1、4.1 激光器輸出的選模4.2 激光器的穩頻4.3 激光束的變換4.4 激光調制技術4.5 激光偏轉技術4.6 激光調Q技術第四章 激光的基本技術4.7 激光鎖模技術4.6 激光調Q技術 激光調Q概念 調Q原理 調Q方法 本節目標本節目標：掌握激光調：掌握激光調QQ的目的、概念、方法、原理。的目的、概念、方法、原理。 本節任務本節任務：會敘述調：會敘述調QQ技術的必要性、手段、原理。技術的必要性、手段、原理。4.6 激光調Q技術4.6 激光調Q技術一、調Q概念每振蕩周期損耗的能量諧振腔內儲存的能量2Q品質因子與諧振腔的單程總損耗的關系為： 總aPWQ224.6 激光調Q技術二、調Q原理總aPW

2、Q22 通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉粒子數達到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒子數因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很多的反轉粒子數，只能被限制在閾值反轉數附近。這是普通激光器峰值功率不能提高的原因。4.6 激光調Q技術二、調Q原理總aPWQ22 既然激光上能級最大粒子反轉數受到激光器閾值的限制，那么，要使上能級積累大量的粒子，可以設法通過改變（增加）激光器的閾值來實現，就是當激光器開始泵浦初期，設法將激光器的振蕩閾值調得很高，抑制激光振蕩的產生，這樣激光上能級的反轉粒子數便可積累得很多而不發生振蕩；4.6 激光調Q技術二、調Q原理總aPWQ22當粒

3、子數密度反轉數達到峰值時，突然使腔的Q值增大，將導致激光介質增益大大超過閾值，及其快速的產生振蕩。此時儲存在亞穩態上的粒子所具有的能量會很快轉換為光子能量，光子像雪崩一樣以極高的速率增長，激光器便可以輸出一個峰值功率高，寬度窄的激光巨脈沖。用調節諧振腔的Q值以獲得激光巨脈沖的技術稱為激光調Q技術 調Q激光脈沖的建立過程中，各參量隨時間的變化情況：QQ開關激光脈沖建立過程開關激光脈沖建立過程4.6 激光調Q技術二、調Q原理圖(a)表示泵浦速率Wp隨時間的變化；圖(b)表示腔的Q值是時間的階躍函數(藍虛線)；圖(c)表示粒子反轉數n的變化；圖(d)表示腔內光子數隨時間的變化。1、電光 調Q4.6

4、激光調Q技術三、調Q方法電光調Q裝置示意圖 如果在調制晶體上施加4電壓，往返一次總共產生 相位差，合成后得到原偏振方向垂直振動的線偏振光，相當于偏振面相對于入射光旋轉了900，顯然，這種偏振光不能再通過偏振棱鏡，此時，電光Q開關處于“關閉”狀態。因此，如果在氙燈剛開始點燃時，事先在調制晶體上加上 4電壓，使諧振腔處于“關閉”的低Q值狀態，阻斷激光振蕩的形成。1、電光 調Q4.6 激光調Q技術三、調Q方法電光調Q裝置示意圖待激光上能級反轉的粒子數積累到最大值時，突然撤去晶體上的 4電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態，產生雪崩式的激光振蕩，就可輸出一個巨脈沖。電光調Q具有開關時間短，效率高，調Q時刻

5、可以精確控制，輸出脈沖寬度窄，峰值功率高等優點。 調Q激光器與普通脈沖激光器相比，它具有超臨界振蕩的持點，因此，對Q開關器件、激光工作物質、光泵浦燈以及耦合輸出條件等有一些新的要求。* 設計電光調Q激光器應考慮的問題a、調制晶體材料的選擇 電光晶體的質量對調Q性能起著很重要的作用，目前能夠獲得較高光學質量的線性電光晶體材料還是有限的。1 消光比要高；2 透過率要高；3 半波電壓要低；抗破壞閾值要高等。三、調方法4.6 激光調Q技術電光調Q裝置示意圖d、對光泵浦燈的要求 要求泵浦燈的發光時間（脈沖波形的半寬度）必須小于工作物質的熒光壽命（激光上能級壽命）。但是，燈光半波寬度太窄，燈的效率又會降低

