1、脈沖激光器 激光激光(jgung)原理原理 II激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性第一頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性由于激活腔內(nèi)光強(qiáng)分布不均勻，精確計(jì)算腔內(nèi)各點(diǎn)光強(qiáng)是個(gè)復(fù)雜的問題。本節(jié)由增由于激活腔內(nèi)光強(qiáng)分布不均勻，精確計(jì)算腔內(nèi)各點(diǎn)光強(qiáng)是個(gè)復(fù)雜的問題。本節(jié)由增益飽和效應(yīng)出發(fā)益飽和效應(yīng)出發(fā)估算估算穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的腔內(nèi)平均光強(qiáng)，并在此基礎(chǔ)上給出穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的腔內(nèi)平均光強(qiáng)，并在此基礎(chǔ)上給出粗略粗略(cl)估估算輸出功率算輸出功率的方法。的方法。連續(xù)連續(xù)(linx)激光器的輸出功率激光器的輸出功率n按照工作方式不同，激光器分為兩類按照工作方式不同，激光器分為兩類:連

2、續(xù)激光器、脈沖激光器。連續(xù)激光器、脈沖激光器。 以不間斷方式輸出激光即為連續(xù)式，每間隔一段時(shí)間才輸出一次即為脈沖式以不間斷方式輸出激光即為連續(xù)式，每間隔一段時(shí)間才輸出一次即為脈沖式n本章的內(nèi)容：本章的內(nèi)容：一、連續(xù)激光器的輸出功率、振蕩模式特性和模式選擇一、連續(xù)激光器的輸出功率、振蕩模式特性和模式選擇二、脈沖激光器的尖峰和馳豫振蕩、調(diào)二、脈沖激光器的尖峰和馳豫振蕩、調(diào)Q和鎖模的基本原理和鎖模的基本原理第二頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性如果腔內(nèi)某一振蕩模式的頻率為如果腔內(nèi)某一振蕩模式的頻率為n nq，開始時(shí)，開始時(shí)，G(n(nq,I ,In nq)Gt，腔內(nèi)光強(qiáng)，

3、腔內(nèi)光強(qiáng)In nqh h。當(dāng)當(dāng)In nq增至一定值時(shí)，出增至一定值時(shí)，出現(xiàn)增益現(xiàn)增益(zngy)飽和效應(yīng)，隨飽和效應(yīng)，隨Iqh h，G(n nq,In nq)i i，直到降至，直到降至G(n nq,In nq)=Gt，增益和損耗達(dá)到平衡，增益和損耗達(dá)到平衡，Iq不再增不再增加。這時(shí)，激光器建立了穩(wěn)定工作狀態(tài)。加。這時(shí)，激光器建立了穩(wěn)定工作狀態(tài)。連續(xù)連續(xù)(linx)激光器的輸出功率激光器的輸出功率但是，不管激發(fā)強(qiáng)或弱，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)激光器的信號(hào)增益系數(shù)總是但是，不管激發(fā)強(qiáng)或弱，穩(wěn)態(tài)工作時(shí)激光器的信號(hào)增益系數(shù)總是等于等于Gt ！當(dāng)外界激發(fā)作用增強(qiáng)時(shí)，小信號(hào)增益系數(shù)當(dāng)外界激發(fā)作用增強(qiáng)時(shí)，小信號(hào)增益系數(shù)G

4、0(n n)增大，即飽和光強(qiáng)增大，此時(shí)增大，即飽和光強(qiáng)增大，此時(shí)In nq必須增加到一必須增加到一個(gè)更大的值才能出現(xiàn)增益飽和效應(yīng)，使個(gè)更大的值才能出現(xiàn)增益飽和效應(yīng)，使G(n nq,In nq)降低到降低到Gt并建立起穩(wěn)定工作狀態(tài)，因此激光器的輸出功率并建立起穩(wěn)定工作狀態(tài)，因此激光器的輸出功率增加。增加。n激光器的穩(wěn)定輸出狀態(tài)是如何建立起來的激光器的穩(wěn)定輸出狀態(tài)是如何建立起來的?n如何增大激光器的輸出功率如何增大激光器的輸出功率?第三頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性均勻均勻(jnyn)加寬單模激光器的輸出功率加寬單模激光器的輸出功率0()()1qqsqGlIInnn

5、LT1=0T2=TqInqInn均勻加寬放大器的增益均勻加寬放大器的增益(zngy)系數(shù)為：系數(shù)為：0()(,)1()qqqqsqGGIIlInnnnnn腔內(nèi)均勻加寬介質(zhì)中建立起的穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)為：腔內(nèi)均勻加寬介質(zhì)中建立起的穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)為：2qqqqIIIInnnnn從激光器中輸出的激光束光強(qiáng)為：從激光器中輸出的激光束光強(qiáng)為：1()2qqoutqIITITnnn第四頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性均勻均勻(jnyn)加寬單模激光器的輸出功率加寬單模激光器的輸出功率0()11()2()()12qoutqqoutqsqGlPAAIATTIInnnnn0000()()()qqpt

