脉冲激光器 (2)精选文档.ppt

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1、脉冲激光器脉冲激光器本讲稿第一页，共二十四页n n一、脉冲激光器简介n n二、超短脉冲激光器n n三、激光调Q技术n n四、激光锁模技术本讲稿第二页，共二十四页一、脉冲激光器简介一、脉冲激光器简介n n脉冲工作方式：每间隔一定时间才工作一次的方式。n n脉冲激光器脉冲激光器 ：以脉冲工作方式工作的激光器：以脉冲工作方式工作的激光器 。n n特点：输出功率大、亮度高n n应用：激光打标、切割、测距等应用：激光打标、切割、测距等 本讲稿第三页，共二十四页n n常见脉冲激光器：固体激光器中的钇铝石榴石（固体激光器中的钇铝石榴石（YAGYAG）激光器、红宝）激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器等；石激光

2、器、钕玻璃激光器等；氮分子激光器、准分子激光器等；短脉冲激光器（短脉冲激光器（ps级）级）超短脉冲激光器（超短脉冲激光器（fs fs级）本讲稿第四页，共二十四页固固体体脉脉冲冲激激光光器器本讲稿第五页，共二十四页氮分子激光器氮分子激光器n n于于19631963年发明，它是一种以氮气为主要工作材料的激光发射装年发明，它是一种以氮气为主要工作材料的激光发射装置，属于脉冲激光（间歇性工作）。置，属于脉冲激光（间歇性工作）。n n发射带在发射带在UVUV（紫外）波段，主要是（紫外）波段，主要是337.1nm 337.1nm、357.7 nm357.7 nm、315.9 315.9 nmnm。能级结构

3、能级结构本讲稿第六页，共二十四页准分子激光器准分子激光器 n n常态下为原子，在激发态下能暂时结合成的不稳定分子，叫常态下为原子，在激发态下能暂时结合成的不稳定分子，叫受激准分子，简称准分子。准分子激光器的工作物质就是准受激准分子，简称准分子。准分子激光器的工作物质就是准分子气体。分子气体。第一台准分子激光器于1970年诞生 较高激发态较高激发态激光上能级激光上能级基态，激光下能级基态，激光下能级准分子的能级结构准分子的能级结构本讲稿第七页，共二十四页二、超短脉冲激光器二、超短脉冲激光器n n发展：上世纪8080年代年代 ：染料飞秒激光器：染料飞秒激光器固体飞秒激固体飞秒激光器；光器；90年代

4、至今：年代至今：飞秒光纤激光器（采用普通单模光纤）飞秒光纤激光器（采用普通单模光纤）飞秒光纤激光器（采用光子晶体光纤）飞秒光纤激光器是主体以光纤为基础，包括光纤做成的增益介质，光纤做成的锁模谐振器等等，制造的飞秒脉冲激光器。本讲稿第八页，共二十四页飞秒光纤激光器产品实例飞秒光纤激光器产品实例本讲稿第九页，共二十四页超短脉冲激光器超短脉冲激光器n n应用：超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学应用：超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和解释的超快以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和解释的超快过程的重要手段，也是实现高速光通信系统的必要条件之

5、过程的重要手段，也是实现高速光通信系统的必要条件之一，发送的信号光脉冲越窄，单位时间内可发送的脉冲数一，发送的信号光脉冲越窄，单位时间内可发送的脉冲数就越多，传输的信息量就越大。就越多，传输的信息量就越大。医学、光信息处理、全色显示、激光印刷等。医学、光信息处理、全色显示、激光印刷等。n n特点：具有一定的重复频率、高能量、高峰值功率、高光特点：具有一定的重复频率、高能量、高峰值功率、高光束质量束质量本讲稿第十页，共二十四页n n激光器产生超短光脉冲采用的技术通常有两种:调Q Q 技术和锁模技术。调Q 技术：压缩激光脉冲宽度，得到脉宽为毫微秒级量级、峰值功率为千兆瓦量级的激光巨脉冲。锁模技术：

6、进一步对激光进行特殊的调制，强迫激光器中振荡的各个纵模的相位固定，使各模式相干叠加以得到超短脉冲。本讲稿第十一页，共二十四页三、激光调三、激光调Q技术技术问题：一般固体激光器的脉冲输出不是一个光滑脉冲，而是一群由许多振幅、脉宽和间隔 随机变化的尖峰脉冲组成。随机变化的尖峰脉冲组成。19611961年年提出调提出调Q Q概念；概念；19621962年年制成第一台调制成第一台调Q Q激光激光器。器。本讲稿第十二页，共二十四页1、品质因数、品质因数QQ=2谐振腔内存储的能量谐振腔内存储的能量每振荡周期损耗的能量每振荡周期损耗的能量谐振腔损耗大，谐振腔损耗大，Q Q值低；损耗小，值低；损耗小，Q Q值

