子技術(shù)基礎與應用 第一章 激光原理與技術(shù) 第一講物理與微電子科學學院School of Physics and MicroelectronicsScience 2016 年 3 月第五章第五章 光調(diào)制技術(shù)光調(diào)制技術(shù)光信息系統(tǒng)的信號加載與控制（八、九、十講）光信息系統(tǒng)的信號加載與控制（八、九、十講） 第七章第七章 光電顯示技術(shù)光電顯示技術(shù)（十三、十四、十五講）（十三、十四、十五講） 第九章第九章 光盤與光存儲技術(shù)光盤與光存儲技術(shù)（二十、二十一、二十二講）（二十、二十一、二十二講）第八章第八章 光通信無源器件技術(shù)光通信無源器件技術(shù)（十六、十七、十八、十九講）（十六、十七、十八、十九講）1第二

2、章第二章 光學基礎知識與光場傳播規(guī)律光學基礎知識與光場傳播規(guī)律（二講）（二講） 2第三章第三章 激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)（三、四、五講）（三、四、五講） 3第四章第四章 光波導技術(shù)基礎光波導技術(shù)基礎（六、七講）（六、七講） 45第六章第六章 光電探測技術(shù)光電探測技術(shù)（十一、十二講）（十一、十二講） 6789第一章第一章 緒論（一講）緒論（一講） 講授內(nèi)容 光調(diào)制技術(shù)光信息系統(tǒng)的信號加載與控制（五、六講）（學生六講） 光電顯示技術(shù)（九、十講）（學生十講） 光盤與光存儲技術(shù)（十四、十五講）（學生十五講）光通信無源器件技術(shù)（十一、十二、十三講）（學生十二、十三講）激光原理與技術(shù)（第一、二講）（學

3、生二講）3光波導技術(shù)基礎（三、四講）（學生四講） 4 講授內(nèi)容 5光電探測技術(shù)（七、八講）（學生八講） 6789 講授內(nèi)容 n 上課安排：n 共七章，每章我講一次，研究生講一次（第六章二次），三人一組（第六章二組，七人），自由分組。每組選一位組長，負責內(nèi)容協(xié)調(diào)。 n 成績構(gòu)成：n 上課簽到：30%n 課堂講解：30%n 結(jié)題報告：40%上課安排及成績構(gòu)成 激光原理與技術(shù) 1相干光相干光源、非源、非相干光相干光源與激源與激光光 3.1 3.3 3.2 3.5 光與物質(zhì)光與物質(zhì)相互作用相互作用理論理論 激光產(chǎn)生激光產(chǎn)生與傳播基與傳播基礎礎 激光激光產(chǎn)生產(chǎn)生的條的條件件 激光器激光器的基本的基本結(jié)構(gòu)

4、及結(jié)構(gòu)及輸出輸出 激光激光的特的特點點 3.4 激光激光器的器的種類種類 3.6 3.8 3.7 3.10 激光激光脈沖脈沖技術(shù)技術(shù) 激光激光選模選模技術(shù)技術(shù) 激光激光穩(wěn)頻穩(wěn)頻技術(shù)技術(shù) 其他其他激光激光技術(shù)技術(shù) 3.9 n 按功率： u 超大、 u 大、 u 中、 u 小； n 輸出激光連續(xù)性： u 連續(xù)、 u 脈沖； n 泵浦方法： u 光泵浦、 u 電泵浦； p 氣體： p 應用廣： u 小功率He-Ne， u 大功率CO2； p 多連續(xù)，激勵涉及能級固定，氣體放電電子碰撞激發(fā)； p 能級躍遷： u 原子、 u 離子、 u 分子、 u 準分子。 3.6.1 氣體激光器氣體激光器 3.6.2

5、 液體激光器 3.6.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 n 常按工作物質(zhì)： n 工作物質(zhì)：中性氣體原子； n 代表: He-Ne; He:Ne=1:10, Ne供躍遷能級； p 發(fā)光 ：0.6328 m紅，3.39, 1.15 m紅外。腔鏡0.6328 m； p 輸出功率：小（幾-100mW）；

6、p 轉(zhuǎn)換功率：低（0.01%）；）； p 性能：單色好，線寬窄， 穩(wěn)，方向好，發(fā)散角小，相干長度（幾十km） p 應用：精量、準直、測距、通訊、跟蹤及全息。 1. 原子氣體激光器原子氣體激光器 2. 離子氣體激光器 3.6.1 氣體激光器氣體激光器 3.6.2 液體激光器 3.6.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器 3.6.5 常