6、qtptGlGlWnGlnWnnn1()()12poutqsqptWPATIWnnn從激光器中輸出從激光器中輸出(shch)的激光束功率為：的激光束功率為：A是輸出截面積是輸出截面積n激光器的激光輸出功率與泵浦速率的關(guān)系：激光器的激光輸出功率與泵浦速率的關(guān)系：LT1=0T2=TqInqIn第五頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性非均勻非均勻(jnyn)加寬單模激光器的輸出功率加寬單模激光器的輸出功率n非均勻非均勻(jnyn)加寬單模激光器的加寬單模激光器的輸出功率為：輸出功率為：()qoutqPATInnn多普勒加寬放大器的增益雙燒孔效應(yīng)：多普勒加寬放大器的增益雙燒孔

7、效應(yīng)：n腔內(nèi)非均勻加寬介質(zhì)中建立起的穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)為：腔內(nèi)非均勻加寬介質(zhì)中建立起的穩(wěn)態(tài)光強(qiáng)為：200()()(,)()11()qqqDqDqDqsqsqGGlGIIIlIInnnnnnnn00qzVcnnn In nq分別與運(yùn)動(dòng)方向相反的兩組原子相互作用，引起增益飽和，出分別與運(yùn)動(dòng)方向相反的兩組原子相互作用，引起增益飽和，出現(xiàn)現(xiàn)“雙燒孔雙燒孔”。第六頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性多普勒加寬單模激光器的輸出功率多普勒加寬單模激光器的輸出功率蘭姆凹陷蘭姆凹陷(oxin)()qqoutqPATIATInnnn當(dāng)振蕩模頻率當(dāng)振蕩模頻率n nqn n0時(shí)時(shí), ,I+ +和和I-

8、 - 與同一類原子相互作用，與同一類原子相互作用，同時(shí)同時(shí)(tngsh)(tngsh)參與了該類原子的增益飽參與了該類原子的增益飽和，對(duì)增益飽和起作用的光強(qiáng)和，對(duì)增益飽和起作用的光強(qiáng)In n0 I+ + I- -= = 2I+ 。n當(dāng)振蕩模頻率當(dāng)振蕩模頻率n nqn n0時(shí)時(shí),I+和和I- -兩束光在增益曲線上分別燒兩個(gè)孔，對(duì)每一個(gè)孔起飽和作兩束光在增益曲線上分別燒兩個(gè)孔，對(duì)每一個(gè)孔起飽和作用的分別是用的分別是I+或或I-，對(duì)增益飽和起作用的光強(qiáng)，對(duì)增益飽和起作用的光強(qiáng)In nq I+ 。0001()2outPATIATInnn第七頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩激

9、光器的振蕩(zhndng)模式和模式選擇模式和模式選擇激光器的縱模頻譜分布激光器的縱模頻譜分布(fnb)osqMnnn激光器的可能激光器的可能(knng)起振的振蕩縱模數(shù)：起振的振蕩縱模數(shù)：n振蕩閾值條件決定振蕩頻率范圍振蕩閾值條件決定振蕩頻率范圍nnosn諧振腔的縱模頻率：諧振腔的縱模頻率：,22qqccqLLnnn增益曲線決定被放大光的頻率范圍增益曲線決定被放大光的頻率范圍nn0( )1osHGlnnn 第八頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性激光器中的模競(jìng)爭(zhēng)激光器中的模競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩模式激光器的振蕩模式(msh)和模式和

10、模式(msh)選擇選擇n增益曲線均勻飽和引起的自選模作用：多個(gè)滿足閾值條件的縱模在振蕩過程中互相增益曲線均勻飽和引起的自選模作用：多個(gè)滿足閾值條件的縱模在振蕩過程中互相競(jìng)爭(zhēng)競(jìng)爭(zhēng),結(jié)果總是靠近中心頻率結(jié)果總是靠近中心頻率v0的一個(gè)縱模得勝的一個(gè)縱模得勝,形成穩(wěn)定振蕩形成穩(wěn)定振蕩,其他縱模都被抑。其他縱模都被抑。第九頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性均勻均勻(jnyn)加寬激光器中的模競(jìng)爭(zhēng)加寬激光器中的模競(jìng)爭(zhēng)激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩激光器的振蕩(zhndng)模式和模式選擇模式和模式選擇n增益的空間燒孔效應(yīng)：由于諧振腔內(nèi)的駐波場(chǎng)分布，使增益的空間燒孔效應(yīng)：由于