7、高。值高。激光器谐振腔的性能指标，与腔中介质的增益系数无关。激光器谐振腔的性能指标，与腔中介质的增益系数无关。定义式：定义式：本讲稿第十三页，共二十四页2、调、调Q原理原理n n采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低高损耗低Q状态状态，此时激光的阈值很高，粒子密度反转数累，此时激光的阈值很高，粒子密度反转数累计到很高水平也不会产生振荡；计到很高水平也不会产生振荡；n n粒子密度反转数达到峰值时，突然使腔的Q Q值增大，导致激光介质的增益大大超过阈值，极快产生振荡；n n存储在亚稳态上的粒子具有的能量很快转换为光子的能量，光子如雪崩一样以高速率增长，激光

8、器便可输出一个峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。本讲稿第十四页，共二十四页3、Q调制方法调制方法主要的调制方法：n n主动调制：电光调Q、声光调Q；n n被动调制：染料调Q。本讲稿第十五页，共二十四页四、激光锁模技术四、激光锁模技术需求：激光核聚变、超快过程、非线性光学等一些试验中，需要比调Q技术得到的激光脉冲更窄，功率更高的脉冲。解决：采用锁模技术，可得到脉宽为飞秒量级、峰值解决：采用锁模技术，可得到脉宽为飞秒量级、峰值功率高于功率高于T瓦量级的超短激光脉冲。锁模技术：进一步对激光进行特殊的调制，强迫激光锁模技术：进一步对激光进行特殊的调制，强迫激光器中振荡的各个纵模的相位固定，使各模式相干器

9、中振荡的各个纵模的相位固定，使各模式相干叠加以得到超短脉冲。叠加以得到超短脉冲。本讲稿第十六页，共二十四页1、锁模原理、锁模原理一般非均匀增宽激光器，总是产生多纵模。EqEq、q q、qq为第为第q q个模式的振幅、角频率及初位相。个模式的振幅、角频率及初位相。空间空间z=0z=0处，它的电矢量大小为：处，它的电矢量大小为：则总的输出为则总的输出为 各个模式的振幅各个模式的振幅E Eq q、初位、初位 q q均无确定关系，各个模式互均无确定关系，各个模式互不相干，因而激光输出是它们的无规叠加的结果，输出强度不相干，因而激光输出是它们的无规叠加的结果，输出强度随时间无规则起伏。随时间无规则起伏。

10、本讲稿第十七页，共二十四页 锁模技术让谐振腔中可能存在的锁模技术让谐振腔中可能存在的纵模同步振纵模同步振荡荡，让各模的频率，让各模的频率间隔保持相等间隔保持相等间隔保持相等间隔保持相等并使各模的初位初位相保持为常数相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。本讲稿第十八页，共二十四页常数常数恰为纵模角频率间隔，恰为纵模角频率间隔，0 0激光中心角频率。1 1）设腔内有）设腔内有q=-Nq=-N，-(N-1)-(N-1)，0 0，(N-1)(N-1)，N N，共（，共（2N+12N+1）个模式，设相邻模式角频率之差个模式，设相邻模式角频率之差=c/L=c/L则：则：本讲稿第十九页

11、，共二十四页 2 2）假设各模振幅相等假设各模振幅相等 ,光强相等光强相等 I Iq q=I=Iq-1 q-1=I=I0 0则激光器输出的总光波场是则激光器输出的总光波场是2N1个纵模相干的结果个纵模相干的结果.(2N+1)个模式合成电场强度个模式合成电场强度Eq=E0，初相位相同q=q-1=0按指数形式展开，再用三角函数按指数形式展开，再用三角函数可得：可得：振幅随时间振幅随时间而变化而变化本讲稿第二十页，共二十四页输出光强输出光强光强随时光强随时间而变化间而变化下图为下图为(2N+1)=7个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。本讲稿第二十一页，共二

12、十四页（1）当t/2=m时，m=0，1，2光强最大。锁模后（锁模后（2N+12N+1）模式的想干叠加结果的光强峰值功率与成正比。如果各模式相位未被锁定，输出功率为各模功率之和如果各模式相位未被锁定，输出功率为各模功率之和,即即 。由此可见，锁模后脉冲峰值功率比未锁模时。由此可见，锁模后脉冲峰值功率比未锁模时提高了提高了(2N+1)(2N+1)倍。腔长越长，荧光线宽越大倍。腔长越长，荧光线宽越大,则腔内振荡的纵则腔内振荡的纵模数目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大。模数目越多，锁模脉冲的峰值功率就越大。本讲稿第二十二页，共二十四页图4-30 锁模光强脉冲 (2N+1=9)（2）相邻脉冲峰值间的时间间隔相邻脉冲峰值间的时间间隔 激光器的输出是脉冲间隔激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。固定的规则脉冲序列。（3）脉冲的宽度）脉冲的宽度 v为锁模激光的带宽为锁模激光的带宽半功率点的时间间隔近似地等于半功率点的时间间隔近似地等于本讲稿第二十三页，共二十四页2、锁模方法锁模方法1)1)主动锁模主动锁模 (1)振幅调制锁模振幅调制锁模:谐振腔中插入一个电光或 声光损耗调制器；(2)相位调制锁模相位调制锁模:谐振腔中插入一个电光位相调制谐振腔中插入一个电光位相调制器。器。2)被动锁模 具有饱和吸收的染料盒插入谐振腔。具有饱和吸收的染料盒插入谐振腔。本讲稿第二十四页，共二十四页