7、見激光器性能比較 3. 分子氣體激光器 4. 準分子激光器 圖圖3-19 He-Ne激光器結(jié)構(gòu)激光器結(jié)構(gòu) n 工作物質(zhì)：離子氣體； n 輸出 ：紫外、可見；最強0.4880藍和0.5145 m綠； n 輸出功率：原子氣體；500MW/cm2，最大150W，可見光連續(xù)輸出功率最大氣體激光器，脈沖1kW/ s； n 代表：Ar+； n 能轉(zhuǎn)功率：幾 n 需泵浦功率高，耗熱多， 加冷卻水，熱交換器; n 用途： 彩電，全息照相，信息存儲，快速排字，醫(yī)學，染料激光器泵浦源。 1. 原子氣體激光器 2. 離子氣體激光器離子氣體激光器 3.6.1 氣體激光器氣體激光器 3.6.2 液體激光器 3.6.3

8、固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 3. 分子氣體激光器 4. 準分子激光器 圖圖3-19 Ar+激光器結(jié)構(gòu)激光器結(jié)構(gòu) (b) 橫向放電大氣壓(TEA) n 工作物質(zhì)：中性氣體分子； n 代表：CO2，充氣：1:4:5=CO2:N2:He n 輸出 ：10.6 m紅外，通信“大氣窗口” n 用途：地面和

9、空間通信光源；效率：30% n 輸出功率I：管長正比，易從1m激光器獲100W連續(xù)I 輸出; n 分：(a) 直流放電、(b) 橫向放電大氣壓和(c) 波導型； n 特點：效率高、工作穩(wěn)、單色好。 1. 原子氣體激光器 2. 離子氣體激光器 3.6.1 氣體激光器氣體激光器 3.6.2 液體激光器 3.6.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半

10、導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 3. 分子氣體激光器分子氣體激光器 4. 準分子激光器 圖圖3-21 CeO2激光器結(jié)構(gòu)激光器結(jié)構(gòu) 光纖衰減圖光纖衰減圖 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口第三窗口第三窗口衰減衰減(dB/km)水峰值水峰值 6 54321 0.85 m 1.31 m 1.55 m 1. 原子氣體激光器 2. 離子氣體激光器 3.6.1 氣體激光器氣體激光器 3.6.2 液體激光器 3.6.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理

11、論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 3. 分子氣體激光器分子氣體激光器 4. 準分子激光器 n 工作物質(zhì)：稀有氣體及與鹵素混合； n 輸出 ：紫外高效脈； n 用途：分光、激光加工、光刻光源； n 準分子：稀有氣體穩(wěn)；激發(fā)態(tài)穩(wěn)； n 稀有與鹵素氣體組合不同激光 不同。 1. 原子氣體激光器 2. 離子氣體激光器 3.6.1 氣體激光器氣體激光器 3.6.2 液體激光器 3.6

12、.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 3. 分子氣體激光器 4. 準分子激光器準分子激光器 ArKrXeF193249351Cl175222308Br282表3-1 準分子激光器 /nm n He, Ne由壓力數(shù) kPa 稀有和數(shù)百Pa 鹵素組成混合氣體稀釋數(shù)百kPa混合氣體工作物質(zhì)；n 輸出能量數(shù)

13、百 Jn 發(fā)光效率1%n 重復 數(shù)kHz 層流式染料激光器 n 工作物質(zhì)：液體；無機、有機液體。重要染料染料； n 優(yōu)點： 可調(diào)（紫-紅外），價低，增益、效率高，易制，均勻好，輸出功率可與固體和氣體比，可循環(huán)，利冷卻； n 典型：若丹明（羅丹明羅丹明或玫瑰紅，玫瑰紅，相關(guān)螢光酮螢光酮雜環(huán)雜環(huán)化合物）6G染料 n 泵浦： 稍激光器輸出 光泵； n 泵浦方式：(1) 橫向：泵浦光束與染料激光束 (2) 縱向：同軸同軸 (3) 傾斜：成銳角成銳角 3.6.1 氣體激光器 3.6.2 液體激光器液體激光器 3.6.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3

