激光技术资料.pptx

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1、 一个短脉冲的形成和消失,可以由激光系统反转粒子数密度的增减变化来解释.造成系统反转粒子数密度增加的因素是光泵的激励，其增加速率在一个短脉冲的长消过程中可以看成是不变的。使反转粒子数密度减少的因素是受激辐射，其减少速率则因腔内光子数密度的多少而变化。第1页/共85页一个短脉冲的生成过程可以分成四个阶段。如图所示:第2页/共85页 第一阶段为 。起始时，光泵激励使反转粒子数密度 增加。在 时，受激辐射尚未开始，所以 的增长速率占优势。当 达到阈值时，开始产生激光，激光器内光子数密度 急剧增加。由于是受激辐射，所以 的减少速率也逐渐变大。只要光泵造成的增加速率还大于受激辐射造成的减少速率时，仍然在

2、增加，直到 时二速率相等，达到了极值。第二阶段为 。在 以后，此阶段 仍成立。所以激光继续产生，腔内光子数密度 仍急剧增加。受激辐射造成的 减少速率也继续变大，于是就超过了光泵激励造成的增加速率，这时 开始减小。到 时又回到阈值。第3页/共85页 第三阶段为 。时间过 之后，又有 成立。但 仍大于零，受激辐射并末停止。这样就造成两种后果：一是此时 ，即增益小于损耗腔内光子数密度必急剧减少；二是由于受激辐射的存在，将继续减少。此两者综合结果是 的减少速率逐惭变小了。等到 时，减少速率又等于光泵激励所造成的增加速率。第四阶段为 。时可经 之后，的增加速率又占了优 势等到 时，又达到阂值 之后，第二

3、个尖脉冲又得以重复。在整个光泵激励时间内，这种过程要多次反复发生，这就形成了一连串的尖峰结构。且光泵功率越大，尖峰形成就越快，尖峰的时间间隔就越小。第4页/共85页由上述的尖峰结构可见，脉冲激光输出具有如下几个特点：(1)总在 附近振荡变化，的总水平不高，因此，增益也就达不到较高的值总输出水平不会太高。(2)在光泵灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间较早，结束较晚，也就是指整个激光脉冲宽度很宽。(3)激光脉冲不够平滑。第5页/共85页调Q(Q开关)技术第6页/共85页调Q(Q开关)技术两个基本问题：一、调Q技术的基本概念和基本理论二、实现调Q技术的方法：1.电光调Q；2.声光调Q；3.染料调

4、Q；4.色心晶体调Q；5.转镜调Q。第7页/共85页概述一、调Q技术的目的：压缩脉冲宽度，提高峰值功率。第8页/共85页二、一般固体脉冲激光器的输出特性 1.输出的脉冲是系列尖峰振荡 激光器在阈值附近工作。2.脉宽比较宽，输出功率低 第9页/共85页三、调Q原理 1.定义：Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标-品质因数。Q值-定义为在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。式中W-腔内储存的总能量，dW/dt-光子能量的损耗速率，即单位时间内损耗的能量。-激光的中心频率。2调节Q值的途径 一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。第10页/共85页 3调Q技术的过程 (

5、1)能量贮存过程 a.激活介质贮能 当光泵的能量被激光介质吸收后，使激活离子贮存在激活介质的高能态上（该能级有一定的寿命）。不产生激光辐射从而使反转粒子数达到最大值。实现这一过程，满足的条件：达到最大值，增益达到最大，而 很大，使阈值高，满足 ，激光不振荡，Q低。b.激活介质谐振腔组合贮能先是使反转粒子数达到最大值,但满足 然后使 产生激光又以光子的形式贮存在腔内。第11页/共85页 (2)激光产生与输出过程 条件：,减小到 ,Q达到最高。因为增益最大，所以 小时，激光迅速建立，在极短的时间内，工作物质贮能通过光子的受激辐射过程释放出来，形成巨脉冲。调Q的过程：调节 ，相当于Q是一个门，关上门