6、，故應根據激光工作物質，選擇二者匹配比較好的泵燈。e、對Q開關控制電路的要求 要獲得最佳的調Q效果，要求Q開關速度要快，必須精確設計各部分電路，使其能很好地協調。三、調方法* 設計電光調Q激光器應考慮的問題4.6 激光調Q技術電光調Q裝置示意圖電極的結構形式及晶體接觸的好壞直接影響晶體內電場的均勻性，一個極不均勻的電場可能導致器件失去調Q效應。因此，晶體內具有均勻的電場是設計電極結構的基本出發點。b、調制晶體的電極結構三、調方法 需要有高質量的激光工作物質，具備儲能密度高的性能，還要求有較高的抗強光破壞閾值，能承受較高的激光功率密度。c、對激光工作物質的要求* 設計電光調Q激光器應考慮的問題電

7、光調Q裝置示意圖4.6 激光調Q技術試簡單論述聲光調Q如何得到一個強激光脈沖輸出過程？2、聲光 調Q4.6 激光調Q技術三、調Q方法圖4-28是一個聲光調Q的YAG激光器的示意圖。腔內插入的聲光調Q器件由聲光互作用介質(如熔融石英)和鍵合于其上的換能器所構成的。聲光調Q裝置示意圖3、燃料調Q4.6 激光調Q技術三、調Q方法不論是轉鏡、電光還是聲光調Q技術，Q開關開啟的延遲時間都是可控的，因此，習慣上統稱這一類技術為主動調Q技術；對于燃料調Q技術，它是利用某種材料對光的吸收系數會隨著光強變化的特性來達到調Q的目的。由于這類材料Q開關延遲時間是由材料特性決定（非人為控制），所以這一類技術稱為被動調

8、Q技術；3、燃料調Q4.6 激光調Q技術三、調Q方法它是在一個固體激光器的腔內插入一個染料盒構成的。染料盒內裝有可飽和染料，這種染料對該激光器發出的光有強烈吸收作用，而且隨入射光的增強吸收系數減小。011sII染料調Q裝置示意圖其吸收系數可以由下式表示：3、燃料調Q4.6 激光調Q技術三、調Q方法染料調Q裝置示意圖*選擇染料要考慮的幾個方面 1）燃料吸收峰的中心波長應和激光波長基本吻合； 2）燃料應有適當的飽和光強； 3）燃料應具有一定的穩定性和保存期，以利于實用。 調Q激光器的工作方式是多種多樣的，且都具有各自的特點，在不同的應用中可以選用，現歸納如下：總結：三、調方法 (1)電光晶體調Q

9、由于其開關時間主要取決于電路的高壓脈沖上升和退壓時間，一般都能做到小于脈沖建立時間，故屬于快開關類型。它能產生窄脈沖，且同步性能好，使用壽命長，輸出巨脈沖穩定。可獲得峰值功率為幾十兆瓦以上、脈寬為十幾納秒的巨脈沖，故是目前應用最廣泛的一種Q開關，其主要缺點是半波電壓較高，需要幾千伏的高壓脈沖，對其他電子線路易造成干擾。4.6 激光調Q技術 (2)聲光調Q 其開關時間小于脈沖建立時間，屬于快開關類型。開關的調制電壓只需一百多伏，易與連續激光器配合調Q，可獲得kHz高重復頻率的巨脈沖，且脈沖的重復性好，可獲得峰值功率為幾百千瓦，脈寬約為幾十納秒的巨脈沖。但由于它對高能量激光器的開關能力較差，所以，