11、諧振腔內(nèi)的駐波場(chǎng)分布，使得增益系數(shù)沿軸向呈現(xiàn)出不均勻分布。得增益系數(shù)沿軸向呈現(xiàn)出不均勻分布。n若存在另一非優(yōu)勢(shì)縱模，其腔內(nèi)光強(qiáng)波腹分布與優(yōu)勢(shì)模若存在另一非優(yōu)勢(shì)縱模，其腔內(nèi)光強(qiáng)波腹分布與優(yōu)勢(shì)模的波節(jié)重合，而獲得較高的增益的波節(jié)重合，而獲得較高的增益,從而形成較弱的振蕩。從而形成較弱的振蕩。由于軸向空間燒孔效應(yīng)由于軸向空間燒孔效應(yīng),不同縱?？梢允褂貌煌臻g的激不同縱模可以使用不同空間的激活粒子而同時(shí)產(chǎn)生振蕩活粒子而同時(shí)產(chǎn)生振蕩,這一現(xiàn)象叫做縱模的空間競(jìng)爭(zhēng)。這一現(xiàn)象叫做縱模的空間競(jìng)爭(zhēng)。第十頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩模式激光器的振蕩

12、模式(msh)和模式和模式(msh)選擇選擇激光器的模式激光器的模式(msh)選擇選擇模式選擇的目的：減少激光模式數(shù)，改善激光的方向性，提高單色性。模式選擇的目的：減少激光模式數(shù)，改善激光的方向性，提高單色性。n橫模：在腔中垂直腔軸方向的電磁場(chǎng)的本征態(tài)。橫模：在腔中垂直腔軸方向的電磁場(chǎng)的本征態(tài)。不同的橫模，光場(chǎng)分布不同，光束的發(fā)散角不同。不同的橫模，光場(chǎng)分布不同，光束的發(fā)散角不同。基橫模光強(qiáng)是高斯形，光場(chǎng)分布均勻，發(fā)散角最小。基橫模光強(qiáng)是高斯形，光場(chǎng)分布均勻，發(fā)散角最小。隨著橫模序數(shù)的增加，光場(chǎng)的范圍加大，分布不均勻，發(fā)散角越來越大。隨著橫模序數(shù)的增加，光場(chǎng)的范圍加大，分布不均勻，發(fā)散角越來越

13、大。一般激光器中有很多模式振蕩，實(shí)際的光場(chǎng)分布是復(fù)合模。為了改善激光的方向性，一般激光器中有很多模式振蕩，實(shí)際的光場(chǎng)分布是復(fù)合模。為了改善激光的方向性，必須選出基橫模。必須選出基橫模。n模式：在腔內(nèi)可能存在的穩(wěn)定光場(chǎng)的本征態(tài)，包括縱模和橫模。模式：在腔內(nèi)可能存在的穩(wěn)定光場(chǎng)的本征態(tài)，包括縱模和橫模。n縱模：沿腔軸線方向電磁場(chǎng)的本征態(tài)。縱模：沿腔軸線方向電磁場(chǎng)的本征態(tài)?？v模數(shù)表示激光振蕩頻率數(shù)，縱模數(shù)多，單色性差?？v模數(shù)表示激光振蕩頻率數(shù)，縱模數(shù)多，單色性差。單一縱模單色性最好。單一縱模單色性最好。第十一頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性激光器的工作和輸出特性激光器的振

14、蕩激光器的振蕩(zhndng)模式和模式選擇模式和模式選擇橫模選擇橫模選擇(xunz)n選模原理：采取一定的辦法加大基模和高階橫模選模原理：采取一定的辦法加大基模和高階橫模衍射損耗的差別衍射損耗的差別，使高階橫模的損耗，使高階橫模的損耗大于增益不能振蕩，而基模滿足閾值條件，保存下來，達(dá)到選出基橫模的目的。大于增益不能振蕩，而基模滿足閾值條件，保存下來，達(dá)到選出基橫模的目的。 n橫模選擇方法：橫模選擇方法：1.在諧振腔內(nèi)加置限模光闌：在諧振腔內(nèi)加置限模光闌：小孔小孔小孔光欄法小孔光欄法聚焦光欄法聚焦光欄法第十二頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性激光器的工作(gngzu

15、)和輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇橫模選擇橫模選擇(xunz)n橫模選擇方法：橫模選擇方法：3.腔參數(shù)選擇法：利用衍射損耗來進(jìn)行選模腔參數(shù)選擇法：利用衍射損耗來進(jìn)行選模2.腔鏡微傾斜：腔鏡微傾斜： 偏折損耗和透射損耗之比大則高階模的損耗大，對(duì)選模有利。偏折損耗和透射損耗之比大則高階模的損耗大，對(duì)選模有利。第十三頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩激光器的振蕩(zhndng)模式和模式選擇模式和模式選擇縱模選擇縱模選擇(xunz)技術(shù)技術(shù)n短腔法選縱模短腔法選縱模 原理原理:利用減少腔長(zhǎng)的辦法增加縱模頻率間