14、 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 n 工作物質(zhì)：生長時摻雜原子晶體； n 特點：體小，穩(wěn)，易維護，輸出功率大適調(diào)Q高功率脈沖，鎖模超短脈沖 n 例：紅寶石，Nd:YAG，鈦藍寶石激光器； n Nd:YAG激光器： p 激活介質(zhì)：YAG（Y3Al5O12）和雜質(zhì)稀土Nd3+ p ：最強1.06 m；脈沖、連續(xù)； p 優(yōu)點：受激輻射躍遷幾率大、閾值低、易連續(xù)發(fā)射； p 泵浦：u 高強Xe

15、燈，脈沖0.5ms，平均功率20kW，轉(zhuǎn)換效率低（0.1%） u 二極管激光器，全固態(tài)小型，轉(zhuǎn)換效率10% Nd:YAG激光器結(jié)構(gòu) 3.6.1 氣體激光器 3.6.2 液體激光器 3.6.3 固體激光器固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 p 工作物質(zhì)：化合物半導體； p 泵浦：I 注入； p 特點： u

16、輸入能量最低，效率最高，體積最小，重量最輕，直接調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡，兼容集成電路，價低，可靠，壽命長； p 銷量占激光器99。3.6.1 氣體激光器 3.6.2 液體激光器 3.6.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 圖3-23 同質(zhì)結(jié)半導體激光器結(jié)構(gòu)與輸出E p 工作物質(zhì)： 半導體有源區(qū)：-

17、V化合物，GaAs，InP直接帶隙，躍遷幾率很大，效率高 p 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布p-n結(jié)正向大注入實現(xiàn)： 正向偏壓，電子和空穴耗盡層注入p和n側(cè)，導帶存在電子價帶空穴，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)； p 諧振腔解理形成： GaAs折射率很高，解理面反射35%入射光，成F-P腔， 兩腔面鍍反射和增透膜， 運行效果。 1. 同質(zhì)結(jié)半導體激光器同質(zhì)結(jié)半導體激光器 2. 異質(zhì)結(jié)半導體激光器 3. 量子阱半導體激光器 3.6.1 氣體激光器 3.6.2 液體激光器 3.6.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特

18、點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 半導體激光器工作過程 (c) 受激發(fā)射 (d) 激光產(chǎn)生 (a) 自發(fā)輻射 (b) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 1. 同質(zhì)結(jié)半導體激光器同質(zhì)結(jié)半導體激光器 2. 異質(zhì)結(jié)半導體激光器 3. 量子阱半導體激光器 3.6.1 氣體激光器 3.6.2 液體激光器 3.6.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點

19、3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 p 閾值I：產(chǎn)生輸出需最小注入；性能參數(shù)，與材料，工藝相關(guān)， 隨T (a) 光輸出-I 曲線 (b) 光輸出- 曲線理想半導體激光器輸出特性 注入I閾值I u (a)：理想LD輸出-I，I 軸交點閾值I u (b)：注入I閾值I，p-n結(jié)輸出 u 閾值，線寬變窄。 1. 同質(zhì)結(jié)半導體激光器同質(zhì)結(jié)半導體激光器 2. 異質(zhì)結(jié)半導體激光器 3. 量子阱半導體激光器 3.6.1 氣體激光器 3.6.2 液體激光器

20、3.6.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 u不同Eg半導體薄層，GaAs和AlGaAs，夾心； u高Eg勢壘阻止注入載流子向注入端深層擴散， 反轉(zhuǎn)粒子密度，改善激光器T 特性，縮短有源區(qū)， 閾值I 密度； uAlGaAs/GaAs/AlGaAs雙異質(zhì)結(jié)半導體激光器： 低Eg不摻雜GaA

21、s（1.4eV）夾二重摻雜高EgAlGaAs（1.7eV）間，雙異質(zhì)p-i-n. GaAs有源層，正向偏置n和p區(qū)AlGaAs向有源區(qū)注電子和空穴； u與同質(zhì)結(jié)激光器比： p 有源層薄、閾值I 密度低、內(nèi)損低、電-光轉(zhuǎn)換效率高、變混晶比調(diào)輸出 1. 同質(zhì)結(jié)半導體激光器 2. 異質(zhì)結(jié)半導體激光器異質(zhì)結(jié)半導體激光器 3. 量子阱半導體激光器 3.6.1 氣體激光器 3.6.2 液體激光器 3.6.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光

22、脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 p 兩高勢能阱壁夾低勢能阱，雙異質(zhì)半導體勢阱。有源區(qū)到德布羅意波 (10nm)，量子尺寸效應，量子阱量子阱。 u量子阱半導體激光器： p 有源區(qū)夾層量子阱重疊成半導體激光器； u應變量子阱陣列激光器：p 變重疊層晶格常數(shù)量子阱層形成應變，輸出功率更高。 u優(yōu)點：p 閾值I小，功耗更低，輸出功率更高，光譜更純，T特性更好，噪音更低，響應v更快， 覆蓋更寬，更易陣列化； p 光信息實用光源實用光源。 1. 同質(zhì)結(jié)半導體激光器 2. 異質(zhì)結(jié)半導體激光器 3.