6、，Q低贮能，打开门产生激光。第12页/共85页三、Q开关激光器的特点 1.通过改变改变Q值改变阈值，控制激光产生的时间。2.两阶段 （1）储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值。（2）激光产生输出 忽略泵浦和自发辐射的影响。3.开关时间 从Q值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要的时间叫开关时间。开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小分为快、慢两种类型。第13页/共85页1 转镜调Q技术将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴,使其在每一转动周期中,只有当两个反射镜平行时损耗最小,因而通过控制旋转镜,从而控制光腔的反射损耗-调Q第14页/共85页2 电光晶体调Q 电光晶体调

7、Q原理 利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。例如：采用KDP纵向运用方式，即Z向加电场，Z向通光 第15页/共85页 第一阶段是在晶体上加 。偏振光通过KDP晶体时分解为沿X和Y方向振动的振幅相等的两束光，两束光的振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播时，其合成的规迹由两光的相位差来决定，当 时，两束光合成为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原振动方向旋转90度。因为P1/P2，所以，从晶体出来的光不能通过P2，被P2反射掉。所以光不能在腔内来回传播形成振荡。这就相当于腔内光子的损耗很大，Q值很高，称为“关门”状态。第16页/共85页（2）第二阶段：脉冲形成阶段

8、Q开关完全打开 在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值 时，突然退去晶体上的电压，这时晶体又恢复了原来的状态，光在腔内形成振荡。第17页/共85页（3）激光器的时序关系 电光Q开关的过程由晶体上加一阶跃式电压来完成的。是快开关，因此时序关系同阶跃式Q开关。（4）电光晶体Q开关的电路 要获得一高峰值功率的窄脉冲，对同步电路的要求是：a 给出可靠的触发信号去点燃氙灯。b在点燃氙灯的同时，给出一脉冲信号经过一段延迟时间后，退去晶体上的电压，打开Q开关。延迟时间可靠、准确、可调。c退电压要快开关速度快。d晶体上加 电压，要求稳定可调。e保证Q开关关的及时。第18页/共85页2简化的结构：前面的结构在

9、晶体上加 ，对于KDP来说=10000V，给电路带来不便。腔内插入两个偏振片，增加插入损耗，改进结构。晶体上加 ：从YAG来的光通过P变成x(y)方向振动的光，通过KDP时，分成x(y)方向振动的光，加 ，两束光的相位差 。出射晶体以后，合成为圆偏光（偏振面旋转45度），这束圆偏光通过全反射后第二次通过KDP，o、e光又得到 相位差合成为线偏光。线偏光的偏振方向和入射光的偏振方向成90度，或者说光通过KDP两次，o、e光的相位差 ，和前面的结构实际是一样的。第19页/共85页3 声光调Q 一、声光调Q原理：1.声光调Q：声光介质在超声波的作用下，折射率发生周期性变化，使介质变成正弦相位光栅，当

10、光通过这样的介质时，发生衍射。第20页/共85页二、声光Q开关的结构声光Q开关的结构:换能器、声光介质、吸收器三个部分组成，第21页/共85页三、声光Q开关的应用 由于声光Q开关需要的调制电压很低，一般小于200V，声光Q开关最大优点是用于高重复频率的Q开关激光器。在连续激光器中加入声光Q开关，可以得到高重复频率的调Q脉冲。特点：优点：声光Q开关是快开关，可以获得1000次/秒以上的高重复率的激光脉冲，而且脉冲的重复性很好。缺点：只用于低增益的连续激光器，对于高增益的激光器，开关能力差，容易“关不死门”。脉宽比较宽，开关速度比电光Q开关慢。第22页/共85页5 被动式可饱和吸收调Q 一、可饱和

11、吸收染料调Q的基本原理 利用一种可饱和吸收体做为Q开关，这种可饱和吸收染料是一种非线性吸收物质，把它放在谐振腔内，利用它对光的可饱和吸收特性来改变谐振腔内的吸收损耗，起到Q开关的作用。1.可饱和吸收体的吸收特性。可饱和吸收体是一种非线性吸收物质。假设一束光通过吸收物质时，吸收系数为 ，透过率 ，吸收率为 ，则 则 第23页/共85页2饱和吸收原理 染料具有饱和吸收的原理可以用能级跃迁的量子理论来解释。吸收物质初始状态：染料分子处于基态，-二能级系统。N吸收物质总粒子密度；n1、n2分别是高能态，基态粒子密度。染料从基态到高能态吸收光子，故初始 大。当染料吸收光强从基态到高能态时，则n1减小，n