16、隔當(dāng)利用減少腔長(zhǎng)的辦法增加縱模頻率間隔當(dāng)nnqnnos 時(shí)，實(shí)現(xiàn)單模振蕩時(shí)，實(shí)現(xiàn)單模振蕩。( n0glnnngnoscn特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無插入損耗，只需縮短腔長(zhǎng)即可實(shí)現(xiàn)單模。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無插入損耗，只需縮短腔長(zhǎng)即可實(shí)現(xiàn)單模。輸出功率減小，輸出功率減小，L小，工作物質(zhì)尺寸小，模體積小，輸出功小，工作物質(zhì)尺寸小，模體積小，輸出功率小。率小。只適用于增益介質(zhì)線寬只適用于增益介質(zhì)線寬nng窄的氣體激光器中。窄的氣體激光器中。第十四頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性激光器的工作(gngzu)和輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇縱模選擇技術(shù)縱模選擇

17、技術(shù)(jsh)-法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具選縱模法布里珀羅標(biāo)準(zhǔn)具選縱模nF-P透射帶寬透射帶寬 :12coscRndRn n選模原理：實(shí)現(xiàn)單一縱模的條件選模原理：實(shí)現(xiàn)單一縱模的條件Ld激光工作物質(zhì)jnnnnn( nTl( n0ga.標(biāo)準(zhǔn)具只有一個(gè)透射峰落在介質(zhì)的增益線標(biāo)準(zhǔn)具只有一個(gè)透射峰落在介質(zhì)的增益線寬之內(nèi)寬之內(nèi)nnm0.5nnos b.標(biāo)準(zhǔn)具一個(gè)透射峰內(nèi)只包含一個(gè)縱模，標(biāo)準(zhǔn)具一個(gè)透射峰內(nèi)只包含一個(gè)縱模，nnq 0.5nn 第十五頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性激光器的工作(gngzu)和輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇縱模選擇縱模選擇(xun

18、z)技術(shù)技術(shù)-復(fù)合腔選縱模復(fù)合腔選縱模 n利用干涉儀的反射特性進(jìn)行選模利用干涉儀的反射特性進(jìn)行選模, 干涉儀既作選模又作激光器輸出鏡。干涉儀的反射率是頻率的函數(shù)，干涉儀既作選模又作激光器輸出鏡。干涉儀的反射率是頻率的函數(shù)，不同頻率的光反射率不同。不同頻率的光反射率不同。LD第十六頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作(gngzu)和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖脈沖(michng)激光器的特性激光器的特性1.腔外調(diào)制：腔外調(diào)制：光開關(guān)或調(diào)制器置于連續(xù)激光器輸出光開關(guān)或調(diào)制器置于連續(xù)激光器輸出(shch)端，使光在短時(shí)間間隔內(nèi)通過；端，使光在短時(shí)間間隔內(nèi)通過； 效率低、脈沖光的峰值功率低于連

19、續(xù)激光器本身的穩(wěn)定值效率低、脈沖光的峰值功率低于連續(xù)激光器本身的穩(wěn)定值2.腔內(nèi)調(diào)制：光開關(guān)或調(diào)制器置于激光器腔內(nèi)，調(diào)節(jié)能量的存儲(chǔ)與輸出，能夠獲得腔內(nèi)調(diào)制：光開關(guān)或調(diào)制器置于激光器腔內(nèi)，調(diào)節(jié)能量的存儲(chǔ)與輸出，能夠獲得 極高的峰值功率。極高的峰值功率。脈沖激光器脈沖激光器n脈沖激光器可以獲得窄脈寬、高峰值功率的激光束。脈沖激光器可以獲得窄脈寬、高峰值功率的激光束。鎖模：將同時(shí)振蕩的多個(gè)縱模相互間實(shí)現(xiàn)相位鎖定并相互耦合鎖模：將同時(shí)振蕩的多個(gè)縱模相互間實(shí)現(xiàn)相位鎖定并相互耦合n四種腔內(nèi)調(diào)制脈沖激光器：四種腔內(nèi)調(diào)制脈沖激光器：增益開關(guān)：通過開關(guān)泵浦源控制增益增益開關(guān)：通過開關(guān)泵浦源控制增益Q開關(guān)：腔內(nèi)放置

20、被調(diào)制的吸收體來控制腔內(nèi)損耗，能量存儲(chǔ)在反轉(zhuǎn)原子中開關(guān)：腔內(nèi)放置被調(diào)制的吸收體來控制腔內(nèi)損耗，能量存儲(chǔ)在反轉(zhuǎn)原子中腔倒空：通過改變輸出鏡透射率控制腔內(nèi)損耗，能量存儲(chǔ)在腔內(nèi)腔倒空：通過改變輸出鏡透射率控制腔內(nèi)損耗，能量存儲(chǔ)在腔內(nèi)n獲得脈沖激光束的方法：獲得脈沖激光束的方法：第十七頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖脈沖(michng)激光器的特性激光器的特性n一個(gè)短脈沖的生成過程可以分成一個(gè)短脈沖的生成過程可以分成(fn chn)(fn chn)四個(gè)階段。如圖所示四個(gè)階段。如圖所示: : 激光激光(jgung)尖峰形成的物理過程尖峰形成的物理過程t=t4,