23、 量子阱半導體激光器量子阱半導體激光器 3.6.1 氣體激光器 3.6.2 液體激光器 3.6.3 固體激光器 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光激光器的種器的種類類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.6.4 半導體激光器半導體激光器 3.6.5 常見激光器性能比較 激光器激光器運轉(zhuǎn)方式運轉(zhuǎn)方式 (nm)平均功率平均功率(W)峰值功率峰值功率(kW)脈寬脈寬轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率%紅寶石紅寶石脈沖脈沖694.311010410

24、ns1ms0.1Nd:YAG連續(xù)連續(xù)106415013Nd:YAG脈沖脈沖106440020000100.5 5ms13Nd:YAG調(diào)調(diào)Q脈沖脈沖106442000010 20ns13HeNe連續(xù)連續(xù)632.810-3 10-2Cu脈沖脈沖510.54010020 40ns1HeCd連續(xù)連續(xù)3250.1Ar+連續(xù)連續(xù)514.5101500.1CO2連續(xù)連續(xù)10640101031020CO2脈沖脈沖1064010010000100500ns10N2脈沖脈沖337.10.1100010ns受激輻射 率， N仍 ，t=t2，二者v=， N極值； 2. t2t3： N Nth，激光繼續(xù)， 仍劇 ，受激

25、輻射 N 率續(xù) ， 泵浦引率， N ，t=t3， N 回 Nth； 3. t3t4：t3后， N Nth，增益0，受激輻射0， N續(xù) ，率小，t=t4， = 率， N極小； 4. t4t5：t4后， N 率占優(yōu)勢，到t5，再達 Nth，下輪。 尖峰效應t0 光子數(shù)密度 p 泵浦t內(nèi)，重復，尖峰結(jié)構(gòu)，泵浦越強，尖峰快，t間隔小 p 特點： 1. N在 Nth近振蕩，水平不高，增益不太大，總輸出不高； 2. 泵浦期內(nèi)，激光出現(xiàn)早，結(jié)束晚，脈寬寬； 3. 脈沖不平滑。 3.7.1 脈沖激光器的尖峰效應脈沖激光器的尖峰效應 3.7.2 激光調(diào) Q 技術(shù) 3.7.3 激光鎖模技術(shù) 3.1 相干光源、非相

26、干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光激光脈沖技術(shù)脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)p 激光不久1961，提調(diào)Q，1962第一臺調(diào)Q激光器。脈沖輸出性能改善幾量級。 p 脈寬壓縮ns，峰功率MW，測距，雷達，加工測距，雷達，加工和動態(tài)全息照相動態(tài)全息照相用。 p 泵浦開始 諧振腔損耗，振蕩閾值 ，振蕩難，上能級反轉(zhuǎn)粒子密度積累，最大，腔損耗突變小，Q突 ，腔極速建立強振蕩，短t內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子大量消耗，變腔內(nèi)能量，輸出強脈沖激光巨脈沖或調(diào)Q脈沖；

27、 p 諧振腔損耗： 反射，吸收，衍射，散射，透射，反射，吸收，衍射，散射，透射，控制損耗，不同調(diào)Q； Q定義： 衡量諧振腔質(zhì)量，量度腔內(nèi)損耗。 每秒鐘損耗的激光能量腔內(nèi)儲存的激光能量02Q3.7.1 脈沖激光器的尖峰效應 3.7.2 激光調(diào)激光調(diào) Q 技術(shù)技術(shù) 3.7.3 激光鎖模技術(shù) 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光激光脈沖技術(shù)脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)p 諧振腔兩反射鏡之一裝旋轉(zhuǎn)軸，每轉(zhuǎn)動周期，兩反射