12、2增加。染料的吸收存在两过程 吸收体对入射光强的改变应是这两个过程的综合过程。高能态粒子越多，则吸收光强越少。即n2增加，下降。当高能态粒子数n2和基态粒子数n1相等时，这时从低能态到高能态的受激跃迁的粒子数和从高能态到基态放出光子的粒子数相等。即吸收的和放出的光子相等。达到饱和。第24页/共85页二、染料调Q激光器 1.染料Q开关激光器型式 两种，染料盒和全反射镜合为一体，利用染料盒的后壁做全反镜。在锁模中用。染料盒单独放在腔内，这种机构注意避免染料盒的表面和反射镜之间形成寄生振荡。一般染料盒倾斜一个小角度 ，也可以倾斜布儒斯特角。第25页/共85页2.染料Q开关的工作过程（1）、阶段，积累

13、 a.初始态，氙灯未点燃，腔内u0，染料 很大，染料分子处于基态；b氙灯点燃，工作物质开始积累，这时工作物质的上能级自发辐射产生的荧光被染料分子吸收，但u小，都被染料吸收，损耗很大。低Q高损耗，激光不能形成振荡。（2）激光形成与输出阶段 a.随着荧光的不断被染料吸收，则 ，即腔内的损耗不断下降，当下降到 时，激光到达阈值，开始振荡Q开关打开。b.激光达到 阈值开始振荡，因此腔内激光密度u很强，染料很快达到饱和，染料无吸收损耗，Q开关完全打开输出一巨脉冲。第26页/共85页三、影响调Q的效果的因素 主要讨论吸收体、输入能量、吸收体浓度对调Q效果的影响。1.染料吸收体 吸收体是染料Q开关的核心，它

14、对调Q的效果影响最大。因此合理的选择染料很重要，并不是什么样的染料都可以做调Q开关，而且不同的工作物质所需要的染料不同。染料需满足下面条件：（1）吸收体的吸收峰和激光器的中心波长对应 （2）染料配成溶液要具有一定的稳定性。（3）选择的染料必须有高的开关效率。第27页/共85页2.染料浓度的影响 （1）染料浓度N大 基态n1大，初 始大，当染料饱和时n1=n2，从基态的粒子激发到高能态达到饱和时吸收的光强多饱和光强大，因此染料从初态到饱和需要的时间长延迟时间长。如果N过大，饱和光强大，腔内的光强不能使染料达到饱和，这时染料起不到Q开关的作用。（2）染料的浓度小 N小，小，延迟时间短 小，输出功率

15、小。由于Q开关打开的时间早，容易出现多脉冲。如果N过小，则实际上是尖峰振荡。结论：在一定的输入能量下，存在一个最佳浓度，延迟时间正好使 达到最大值。此时激光器输出单脉冲，峰值功率最高。第28页/共85页3.输入能量 一定的输入能量对应一个最佳浓度。输入能量改变，最佳浓度变，当输入能量增加时，最佳浓度向着浓的方向移动。因为输入能量的变化，相当于腔内光强变化，延迟时间变化，变。4.染料盒的影响，若l（盒的厚度）变，则 一定时（一定），最佳浓度N变，l 小，N大，对于稳定的脉冲输出是有利的。溶剂的比例小，因此溶剂的吸收损耗小。一般尽量选薄一些的染料盒（1mm左右）。5.输出镜反射率的影响 反射率R大

16、，腔内u高；R小，腔内u小（在相同输入能量下，R大延迟时间短）。R对延迟时间有影响。R比静态激光器低，使延迟时间更长，利于 的积累。第29页/共85页四、染料Q开关的特点 优点：1.简单方便。这种Q开关只要配好溶液放在染料盒内，或做成染料片成品。放谐振腔中即可。而电光调Q中还需要一套电路系统控制Q开关。2.速度快。染料Q开关属于快开关。一般10-9nS量级。3.自动实现开关和增益的调谐。4.具有选模的作用。在中心频率附近的模式，增益高，先振荡，消耗；而增益低的模式被抑止（在漂白前）。漂白后，其他模能够振荡。缺点：1.同步精度差。不需要同步装置简单，但要得到很好的调Q效果需要经过反复实验。而实际