10、只能用于低增益的連續激光器上。 (3)可飽和吸收體調Q 這是一種被動式的快開關類型，這種Q開關結構簡單，使用方便，沒有電的干擾，可獲得峰值功率為幾兆瓦、脈寬為十幾納秒的巨脈沖。其主要缺點是，由于它是一種被動式Q開關，產生調Q脈沖的時刻有一定的隨機性，不能人為地控制。另外，染料易變質，需經常更換，輸出不穩定。總結：三、調方法4.6 激光調Q技術4.6 激光調Q技術 激光調Q概念 調Q原理 調Q方法主要講以下幾個問題：1、自由運轉多模激光器的輸出特性2、鎖模原理3、鎖模方法4.7 激光鎖模技術 本節目標本節目標：掌握激光鎖模的概念、分類，理解其原理。：掌握激光鎖模的概念、分類，理解其原理。 本節任

11、務本節任務：會敘述鎖模技術的目的、分類、結果。：會敘述鎖模技術的目的、分類、結果。4.7 激光鎖模技術 每個縱模的電場表達式 相鄰縱模間的頻率間隔 qqqqtEtEcosLvLvqq2 qqtiqqeEtE總的輸出aqq1tE一、自由運轉（非鎖模）多模激光器的輸出特性各縱模建立時間不同，Eq, wq和位相不同，輸出為多個縱模無規疊加的結果4.7 激光鎖模技術二、鎖模原理 多縱模相位鎖定aqq1鎖模物理機制：采取措施使腔內各個縱模的初始相位保持一致或各縱模間有確定的相位關系, 輸出為等間隔短脈沖序列。舉例: 三個縱模鎖定后的光波疊加tEEtEEtEE1031021016cos4cos2cos（振

12、幅相等）（初始相位為0）4.7 激光鎖模技術n1 , n2 , n3 n2 = 2n1, n3 = 3n1 E1 = E2 = E3 = E0 , 1 = 2 = 3 = 0tEEtEEtEE1031021016cos4cos2cos202003211030211030211202003219310,21320,2131930EEEEEEEEtEEEEEEtEEEEEEtEEEEEEEEt極大值極大值極大值極大值極小值極小值極小值極小值0.00.30.60.91.21.51.8-101E(t)t討論: 假設 2N+1 個模振蕩, 振幅相同 (E0)qqqq01Lcq相鄰縱模間相位差相鄰縱模角頻

13、率間隔 0000coscoscosNNqNqNE tEqtqEtqt 鎖定時q-N-(N-1)-2-1012(N-1)Nq0-N0-(N-1)0- 00+0+(N-1)0+Nq-N-(N-1) -0(N-1) N ttNEtA21sin1221sin0 001sin212cos1sin2NtE tEtt .振幅調制包絡振幅討論: 假設 2N+1 個模振蕩, 振幅相同 (E0) 0000coscoscosNNqNqNE tEqtqEtqt 鎖定時 ttNEtA21sin1221sin0 001sin212cos1sin2NtE tEtt 振幅0.00.30.60.91.21.51.8-101E(

14、t)t0.00.30.60.91.21.51.80246810I(t)t三、鎖模脈沖特性 (1) 峰值功率 Im (光強極大值) 20212102ENI.,mmtm極大值 鎖模后脈沖峰值功率是未鎖模時的（2N1）倍 模式個數多有利于鎖模脈沖峰值功率的提高 振蕩模式增多的途徑：模式個數(2) 鎖模脈沖間隔相鄰脈沖極大值之間間隔 (T0) tsintNsinEtAtI211221222022012ENI未鎖定時qcLT1220Lq F（熒光線寬寬）FoscqNNcLN111211212122(3) 脈沖寬度 (t) 可通過DnF 估算鎖模脈寬 釹玻璃 DnF 7.51012 ps激光器類型激光器類