28、鏡面平行損耗最小，控制轉(zhuǎn)鏡，控制光腔反射損耗控制光腔反射損耗達調(diào)Q目的。 1. 轉(zhuǎn)鏡調(diào)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù)技術(shù) 2. 染料調(diào)Q技術(shù) 轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q 3.7.1 脈沖激光器的尖峰效應 3.7.2 激光調(diào)激光調(diào) Q 技術(shù)技術(shù) 3.7.3 激光鎖模技術(shù) 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光激光脈沖技術(shù)脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3. 電光調(diào)Q技術(shù) 4.聲光調(diào)Q技術(shù) p 染料對光吸收系數(shù)隨光強變?nèi)玖蠈馕障禂?shù)隨光強變調(diào)Q，開關(guān)延遲

29、t材料定，被動調(diào)Q. p 固體激光器光腔插裝飽和染料盒。染料對振蕩 吸收，系數(shù)隨入射光 而 。p 染料盒插諧振腔，激光器泵浦，腔光強弱，染料對光吸收強，腔損大，Q很低，不形成激光； p 泵浦繼續(xù)，亞穩(wěn)離子越積越多，腔光強 ，吸收 ，Q ； p 泵浦光大到一定，染料對該 光變透明染料漂白染料漂白，Q最大，Q開啟，輸出強激光脈沖。 染料調(diào)Q1. 轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù) 2. 染料調(diào)染料調(diào)Q技術(shù)技術(shù) 3.7.1 脈沖激光器的尖峰效應 3.7.2 激光調(diào)激光調(diào) Q 技術(shù)技術(shù) 3.7.3 激光鎖模技術(shù) 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)

30、構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光激光脈沖技術(shù)脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3. 電光調(diào)Q技術(shù) 4.聲光調(diào)Q技術(shù) p 格蘭格蘭-付克付克棱鏡偏振器。工作物質(zhì)氙燈泵浦產(chǎn)生無規(guī)偏振光無規(guī)偏振光，過起偏器變線偏光線偏光；起偏片后電光晶體電光晶體， /4電壓，線偏光過晶體變圓偏光圓偏光，經(jīng)反射鏡二次過調(diào)制晶體，振動向轉(zhuǎn)90o，不過檢偏片，Q開關(guān)閉。 p 腔閾值低，撤晶體加V，偏振光過檢偏片，開關(guān)開，閾值加大。 p 電路特性（鋸齒波）控制氙燈觸發(fā)和電光開關(guān)，控開啟和延遲t，調(diào)Q產(chǎn)生巨脈沖。 p 晶體特殊向切割，某向加V，線偏光變振

31、動向，加V與振動向改變有關(guān)，輔其他元件，成快速光開關(guān)，調(diào)Q. 電光調(diào)Q激光器起偏起偏 檢偏檢偏 1. 轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù) 2. 染料調(diào)Q技術(shù) 3.7.1 脈沖激光器的尖峰效應 3.7.2 激光調(diào)激光調(diào) Q 技術(shù)技術(shù) 3.7.3 激光鎖模技術(shù) 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光激光脈沖技術(shù)脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3. 電光調(diào)電光調(diào)Q技術(shù)技術(shù) 4.聲光調(diào)Q技術(shù) p 聲光器件腔內(nèi)按Blagg條件條件放置。 u 加高頻

32、振蕩超聲信號加高頻振蕩超聲信號，光沿blagg角偏諧振腔軸，腔損嚴重，Q低，不形成振蕩；泵浦使工作物質(zhì)亞穩(wěn)粒子積累； u 撤超高頻振蕩聲場撤超高頻振蕩聲場，光無偏折過晶體，Q突 ，強脈沖輸出。 u 電路特性（鋸齒波）控氙燈觸發(fā)和Q突變與延遲， 調(diào)Q產(chǎn)產(chǎn)生巨脈沖。 1. 轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q技術(shù) 2. 染料調(diào)Q技術(shù) 3.7.1 脈沖激光器的尖峰效應 3.7.2 激光調(diào)激光調(diào) Q 技術(shù)技術(shù) 3.7.3 激光鎖模技術(shù) 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光激光脈沖技術(shù)脈沖技術(shù)