17、要求和Q开关激光器同步，染料Q开关不能使用。2.稳定性差。染料的溶液不稳定，影响输出的功率不稳定。3.输出功率不能很大。因为染料调Q激光器实际上在阈值附近工作。因此染料Q开关激光器适用于同步精度要求不高，稳定性要求不高的实际应用。第30页/共85页LiF可饱和吸收晶体Q开关 1.工作原理：LiF晶体是无色透明晶体，不能做Q开关晶体用，但当它经过射线辐射后就可以产生色心，开始变为棕红色。随着辐射剂量的大小不同，其着色的深浅也不同，产生不同的色心F，F2，心等。由于色心不同，吸收谱产生了明显的变化。利用LiF色心晶体在Nd：YAG激光器及红宝石激光器中实现调Q。第31页/共85页2.特点（1）被动

18、式Q开关，利用LiF色心晶体可饱和吸收的特点。（2）作为Q开关，晶体相对于染料长期稳定性好，光学质量好，抗光损伤阈值高。第32页/共85页一、调Q技术的基本概念和基本理论 实现调Q的方法机、电、声、染料 1.调Q 的目的，Q的物理意义，如何实现调Q 调Q的目的：压缩脉冲宽度。调Q激光器用于很多方面：阴影照相，测量高速运动的物体速度;全息照相，对运动物体拍照 2.基本理论 （1）能利用速率方程分析调Q的过程 （2）峰值功率和脉冲宽度 （3）开关效率第33页/共85页二、实现调Q的方法 1.电光晶体调Q (1)反射式Q开关原理，利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，改变Q值。(2)透射式Q开

19、关，三阶段：a.粒子积累，b.激光产生，c.激光输出。2.声光调Q：利用布拉格衍射，行波。3.可饱和吸收体调Q (1)染料可饱和吸收特性 染料吸收率是光强的函数，初时的吸收率很大，光强增大，吸收率减少，吸收率为0，染料饱和。(2)染料Q开关激光器第34页/共85页 (3)影响的因素 a.染料的选择：中心波长、稳定、提高开关效率等 b.染料的浓度，最佳浓度。c.输入能量，一定的输入能量对应一最佳浓度。d.染料合，薄。e.镜的反射率。4.LiF色心晶体Q开关 5.转镜调Q第35页/共85页模式选择技术第36页/共85页l横模选择原理和方法l纵模选择原理和方法l模式的测量方法 第37页/共85页l目

20、的：减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。l模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。l纵模：沿腔轴线方向电磁场的本征态。纵模数表示激光振荡频率数，纵模数多，单色性差。单一纵模单色性最好。l横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同。基横模光强是高斯形，光场分布均匀，发散角最小。随着横模序数的增加，光场的范围加大，分布不均匀，发散角越来越大。一般激光器中有很多模式振荡，实际的光场分布是复合模。为了改善激光的方向性，必须选出基横模。l改善激光的方向性，提高单色性是实际应用的要求。激光打孔。激光全息、精密干涉计量要求单色性好。第38页

21、/共85页横模选择技术 有关理论:在稳定腔中，采用衍射理论选 模 1.两条原则 模的衍射损耗 要小。必须尽量增大 和 模衍射损耗的比值 。总之：原则上是采取一定的办法加大基模和高阶横模衍射损耗的差别，使高阶横模的损耗大于增益不能振荡，而基模满足阈值条件，保存下来，达到选出基横模的目的。第39页/共85页2.影响衍射损耗的因素与腔型和g参数有关，不同的腔型和g，衍射损耗不同。同一种腔型，不同横模，衍射损耗不同。模 最小，随着模序数增加，越来越大。同一种腔型，菲涅尔数 不同，衍射损耗不同。在不同N，g下，和 模的衍射损耗曲线，这是选模的设计依据。第40页/共85页3.基模体积模体积表示某一模式在腔

22、内所扩展的空间范围。一个模式体积的大小表示了对该模的振荡有贡献的反转粒子数的多少，因而输出功率大小。为了使选出的基模获得大的输出功率，必须考虑基模体积和哪些因素有关。基模体积和腔型有关：增大腔镜的曲率半径，基模体积增大(R增大 大)。当R一定时，L有最佳值，R=L时，模体积最大。在选模中，不但选出单一基模，而且应尽可能使选择的腔型增大模体积输出功率增大。第41页/共85页横模选择方法1.稳定腔中的模式选择(1)腔参数g、N选择法-利用衍射损耗来进行选模。(2)元件选模法 小孔光栏法-在腔中加一小孔光栏使 来实现选模。聚焦光栏法-加入聚焦透镜，在焦点处放小孔光栏。(3)长腔法-增加腔长(适当的增