21、n(t)的消耗速率與累積速率平衡，達(dá)到極小值的消耗速率與累積速率平衡，達(dá)到極小值t=t1，激光開始產(chǎn)生，激光開始產(chǎn)生tt1,累積腔內(nèi)光子數(shù)累積腔內(nèi)光子數(shù)t=t2, n(t)的累積速率與消耗速率平衡，達(dá)到極大值的累積速率與消耗速率平衡，達(dá)到極大值tt2,增益飽和，增益飽和， n(t)i it=t3,腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到極大值腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到極大值tt3,腔內(nèi)光子數(shù)純消耗，急劇減少腔內(nèi)光子數(shù)純消耗，急劇減少tt4, 光子數(shù)逐漸消耗至最小，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)開始累積光子數(shù)逐漸消耗至最小，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)開始累積第十八頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖脈沖(michng)激光器的特性

22、激光器的特性調(diào)調(diào)Q Q激光器的工作激光器的工作(gngzu)(gngzu)原理分析原理分析n調(diào)調(diào)Q Q原理：泵浦開始時(shí)，增大損耗，使振蕩難以形成，從而使上能級(jí)的反轉(zhuǎn)原理：泵浦開始時(shí)，增大損耗，使振蕩難以形成，從而使上能級(jí)的反轉(zhuǎn)(fn zhun)(fn zhun)粒子數(shù)密度增大，當(dāng)積累達(dá)到最大值時(shí)，突然使諧振腔損耗變小，于是粒子數(shù)密度增大，當(dāng)積累達(dá)到最大值時(shí)，突然使諧振腔損耗變小，于是Q Q值突增，在腔內(nèi)值突增，在腔內(nèi)以極快的速度建立極強(qiáng)的振蕩，輸出極強(qiáng)的激光脈沖，稱為激光巨脈沖或調(diào)以極快的速度建立極強(qiáng)的振蕩，輸出極強(qiáng)的激光脈沖，稱為激光巨脈沖或調(diào)Q Q脈沖。脈沖。第十九頁，共三十八頁。脈沖激光

23、器激光器的工作激光器的工作(gngzu)和輸出特性和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性調(diào)調(diào)Q Q技術(shù)技術(shù)(jsh)(jsh)的過程的過程a.激活激活(j hu)介質(zhì)貯能介質(zhì)貯能 滿足條件滿足條件Gl 。由于由于 很大很大, ,振蕩振蕩閾值很高，不能產(chǎn)生激光振蕩閾值很高，不能產(chǎn)生激光振蕩能量貯存在激活介質(zhì)能量貯存在激活介質(zhì)b.b.激活介質(zhì)諧振腔組合貯能激活介質(zhì)諧振腔組合貯能先使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值，但滿足先使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值，但滿足Gmaxl ，產(chǎn)生激光振，產(chǎn)生激光振蕩，能量以光子的形式貯存在腔內(nèi)。蕩，能量以光子的形式貯存在腔內(nèi)。條件：條件：Gl , 減小到減小到 min, 因?yàn)樵鲆孀?/p>

24、大，所以因?yàn)樵鲆孀畲?，所?min小時(shí)，激光迅速建立，在極短的時(shí)間內(nèi)，工作物質(zhì)貯能通過光子的小時(shí)，激光迅速建立，在極短的時(shí)間內(nèi)，工作物質(zhì)貯能通過光子的受激輻射過程釋放出來，形成巨脈沖。受激輻射過程釋放出來，形成巨脈沖。n能量貯存過程能量貯存過程n激光產(chǎn)生與輸出過程激光產(chǎn)生與輸出過程 調(diào)調(diào)Q的過程：調(diào)節(jié)的過程：調(diào)節(jié) ，相當(dāng)于，相當(dāng)于Q是一個(gè)門，關(guān)上門，是一個(gè)門，關(guān)上門，Q低貯能，打開門產(chǎn)生激光。低貯能，打開門產(chǎn)生激光。第二十頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖脈沖(michng)激光器的特性激光器的特性實(shí)現(xiàn)調(diào)實(shí)現(xiàn)調(diào)Q的方法的方法(fngf)電光調(diào)電光調(diào)n反射

25、式反射式Q Q開關(guān)原理：利用晶體的電光開關(guān)原理：利用晶體的電光(dingung)(dingung)效應(yīng)，在晶體上加一階躍式電壓，改變效應(yīng)，在晶體上加一階躍式電壓，改變Q Q值。值。 第一階段第一階段:在晶體上加在晶體上加Vl/2l/2, ,偏振光通過偏振光通過KDP晶體后振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)晶體后振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)90度，不能通過度，不能通過P，稱為，稱為“關(guān)關(guān)門門”狀態(tài)。狀態(tài)。 P1/P2第二階段：在第一階段工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，突然退去晶體上的電壓，光在腔內(nèi)形成振蕩第二階段：在第一階段工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，突然退去晶體上的電壓，光在腔內(nèi)形成振蕩 。u由于激光的形成和輸出同時(shí)進(jìn)行，