33、 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3. 電光調(diào)Q技術(shù) 4.聲光調(diào)聲光調(diào)Q技術(shù)技術(shù) 聲光調(diào)Q激光器p 激光器不同振蕩模式，不關(guān)聯(lián)，非相干，振幅與相位獨立； p 模式t 同步，相位一致，總光場各模式光場相干疊加，輸出超短脈沖，參與模越多參與模越多，不均勻分布越尖，脈寬越窄，峰功率越高。 p 所有模耦合一起把各模相位鎖定相位鎖定：鎖模， p 技術(shù)：鎖模技術(shù)。與調(diào)Q區(qū)別：區(qū)別： u 調(diào)Q： 縮脈寬， 峰功率有效，脈寬下限決定光子平均駐腔壽命，ns短脈沖短脈沖。 u 鎖模： 比調(diào)Q更窄脈沖，超短脈沖。超短脈沖。經(jīng)：主動，被動，同步泵浦，碰撞，耦合腔鎖模，20世紀60年代p

34、s，70年代亞ps，80年代幾十fs，90年代數(shù)fs。 3.7.1 脈沖激光器的尖峰效應 3.7.2 激光調(diào) Q 技術(shù) 3.7.3 激光鎖模技術(shù)激光鎖模技術(shù) 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光激光脈沖技術(shù)脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)p 內(nèi)調(diào)制鎖模內(nèi)調(diào)制鎖模： 腔插電或聲光調(diào)制器鎖模，調(diào) 精確=縱模間隔，振蕩模式相振蕩模式相位同步位同步鎖模技術(shù)； 1. 主動鎖模主動鎖模 2. 被動鎖模 3. 自鎖模 3.7.1

35、 脈沖激光器的尖峰效應 3.7.2 激光調(diào) Q 技術(shù) 3.7.3 激光鎖模技術(shù)激光鎖模技術(shù) 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光激光脈沖技術(shù)脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)p 類類染料被動開關(guān)染料被動開關(guān)，薄可飽和吸收染料盒插自由運轉(zhuǎn)環(huán)形諧振腔環(huán)路中點，相反向兩脈沖精確同步達吸收體，碰撞，相干疊加，獲有效鎖模碰撞方式； 1. 主動鎖模 2. 被動鎖模被動鎖模 3. 自鎖模 3.7.1 脈沖激光器的尖峰效應 3.7.

36、2 激光調(diào) Q 技術(shù) 3.7.3 激光鎖模技術(shù)激光鎖模技術(shù) 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光激光脈沖技術(shù)脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)p 增益調(diào)制實現(xiàn)鎖模： u鎖模激光器序列脈沖輸出泵浦另激光器，兩光腔長度等，增益受調(diào)制，最大增益更窄序列脈沖輸出； p 自鎖模技術(shù)同步鎖模同步鎖模。 1. 主動鎖模 2. 被動鎖模 3. 自鎖模自鎖模 3.7.1 脈沖激光器的尖峰效應 3.7.2 激光調(diào) Q 技術(shù) 3.7.3

37、激光鎖模技術(shù)激光鎖模技術(shù) 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光激光脈沖技術(shù)脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)激光原理與技術(shù) 3相干光相干光源、非源、非相干光相干光源與激源與激光光 3.1 3.3 3.2 3.5 光與物質(zhì)光與物質(zhì)相互作用相互作用理論理論 激光產(chǎn)生激光產(chǎn)生與傳播基與傳播基礎礎 激光激光產(chǎn)生產(chǎn)生的條的條件件 激光器激光器的基本的基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)及輸出輸出 激光激光的特的特點點 3.4 激光激光器的器的種類種

38、類 3.6 3.8 3.7 3.10 激光激光脈沖脈沖技術(shù)技術(shù) 激光激光選模選模技術(shù)技術(shù) 激光激光穩(wěn)頻穩(wěn)頻技術(shù)技術(shù) 其他其他激光激光技術(shù)技術(shù) 3.9 u 模式，高質(zhì)量激光束： p 單橫模單橫模 p 單縱模單縱模 u 工作物質(zhì)均勻均勻或非均勻加寬；非均勻加寬；諧振腔穩(wěn)定穩(wěn)定或非穩(wěn)定腔，非穩(wěn)定腔，輸出多模式，光強分布不均，發(fā)散角大，模多，單色和方向性差，應用不利。 u 限制振蕩模式，限制振蕩模式，選模選模： 1. 譜線選擇； 2. 偏振選擇； 3. 對壓縮振蕩激光束發(fā)散角、改善方向橫模選擇技術(shù)； 4. 限制振蕩激光頻譜數(shù)縱模選擇技術(shù)。 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理