23、加)，能改善激光的模式。2.介稳腔的选模 平行平面腔-模的光束沿轴向传播，无偏折损耗，只有透射损耗；而高阶模偏离轴向传播，有偏折损耗和透射 损耗。为偏折损耗和透射损耗之比，它大则偏折损耗大即 高阶模的损耗大，对选模有利。在平平腔中利用提高 的方法进行选模。第42页/共85页3.非稳腔的横模选择(几何光学方法分析)非稳腔中任何傍轴光线经过有限次往返传播必将逸出腔外。因为非稳腔N大，衍射损耗小可以忽略，主要表现横向逸出腔外；各模的光束在腔内是不稳定的，因此光束偏折损耗比介稳腔大。它是高损耗腔，是一种选模方法。4.可饱和染料选模在腔中放入有机染料，利用它的可饱和吸收特性选模。模功率密度高，染料易于饱

24、和,损耗小，能振荡。高阶模功率密度低，染料不能饱和,损耗大，不能振荡。.第43页/共85页纵模选择技术 选单纵模即是选出单一的频率，单色性好。在多横模的腔中，光的频率很复杂，各频率间隔小，在增益线宽中振荡的频率多，从中选出单个频率很困难，因此在选纵模之前先选横模-基模。纵模选择方法1.色散腔粗选频率 激光介质的谱线常常不止一条，在选单一频率之前，如果先使激光处在单一的谱线上,对选纵模有利。原理：在腔中加入一色散元件，使不同波长的光发生分离，其中只有较窄波长范围的光振荡，其他波长的光偏离腔外。选出一条谱线,谱线的宽度可以达到10nm。第44页/共85页色散元件:棱镜，光栅棱镜:光通过棱镜时，不同

25、的光出射角不同，则损耗不同，能够振荡的光只有一范围 。角色散率 最大偏离角 光栅利用炫耀光栅方程：满足上式的光才能在腔中振荡(入射光线和反射光线重合)。偏离此式的光损耗大，偏离的多，光不能振荡。光沿槽法线方向入射，出射光沿此方向。特点：上述两种色散腔粗选法只能选出具有一定宽度的谱线，不能选出单一的频率。第45页/共85页2.短腔法选纵模 原理:利用减少腔长的办法增加纵模频率间隔当 时，实现单模振荡。特点：结构简单，无插入损耗，只需缩短腔长即可实现单模。输出功率减小，L小，工作物质尺寸小，模体积小，输出功率小。只适用于增益介质线宽 窄的气体激光器中。3.法布里珀罗标准具选纵模把法布里珀罗标准具放

26、到腔内选纵模,是目前应用最广的方法。第46页/共85页(1)法布里珀罗标准具(F-P)F-P原理：由两块平行板玻璃组成，它是利用多光束的干涉原理做成的。它对光的透过率和反射率均是频率的周期函数。-标准具的反射精细度,-标准具的自由光谱区,-标准具的带宽 具有最大透过率的相邻二频率的间隔 (自由光谱区)第47页/共85页第48页/共85页(2)选模原理当把标准具放在腔内时，除了处于标准具最大透过率频率的光之外，其他频率的光由于反射损耗大，不能振荡，激光的振荡频率受到限制，实现单一纵模的条件：a.标准具只有一个最大透过率频宽落在介质的增益线宽之内 b.最大透过率的谱宽 ,要求越小越好(3)应注意的

27、问题：a.入射角要适当,易于产生寄生振荡。b.改变腔长，使选出的频率 为激光器的中心频率。(4)特点：a.输出功率比较大。b.通过改变标准具参数的方法适用于各类激光器选模。c.存在插入损耗。d.腔内激光能量不能太高，否则损害标准具。第49页/共85页第50页/共85页4.行波腔选纵模适用于均匀加宽的工作物质，行波腔结构只允许光束在腔内单方向通过，因此消除了光束在腔内形成的驻波场和空间非均匀效应，利用模式的竞争效应实现单模振荡。结构：在腔中加一光学隔离器，一般采用法拉第旋转器。第51页/共85页要得到单一的模式，除了合适的方法之外，还需要注意以下几个问题：1.光泵均匀2.固体工作物质的光学均匀性