26、因此脈沖寬度的壓縮受了限制。由于激光的形成和輸出同時(shí)進(jìn)行，因此脈沖寬度的壓縮受了限制。第二十一頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作激光器的工作(gngzu)和輸出特性和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)(shxin)調(diào)調(diào)Q的方法的方法電光調(diào)電光調(diào)n透射透射(tu sh)式式Q開關(guān)開關(guān)當(dāng)工作物質(zhì)儲(chǔ)能達(dá)到最大值時(shí)，在晶體上加當(dāng)工作物質(zhì)儲(chǔ)能達(dá)到最大值時(shí)，在晶體上加Vl l/2 ，輸出端無透射，光振蕩迅速形成，輸出端無透射，光振蕩迅速形成KDP晶體上不加電壓，輸出端無反射，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)累積晶體上不加電壓，輸出端無反射，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)累積撤去晶體上所加電壓，光能瞬間輸出。撤去晶體上所加電壓，光

27、能瞬間輸出。第二十二頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖脈沖(michng)激光器的特性激光器的特性實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)(shxin)調(diào)調(diào)Q的方法的方法聲光調(diào)聲光調(diào)n晶體的聲光原理：聲光介質(zhì)在超聲波的作用下，折射率發(fā)生周期性的變化，使介質(zhì)變成晶體的聲光原理：聲光介質(zhì)在超聲波的作用下，折射率發(fā)生周期性的變化，使介質(zhì)變成正弦正弦(zhngxin)相位光柵，當(dāng)光束通過聲光介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生布喇格衍射，衍射光相對(duì)于級(jí)相位光柵，當(dāng)光束通過聲光介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生布喇格衍射，衍射光相對(duì)于級(jí)光有光有 角的偏離。角的偏離。n聲光調(diào)聲光調(diào)Q原理原理工作物質(zhì)反射鏡反射鏡反射鏡反射鏡聲光介質(zhì)第二十三頁，

28、共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作激光器的工作(gngzu)和輸出特性和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性nQ開關(guān)開關(guān)(kigun)激光器一般脈寬達(dá)激光器一般脈寬達(dá)10-8s-10-9s量級(jí)量級(jí)短脈沖短脈沖n鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)(jsh)一般脈寬達(dá)一般脈寬達(dá)10-12s-10-13s量級(jí)量級(jí)超短脈沖超短脈沖 想要更短的脈沖想要更短的脈沖第二十四頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作激光器的工作(gngzu)和輸出特性和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性多模激光器的輸出特性多模激光器的輸出特性各振蕩模的振幅和相位各振蕩模的振幅和相位(xingwi)無規(guī)則分布無規(guī)則分布( ( (12222

29、22201cos()cos2cos.cos11( )( )( )2NqqqqNqqqqqqqqqqq qNtqqNI tEtEtEtE EttI tEtEt dtEt輸出輸出(shch)的光強(qiáng)是各個(gè)縱模無規(guī)疊加的光強(qiáng)是各個(gè)縱模無規(guī)疊加,總光強(qiáng)的平均值是各縱模光強(qiáng)之和的總光強(qiáng)的平均值是各縱模光強(qiáng)之和的1/2。 Eq-中心頻率處的振幅大，遠(yuǎn)離中心頻率處的振幅小，且它們之間變化無規(guī)律中心頻率處的振幅大，遠(yuǎn)離中心頻率處的振幅小，且它們之間變化無規(guī)律。f fq-各模的初相位，在各模的初相位，在- 到到 之間分布。之間分布。對(duì)于不同的時(shí)間，每個(gè)模的振幅和相位也有變化，對(duì)于不同的時(shí)間，每個(gè)模的振幅和相位也有

30、變化，f fq隨時(shí)間漂移。隨時(shí)間漂移。( )cos()qqqqE tEt第二十五頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖脈沖(michng)激光器的特性激光器的特性鎖模鎖模原理原理(yunl)n鎖模鎖模:使各相鄰模之間的相位固定使各相鄰模之間的相位固定(gdng)，使各模變成時(shí)間相干波。，使各模變成時(shí)間相干波。各縱模頻率間隔相等并固定各縱模頻率間隔相等并固定nnq=c/2L各模振動(dòng)方向或方式相同各模振動(dòng)方向或方式相同-激光器的固有性質(zhì)激光器的固有性質(zhì)設(shè)法設(shè)法使各模之間的相差固定使各模之間的相差固定f fq+1-f fq=常數(shù)常數(shù)n多縱模鎖定后的激光輸出：多縱模