39、論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光激光選模技選模技術(shù)術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)u 工作物質(zhì)含多譜線多譜線，泵浦引粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布多譜線激光輸出； u 振蕩固定單譜線，腔放棱鏡，腔放棱鏡，調(diào)棱鏡位置需 光達高反射鏡，反饋。 3.8.1 激光譜線選擇激光譜線選擇3.8.2 偏振選擇 腔內(nèi)棱鏡法譜線選擇 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3

40、.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光激光選模技選模技術(shù)術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.8.3 橫模選擇3.8.4 縱模選擇 u 氣體激光器兩端放布儒斯特窗布儒斯特窗（布氏布氏），腔鏡反射回進入激光工作物質(zhì)光束： p TM偏振光無損過布氏窗過布氏窗振蕩； p TE偏振光受高反射損耗，難振蕩，偏振激光輸出； u 布氏窗內(nèi)置式內(nèi)置式。 布儒斯特窗法偏振選擇 3.8.1 激光譜線選擇3.8.2 偏振選擇偏振選擇 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光脈

41、沖技術(shù) 3.8 激光激光選模技選模技術(shù)術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.8.3 橫模選擇3.8.4 縱模選擇 u 控制光腔橫向尺寸，基橫模TEM00振蕩，高階橫模不振蕩，濾掉； u 基礎：不同橫模損耗不同； u 橫模選擇原則： 高階與基橫模衍射損耗比； 工作物質(zhì)內(nèi)與鏡面損耗， 諧振腔衍射損耗總損耗占比； u 橫模選擇法： p 小孔光闌、 p 聚焦光闌、 p 貓眼諧振腔、 p 非穩(wěn)腔法： 3.8.1 激光譜線選擇3.8.2 偏振選擇 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6

42、 激光器的種類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光激光選模技選模技術(shù)術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.8.3 橫模選擇橫模選擇 3.8.4 縱模選擇 1. 諧振腔腔型與參數(shù)選擇： u 選諧振腔類型類型和參數(shù)參數(shù)，高階模損大，基模損小，橫模選擇目的。衍射損耗光腔理論：衍射損耗光腔理論： 穩(wěn)腔多橫模振蕩，非穩(wěn)腔抑制高階模，不同橫模損差異大， 很好橫模選擇光腔； 2. 小孔光闌選擇： u 腔插小孔光闌插小孔光闌，允許基橫模過，高階模阻擋掉橫模選擇光腔； 3. 自孔徑選模： u 選光腔參數(shù)光腔參數(shù) 基橫模晶體光斑尺寸， 有效基橫模體積基橫模體積，限制小孔光闌模式； 4. 棱鏡選模： u

43、 棱鏡臨界角附近反射率隨入射角變，棱鏡臨界角附近反射率隨入射角變，代替光腔反射鏡選模。 1. 諧振腔腔型與腔參數(shù)選擇法諧振腔腔型與腔參數(shù)選擇法 2. 小孔光闌選擇小孔光闌選擇 3.8.1 激光譜線選擇3.8.2 偏振選擇 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光激光選模技選模技術(shù)術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.8.3 橫模選擇橫模選擇 3.8.4 縱模選擇 3. 自孔徑選模自孔徑選模 4. 棱鏡選模棱鏡選模 1. 色散腔

44、法 p 諧振腔插色散分光元件，插色散分光元件，不同 光空間分離，一 光損小，滿足振蕩，其他光損大，不振蕩； 2. 短腔法 p 縮短諧振腔長縮短諧振腔長，無源諧振腔縱模間隔縱模間隔 ，增益線寬，僅一縱模增益； p He-Ne激光器，腔長 到10cm，單縱模運轉(zhuǎn)。縮短腔長 輸出功率，適用：窄增益線寬小功率激光器； 1. 色散腔法縱模選擇技術(shù)色散腔法縱模選擇技術(shù) 2. 短腔法短腔法 3.8.1 激光譜線選擇3.8.2 偏振選擇 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激

45、光脈沖技術(shù) 3.8 激光激光選模技選模技術(shù)術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.8.3 橫模選擇 3.8.4 縱模選擇縱模選擇 3. 復合腔法 4. 行波腔法 3. 復合腔法 p 大腔長主腔大腔長主腔（工作物質(zhì)）和短腔長子腔短腔長子腔組復合腔復合腔， u 主腔主腔允許多縱模， u 子腔子腔干涉允許一縱模過，其他損耗大，選單縱模保大功率； 4. 行波腔法 p 均勻加寬，增益飽和模式競爭利單縱模振蕩，駐波空間燒孔空間燒孔存在，激勵足夠強多縱模振蕩。 p 兩反射鏡兩反射鏡構(gòu)環(huán)形光腔，環(huán)形光腔，腔插允許光單向傳輸隔離器，隔離器，內(nèi)成無空無空間燒孔間燒孔、行波沿逆或順時針向傳播單縱模輸出。