28、好3.腔镜调整：尽量对称使轴线重合,否则模式畸变。4.光学表面清洁 5.动态比静态困难6.破坏问题只有合理的选模方法，并克服种种不利因素，才能得到高质量的激光模。第52页/共85页横模测量 直接测量：1.直接观测(适合连续激光器)2.照相（适合连续、脉冲激光器）3.观测远场图：对于脉冲激光器,时间短，无法直接进行观察，利用在相纸上打点的办法，观察远场图，判定模式。4.目前广泛应用的采用摄像管或电荷耦合器件（CCD）来测量模式并能测出光斑大小及发散角的大小。第53页/共85页光电扫描法把输出激光光强的x x、y y方向上逐点扫描在示波器上显示出来，或用函数记录仪把光强的分布直接接收下来划出曲线，

29、根据曲线的形状，判定模式。适用于连续激光器的横模测量。相干性判别法 从模式的概念出发，模式是光子存在的状态，指在相空间能不能区分，不能区分是一个状态，否则不同状态。单一状态是相干的，从时空相干性来判断是否单模。时间相干反映纵模结构是否单一，空间相干反映横模结构是否单一。全息照相法利用扫描法再现底片，重现图中可得到横模的场结构。第54页/共85页纵模测量分光计测频谱 应用狭缝分光计（衍射光栅或棱镜）或者干涉分光计能大致观察到振荡光谱。有局限性，纵模频率间隔大扫描干涉仪对连续激光器的模式进行测量，主要测纵模也可判定横模。法布里珀罗照相法利用法布里珀罗的标准具的透射特性，根据干涉条纹的套数来判定激光

30、的模式：如一个频率的激光则产生圆环清晰。如二个模式则条纹不重合。第55页/共85页稳频技术第56页/共85页概 述 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点变化，稳频是实际的要求。频率的稳定性和复现性 1.频率的稳定性 激光器连续运转时，在一定的时间间隔内平均频率 与该时间内频率的变化量 之比，用s表示。2.频率的复现性 激光器在不同的时间、地点等条件下频率重复或再现的精度，用R表示。注意：频率稳定性表示激光频率在平均频率附近的漂移，频率的再现性表示平均频率本身的变化。第57页/共85页影响激光频率稳定的因素：频率的稳定性主要取决于n，L的稳定 1.引起n，L变化的外界因素：温度变化的影响。

31、大气变化的影响。机械振动的影响。磁场的影响。2.引起频率变化的内部因素：激光管内充气压比例不同，气压、放电电流变化引起频率变化。由于原子自发辐射造成的无规则噪声影响到频率。第58页/共85页稳频的一般原理：稳频的实质：保持n、L不变。1.稳频的原理:采用负反馈电路控制稳频技术。选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，鉴频器给出误差讯号,通过负反馈电路去控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。2.鉴频器：是稳频的关键部件。任务：a.提供标准频率。b.频率鉴别：当激光器振荡频率偏离标准频率时，能够鉴别出来。对鉴频器的要求：a.中心频率要稳定，标准频率不能有漂移。b.灵敏度要

32、高，微小变化能鉴别。鉴频器的类型：以原子谱线本身作为鉴频器；以外界标准频率做鉴频器第59页/共85页蓝姆凹陷稳频 稳频原理：1.蓝姆凹陷：对非均匀加宽激光介质，激光器输出的功率（或光强）在中心频率处最小。2.结构和原理：主要由三部分组成：单纵模激光器。其中一块反射镜固定在压电陶瓷上，利用压电陶瓷的伸缩来调整腔长L。光探测器。利用光电转换装置，将光信号转变为电信号 作为电路的信号。电路系统。将误差讯号转成一直流电压加到压电陶瓷上，以改变腔长。第60页/共85页第61页/共85页稳定度：稳频最关心的是稳定度。要提高频率的稳定度，希望频率微小的变化就能产生大的可以分辨的误差讯号dI，即要求 大-灵敏