31、鎖定后的激光輸出：u定義中心頻率的縱模定義中心頻率的縱模q0，在腔內(nèi)參與振蕩的模式個(gè)數(shù)共，在腔內(nèi)參與振蕩的模式個(gè)數(shù)共2N1個(gè)個(gè)0010222qqqqqqqccqqLLqn 各模間隔相同，鎖模后有各模間隔相同，鎖模后有f fq+1-f fq 第二十六頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作激光器的工作(gngzu)和輸出特性和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性設(shè)各縱模的振幅相等，則激光器輸出的總光波設(shè)各縱模的振幅相等，則激光器輸出的總光波(gungb)場(chǎng)是場(chǎng)是2N1個(gè)縱模相干迭加的結(jié)果：個(gè)縱模相干迭加的結(jié)果：00000( )( )cos ()1sin (21)()2cos( )cos1sin

32、 ()2NNqNNE tE tEqtqNtEtA ttt n多縱模鎖定后的激光多縱模鎖定后的激光(jgung)輸出：輸出：(a)2N+1個(gè)模式經(jīng)過鎖定以后，總的光波場(chǎng)變?yōu)轭l率為個(gè)模式經(jīng)過鎖定以后，總的光波場(chǎng)變?yōu)轭l率為 0的單色調(diào)幅波，振幅的單色調(diào)幅波，振幅A(t)是隨時(shí)間變化的周期函是隨時(shí)間變化的周期函數(shù)，即總光波場(chǎng)受到振幅調(diào)制。數(shù)，即總光波場(chǎng)受到振幅調(diào)制。(b)光強(qiáng)光強(qiáng)I(t)正比于正比于A(t)2 ,是時(shí)間的函數(shù)，光強(qiáng)受到調(diào)制。是時(shí)間的函數(shù)，光強(qiáng)受到調(diào)制。(c) 光脈沖包括光脈沖包括2N+1個(gè)縱模。個(gè)縱模。鎖模輸出的光強(qiáng)鎖模輸出的光強(qiáng)第二十七頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作和輸出特性

33、激光器的工作和輸出特性脈沖脈沖(michng)激光器的特性激光器的特性鎖模輸出鎖模輸出(shch)的光強(qiáng)的光強(qiáng)nA(t)的變化規(guī)律的變化規(guī)律: 只要得到只要得到A(t)的周期、極值的周期、極值(j zh)、零點(diǎn)。、零點(diǎn)。 變化周期為變化周期為T=2L/c，在一個(gè)周期內(nèi)有，在一個(gè)周期內(nèi)有2N個(gè)零點(diǎn)和個(gè)零點(diǎn)和2N+1個(gè)極值點(diǎn)個(gè)極值點(diǎn)2N-2個(gè)介于個(gè)介于Amax與與Amin之間的次極大之間的次極大值。值。t=0 和和t=2L/c時(shí)，時(shí)，Amax=(2N+1)E0000( )( )cos1sin (21)()2( )1sin ()21sin (21)21sin2E tA ttNtA tEtcNtLEc

34、tL vL2第二十八頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作激光器的工作(gngzu)和輸出特性和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性鎖模激光器的輸出特性鎖模激光器的輸出特性激光器的輸出是脈沖間隔激光器的輸出是脈沖間隔2L/c固定的規(guī)則脈沖序列。固定的規(guī)則脈沖序列。 2L/c 光在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間光在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間,相當(dāng)于在腔內(nèi)只有相當(dāng)于在腔內(nèi)只有(zhyu)一個(gè)脈沖在振蕩一個(gè)脈沖在振蕩每個(gè)脈沖寬度近似等于振蕩線寬的倒數(shù)，每個(gè)脈沖寬度近似等于振蕩線寬的倒數(shù)， 增益線寬越寬，鎖模脈寬越窄。被鎖定的縱模數(shù)越多增益線寬越寬，鎖模脈寬越窄。被鎖定的縱模數(shù)越多2N1t t 1(21)qNtn脈沖

35、脈沖(michng)的峰值功率的峰值功率 輸出脈沖的峰值功率輸出脈沖的峰值功率P正比于正比于(2N+1)2E02在鎖模過程中，各模之間發(fā)生功率耦合，不再獨(dú)立。在鎖模過程中，各模之間發(fā)生功率耦合，不再獨(dú)立。 鎖模的結(jié)果是輸出序列的脈沖，脈寬窄，峰值功率高，脈沖的能量是所有相位固定的縱模提供的鎖模的結(jié)果是輸出序列的脈沖，脈寬窄，峰值功率高，脈沖的能量是所有相位固定的縱模提供的.第二十九頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖脈沖(michng)激光器的特性激光器的特性n縱模鎖定的方法主要縱模鎖定的方法主要(zhyo)有主動(dòng)鎖模，被動(dòng)鎖模，自鎖模有主動(dòng)鎖模，被動(dòng)鎖模