15、型熒光線寬熒光線寬（s s-1-1）熒光線寬的倒數熒光線寬的倒數(s)(s)脈沖寬度脈沖寬度（測量值）（測量值）(s)(s)氦氖1.51096.6610-10610-10Nd:YAG1.9510115.210-127.610-12釹玻璃7.510121.3310-13410-13若丹明 6G5101231013210-13310-14310-14GaAlAs (0.85m)101310-130.53010-12InGaAsP (1.55m)1012101310-1210-1345010-12鈦寶石 (900nm) 1014fs(1) 振幅調制 (AM)法鎖模 （損耗調制鎖模）損耗調制器工作物質

16、E1(t)E2(t)E3(t) 0000coscosttEEtEm 0000coscos1ttMEtEa .cos2cos2cos0000000000tEMtEMtEtEaa0EEMma其中(調幅系數)LLqq2四、鎖模方法 主動鎖模(Actively mode locked)* 振幅調制 相位調制 被動鎖模(Passive mode locking) 可飽和吸收體 4.7 激光鎖模技術損耗調制頻率損耗調制周期 Lc2cLT 20周期為T0，寬度極窄的光開關 0011Ttt此刻光信號可無損通過，經 t1NT0，此信號將再次無損通過； 02tt2時刻光信號 每次經過調制器則損失一部分能量；結果：

17、 的光信號，能形成光振蕩，其余光信號 01ttt1t2t損耗調制器（光開關）工作物質LcLcqq2tcL4cL2)(tA從時域角度解釋AM鎖模000202003030從頻域角度（均勻加寬）000Lvq(2) 相位調制鎖模 (頻率調制)隨外加電壓變化lEcclzxx26330tEEzcos001122 ttcos相位調制函數 相位調制幅度.脈沖在時域上被壓窄的同時，在頻域上被加寬 ttEtEcoscos0000t= t0 , t1, t2, t3 . 0tt= t0 , t1, t2, t3 .每經過調制器一次會產生頻移, 使頻移增大，最終導致光頻移出增益曲線外，不再被放大.頻率偏移 dttdt

18、 ttsin0故相位調制器的作用類似損耗調制器。相位調制器工作物質 ttcosLcLcqq2(2) 相位調制鎖模 (頻率調制)隨外加電壓變化4.7 激光鎖模技術Saturable absorber鎖模機理：利用其快速飽和特性來壓縮脈沖。脈沖兩翼較脈沖中部經歷更多損耗，足夠強的脈沖中部光強可使吸收飽和，最終使兩翼光強越來越低，脈沖頂部越來越高，脈沖被壓窄。1102I/IsT0.40.60.81.0 半導體吸收介質：單層或許多量子阱層堆疊；超晶格結構3)飽和吸收體被動鎖模4.7 激光鎖模技術被動鎖模條件：1、燃料的吸收線應和激光波長很接近；2、吸收線的線寬要大于或等于激光線寬；3、馳豫時間應短于脈

19、沖在腔內往返一次的時間。3)飽和吸收體被動鎖模4.7 激光鎖模技術4.7 激光鎖模技術0102030-10-8-6-4-20246810Et主要講以下幾個問題：1、自由運轉多模激光器的輸出特性2、鎖模原理3、鎖模方法4.7 激光鎖模技術4.8 激光器的泵浦技術 直接泵浦 間接泵浦泵浦源將粒子由基態直接泵浦到激發態。直接泵浦4.8 激光器的泵浦技術泵浦源不是粒子由基態直接泵浦到激發態，而是通過一中間態能級Ei做一個中間轉移過程，最后使粒子達到激發態的過程叫間接泵浦。間接泵浦對粒子泵浦：一、直接泵浦4.8 激光器的泵浦技術131313BBcIW1.8931333113138AhcBggB1313KNWp1. 9013113pK13113ppNW eeeNW13131. 91缺點（三能級系統）一、直接泵浦 4.8 激光器的泵浦技術1、從基態到激發態泵浦效率低；粒子泵浦的13光泵浦的B13太小2、即使泵浦效率足夠，但同一過程也可能發生在E1和E2之間，使得粒子數反轉難以形成。依照中間態Ei相對激發態Eu的 高低，