33、度高。凹陷的深度越大，dI大，则 大。一般要求凹陷的深度大约等于输出光强1/8，稳定性好。增加深度的办法：a.降低腔内损耗降低阈值。b.提高信号增益，可以调节放电电流，使工作在最佳状态。要求凹陷线型对称。这样在 的两侧 相同。如果两侧误差讯号不对称，小的一侧dI小，灵敏度小。利用蓝姆凹陷稳频最高可达s-110-9。漂移再现性误差R10-7。稳定度和再现性受到限制。第62页/共85页塞曼效应稳频 塞曼效应：1.定义：在磁场的作用下，光谱线发生分裂的现象。2.稳频原理：由于原子谱线在磁场的作用下发生分裂，因此利用V左、V右光强差别来进行稳频。原理：利用塞曼分裂后左、右旋光增益曲线的交点 作为标准频

34、率，当 偏离 时，根据V左、V右光强的变化做误差讯号，利用电路反馈系统控制激光器腔长，使-=0。结构：激光器-反射镜加到压电陶瓷上。电光晶体。P-检偏器 电路系统给出偏差电压dv。光电转换装置。第63页/共85页第64页/共85页激光强度的稳定 稳频实质是稳定腔长，而在稳频中通过激光输出光强的变化作误差信号通过电路的处理控制腔长从而达到稳频的目的。为了达到稳频的目的，要求激光输出的强度除了频率的漂移造成的光强度变化之外，其他因素造成的光强变化应该尽力避免。如放电电流、电压变化造成的光强变化，否则干扰频率的稳定甚至无法稳频。为了排除其他因素造成的激光强度变化采取的措施：1.激光器的电源加稳压稳流

35、装置。激光强度稳定到n2.采用稳定激光强度控制装置。第65页/共85页频率稳定性及复现性测量 由于激光的频率极高，直接测量频率的稳定度是很困难的，通常采用拍频的方法进行相对测量。拍频：把两台稳频激光器的输出频率进行比较测得相对稳定性。因此两光波的频率一定相差很小，小。两束光混合之后，激光的相干性强，每列波初相位不变产生干涉。合成光波的光强周期性的变化，变化的频率由差频决定。光强变化的频率/2 第66页/共85页用拍频技术测量频率的稳定性和复现性 将两台同样结构、同样运转条件的激光器所输出的两束光经过混合到光电接收器上得到一差频信号。经过宽带放大器的放大，在一定的取样时间内用数字频率计显示差频的

36、平均值。一般取的不是瞬时频率差，采用统计的阿仑方差的方法求平均值。1.激光频率偏差的双取样阿仑方差表示式 2.激光频率稳定度的双取样阿仑方差表示式 第67页/共85页锁模技术1 锁模的原理和输出特性2锁模的方法:主动锁模，被动锁模第68页/共85页一.目的 压缩脉冲宽度,高峰值功率,Q开关激光器一般脉宽达10-8s-10-9s量级,如果再压缩脉宽,Q开关激光器已经无能为力,但有很多实际应用需要更窄的脉冲.例:1.激光测距，为了提高测距的精度,则脉宽越窄越好.2.激光高速摄影.为了拍照高速运动的物体,提高照片的清晰度,也要压缩脉宽.3.对一些超快过程的研究,激光核聚变,激光光谱,荧光寿命的测定,

37、非线性光学的研究等需窄的脉宽.第69页/共85页二.多模激光器的输出特性.未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。多纵横，主要讨论各模之间的关系，把每一模式的光波做为一束光来处理。纵模频率频率间隔 式中L光学长度 q纵模序数假定在激光器工作物质净增益线宽内超过阈值的纵模即在腔内振荡假定在激光器工作物质净增益线宽内超过阈值的纵模即在腔内振荡的模式有的模式有2N2N1 1个。个。纵模表示式纵模表示式 式中式中 和和 分别是第分别是第q q模的角频率和相位，模的角频率和相位，第第q q模的电场振幅，模的电场振幅，q q 激激光器内光器内2N2N1 1个振荡模中第个振荡模中第q q个纵模数，个纵模数，第