36、，自鎖模鎖模的方法鎖模的方法(fngf)n主動(dòng)鎖模：在激光腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率周期性地改變諧振腔內(nèi)振蕩模的主動(dòng)鎖模：在激光腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率周期性地改變諧振腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位。當(dāng)調(diào)制器的調(diào)制頻率精確地等于縱模間隔時(shí)，對(duì)各個(gè)模的調(diào)制會(huì)產(chǎn)生邊頻，其頻振幅或相位。當(dāng)調(diào)制器的調(diào)制頻率精確地等于縱模間隔時(shí)，對(duì)各個(gè)模的調(diào)制會(huì)產(chǎn)生邊頻，其頻率與兩個(gè)相鄰縱模的頻率一致。率與兩個(gè)相鄰縱模的頻率一致。n以聲光調(diào)制器的振幅調(diào)制鎖模為例：以聲光調(diào)制器的振幅調(diào)制鎖模為例：1( )sin2ma tAt設(shè)調(diào)制信號(hào)：設(shè)調(diào)制信號(hào)：損耗變化的頻率為調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍損耗變化的頻率為調(diào)制信號(hào)頻

37、率的兩倍,調(diào)制器的透過率：調(diào)制器的透過率：( (00cosT tTTt假定調(diào)制前腔內(nèi)光場(chǎng)假定調(diào)制前腔內(nèi)光場(chǎng)( (000sinE tEt通過調(diào)制器后的光場(chǎng)變?yōu)橥ㄟ^調(diào)制器后的光場(chǎng)變?yōu)? (0000000000cossin1cossin( )sinE tETTttAmttA tt 第三十頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作激光器的工作(gngzu)和輸出特性和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性鎖模的方法鎖模的方法(fngf)(000000000000( )1cossin1sinsin21sin2E tAmttAtmAtmAt n中心中心(zhngxn)頻率調(diào)制的結(jié)果是使與它相鄰的頻率調(diào)制的結(jié)

38、果是使與它相鄰的兩個(gè)縱模振蕩。兩個(gè)縱模振蕩。n鎖模的關(guān)鍵，必須使腔內(nèi)損耗的變化頻率和腔內(nèi)鎖模的關(guān)鍵，必須使腔內(nèi)損耗的變化頻率和腔內(nèi)縱模頻率間隔相等縱模頻率間隔相等。n調(diào)制頻率調(diào)制頻率 等于激光振蕩縱模的頻率間隔等于激光振蕩縱模的頻率間隔n調(diào)制的過程繼續(xù)下去，直到在激光線寬內(nèi)所有縱模振蕩調(diào)制的過程繼續(xù)下去，直到在激光線寬內(nèi)所有縱模振蕩為止。這些模式的相位相同為止。這些模式的相位相同符合鎖模條件。符合鎖模條件。第三十一頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖脈沖(michng)激光器的特性激光器的特性鎖模的方法鎖模的方法(fngf)n鎖模的關(guān)鍵，必須使腔內(nèi)損耗的變

39、化頻率鎖模的關(guān)鍵，必須使腔內(nèi)損耗的變化頻率(pnl)和腔內(nèi)縱模頻率和腔內(nèi)縱模頻率(pnl)間隔相等間隔相等。9E029E02321 t1/v102/(3v1)1/(3v1)-E0E00I(t)E(t)v3=3v1, v2=2v1， 初位 相 相 同(0)v3v2v1三個(gè)光波 的相 位 鎖 定 第三十二頁，共三十八頁。脈沖激光器激光器的分類激光器的分類(fn li)按工作物質(zhì)分類：固體按工作物質(zhì)分類：固體(gt)激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器、激光器、氣體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器、 自由電子激光器。自由電子激光器。按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器、穩(wěn)頻

40、激光器、按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器、穩(wěn)頻激光器、 可調(diào)諧可調(diào)諧(tioxi)激光器、單模激光器、多模激光器、鎖模激光器、激光器、單模激光器、多模激光器、鎖模激光器、 Q開關(guān)激光器。開關(guān)激光器。按激光波長(zhǎng)分類：紅外光激光器、可見光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器、按激光波長(zhǎng)分類：紅外光激光器、可見光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器、 X射線激光器、射線激光器、 g g射線激光器。射線激光器。按泵浦方式分類：電激勵(lì)激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、光參量激光器、按泵浦方式分類：電激勵(lì)激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、光參量激光器、 熱能激勵(lì)激光器、化學(xué)激光器、拉曼自旋反轉(zhuǎn)激光器。熱能激勵(lì)激光器、化學(xué)激光器、拉曼自旋反轉(zhuǎn)激光器。按諧振腔結(jié)構(gòu)分類：內(nèi)腔激光器、外腔激光器、環(huán)形腔激光器、折疊腔激光器、按諧振腔結(jié)構(gòu)分類：內(nèi)腔激光器、外腔激光器、環(huán)形腔激光器、折疊腔激光器、 光柵腔激光器、光纖激光器、波導(dǎo)激光器、分布反饋激光器。光柵腔激光器、光纖激光器、波導(dǎo)激光器