46、1. 色散腔法縱模選擇技術(shù) 2. 短腔法 3.8.1 激光譜線選擇3.8.2 偏振選擇 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光激光選模技選模技術(shù)術(shù)3.9 激光穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)3.8.3 橫模選擇 3.8.4 縱模選擇縱模選擇 3. 復合腔法復合腔法 4. 行波腔法行波腔法 第二講 激光原理與技術(shù) 3相干光相干光源、非源、非相干光相干光源與激源與激光光 3.1 3.3 3.2 3.5 光與物質(zhì)光與物質(zhì)相互作用相互作用理論理

47、論 激光產(chǎn)生激光產(chǎn)生與傳播基與傳播基礎礎 激光激光產(chǎn)生產(chǎn)生的條的條件件 激光器激光器的基本的基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)及輸出輸出 激光激光的特的特點點 3.4 激光激光器的器的種類種類 3.6 3.8 3.7 3.10 激光激光脈沖脈沖技術(shù)技術(shù) 激光激光選模選模技術(shù)技術(shù) 激光激光穩(wěn)頻穩(wěn)頻技術(shù)技術(shù) 其他其他激光激光技術(shù)技術(shù) 3.9 u 現(xiàn)象： p 選模得單頻振蕩， 短，內(nèi)外條件變引腔長和工作物質(zhì)n微小變，相位變大，致諧振 增益線型內(nèi)移，輸出 變 漂移； u 穩(wěn)頻技術(shù)： p 解決 漂移漂移； u 描述 穩(wěn)定性參數(shù)： p 穩(wěn)定度、再現(xiàn)度穩(wěn)定度、再現(xiàn)度； u 技術(shù)核心：p 保持腔長保持腔長和折射率穩(wěn)折射率穩(wěn)； u

48、 引起腔長變因素： p 溫度溫度起伏、機械運動機械運動、光學元件變光學元件變、磁場影響； u 引起折射率變因素： p 外腔或半外腔激光器暴露大氣部分隨空氣n變引腔 變。 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光激光穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)u 穩(wěn)頻： 被動被動和主動式主動式； u 恒溫恒溫、防震防震、密封密封、隔聲隔聲、穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓電源、小膨脹系數(shù)材料小膨脹系數(shù)材料穩(wěn)頻；u 不穩(wěn)度10-7：被動穩(wěn)頻被動穩(wěn)

49、頻； u 10-8以上 穩(wěn)定，伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)對激光器自控穩(wěn)頻，某躍遷譜線參考標準, 電子學伺服回路技術(shù)將激光器 鎖在不變 ：主動穩(wěn)頻；主動穩(wěn)頻； p 穩(wěn)頻激光器： 1. 632.8nmHe-Ne:I2穩(wěn)頻激光器：穩(wěn)度穩(wěn)度510-13，復現(xiàn)性復現(xiàn)性110-10 2. 513.8nmAr+:I2穩(wěn)頻：穩(wěn)度穩(wěn)度510-14，復現(xiàn)性復現(xiàn)性1.510-12 3. 3.39 mHe-Ne:CH4（甲烷分子）穩(wěn)頻：穩(wěn)度穩(wěn)度510-15，復現(xiàn)復現(xiàn)310-14 4. CO2穩(wěn)頻：穩(wěn)度穩(wěn)度510-14，復現(xiàn)性復現(xiàn)性110-10 3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質(zhì)相互作用理論 3.3 激光產(chǎn)生的條件 3.4 激光器的基本結(jié)構(gòu)及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 激光脈沖技術(shù) 3.8 激光選模技術(shù)3.9 激光激光穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù) 3.10 其他激光技術(shù)激光原理與技術(shù) 3相干光相干光源、非源、非相干光相干光源與激源與激光光 3.1 3.3 3.2 3.5 光與物質(zhì)光與物質(zhì)相互作用相互作用理論理論 激光產(chǎn)生激光產(chǎn)生與傳播基與傳播基礎礎 激光激光產(chǎn)生產(chǎn)生的條的條件件 激光器激光器的基本的基本結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)及輸出輸出 激光激光的特的特點點 3.4 激光激