38、70页/共85页1.激光器输出特性各振荡模的振幅和相位无规则分布 -中心频率处的振幅大，远离中心小，且它们之间变化无规律。-各模的初相位，在 之间分布，或 常数。对于不同的时间，每个模的振幅和相位也有变化，随时间漂移。第71页/共85页图3.1-2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构模,(a)-非锁模,(b)-理想锁模第72页/共85页输出的光强是各个纵模无规叠加。输出的光强是各纵模光强的无规叠加，接收到的光强是时间的平均值。第73页/共85页总光强的平均值是各纵模光强之和的1/2。相位分布对输出光强有影响的，不同，各模不相干。假定在一般激光器中设法使相邻两纵模间的位相固定。相位有规律。常数 由

39、于各相邻模之间的频率间隔是固定的，各模的振动方向（偏振光）或振动方式（自然光）对于一定激光器是相同的。各振荡模具备了上述三个条件，各模光波变成相干波。，因此输出的光波可能是一序列的脉冲形式。对于每一脉冲来说，脉宽窄了，峰值功率大大增加，锁相激光器锁模。第74页/共85页（a）2N+1个模式经过锁定以后，总的光波场变为频率为 的单色调幅波，振幅A(t)即总光波场受到振幅调制。(b)光强 是时间的函数。(c)光波电场调幅波按傅立叶分析是由2N+1个纵模频率 组成，因此光波的脉冲包括2N+1个纵模的光波。第75页/共85页第76页/共85页在自由运转的激光器中加入调制器。调制器 振幅调制（AM）强度

40、调制损耗调制易实现。声光、电光。相位调制（FM）输出脉宽窄，实现难（电光）加小孔栏的目的，选出单一基横模纵模锁定。1.振幅调制 以声光调制器为例。声光调制，一般采用驻波式，布拉格衍射。布拉格产生两级光,在锁模中以0级光做为输出光。则1级光做为损耗光第77页/共85页设光波电场：，调制信号：受到调制的光波电场为：光波受到振幅调制的频谱。光波的频率 与其边频 之间的相位差为0。这几个频率的光波被锁定。同样，当 的光波被调制时,又激发边频 它们之间的相位差为0，又被固定。依次类推 ，如果这些模是激光器中的纵模,则被锁定。设在调制器上加一交变信号a(t)。第78页/共85页在a(t)变化的一周期中，分

41、析一下腔内损耗变化的情况。输出光 损耗光a(t)=0 最大 0,损耗 最小a(t)=Am 最小 最大,损耗 最大a(t)=0 最大 0,损耗 最小a(t)=Am 最小 最大,损耗 最大因此，损耗变化的频率为调制频率的2倍，损耗变化率为损耗率 透过率 式中 平均损耗率,损耗变化的幅值,平均透过率,透过率变化的振幅。注：假定损耗和透过率的变化和调制信号成线性关系，实际上根据前面调制公式，不是线性关系，但这样的假定不影响讨论。第79页/共85页声光介质的折射率：式中：调制前：调制器的吸收散射，反射等损耗 设加调制器前光波电场为（即光波在进入调制器前）所以光波的电场变为第80页/共85页式中 振幅的平

42、均值，调制系数 ，振幅变化幅值。第81页/共85页已经分析了振幅调制以后的频谱：调制以后的光波频率为。三光波的相位为 ，因此满足相位固定的条件：结论：当一束频率为的光波受到振幅调制以后，又产生了两个频率为 的光波（边频）并且三个光波的相位相同，满足相位固定的锁模条件。锁模过程：假设处于增益曲线中心的频率为 ，由于它的增益最大，首先开始振荡第82页/共85页当此光波通过腔内的调制器时受到调制注意：腔内损耗变化的角频率，是调制信号角频率的两倍。调制的结果产生了两个边频分量 ，当损耗变化的频率和腔内纵模的频率间隔相等调制信号的频率 则 调制激发的边频实际上是和相邻的两个纵模频率，这样中心频率调制的结果，使与它相邻的两个纵模振荡。通过激光介质被放大，当它们通过调制器时，这两个模又受到调制，调制的结果又激发了新的边频 和 第83页/共85页这个过程继续下去，直到在激光线宽内所有纵模振荡为止。这些模式的相位相同 符合锁模条件可见，锁模的关键，必须使腔内损耗的变化频率和腔内纵模频率间隔相等。调制信号的频率第84页/共85页感谢您的观看！第85页/共85页