激光特性控制與改善

1、第六章 激光器特性控制與改善第一節(jié) 模式選擇技術(shù)高階橫模激光束光強(qiáng)分布不均勻，光束發(fā)散角大，空間相干性差多縱模激光器光束單色性差，時(shí)間相干性差一、橫模選擇的基礎(chǔ)諧振腔種不同橫模具有不同的損耗是橫模選擇的物理基礎(chǔ)。TEM00模單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)的充分條件同時(shí)相鄰橫模TEM10模滿足增大高階橫模與基模的衍射損耗比，并提高衍射損耗在總損耗中所占的比例，有利于橫模選擇。二、橫模選擇的具體方法 N增大，增大N增大，減小N相同時(shí)， g越小，模的鑒別力越高（大），但是越小屬于哪類共焦腔？屬于哪類共焦腔？選模方法1：選擇穩(wěn)定腔的光腔參數(shù)選模方法2： 腔鏡傾斜選模選模方法3：非穩(wěn)腔選模選模方法4：小孔光闌選模對(duì)于的穩(wěn)定

2、腔（利用圖7.1.1）加小孔前 N=2 ，假設(shè)其他損耗為，總的損耗比加小孔后 N=1 ，假設(shè)其他損耗為，在穩(wěn)定腔中，可以較大，但是衍射損耗在總損耗中所占的比例較小，可以增加小孔光闌(降低腔的菲涅耳數(shù))來(lái)提高衍射損耗所占的比例。這是雖然取決于衍射損耗的模鑒別力下降，但是總的損耗比卻增加。在實(shí)際使用中，加小孔往往將腔的菲涅耳數(shù)降低幾十到上百倍。三、縱模選擇通過(guò)窄帶濾波器和色散元件選擇振蕩能級(jí)。在同一個(gè)譜線振蕩線寬內(nèi)選擇縱模：1 短腔法擴(kuò)大相鄰縱模增益差增益帶寬縱模頻率間隔：當(dāng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)單縱模振蕩適用于氣體激光器等熒光線寬較窄的激光器例如：泵浦強(qiáng)度為2倍閾值時(shí)，對(duì)于He-Ne激光器，對(duì)于CO2激光器，

3、對(duì)于紅寶石激光器，2.行波腔法消除駐波效應(yīng)3選擇性損耗在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具或利用復(fù)合腔，利用多光束干涉，是諧振腔具有與頻率相關(guān)的選擇性損耗。插入標(biāo)準(zhǔn)具時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)具的透射率對(duì)應(yīng)峰值：相鄰?fù)干浞彘g隔透射譜線寬度當(dāng)，且時(shí)，可得單縱模振蕩。其他組合腔?？怂故访芩垢缮鎯x選模裝置外腔半導(dǎo)體激光器選模裝置第二節(jié) Q調(diào)制弛豫振蕩的概念（同學(xué)復(fù)習(xí)）一、 Q調(diào)制激光器的工作原理0t1時(shí)刻：在泵浦源激勵(lì)的作用下迅速增加，但是，N的數(shù)值很小，不能產(chǎn)生激光。tt1時(shí)，。tt時(shí)刻：t1時(shí)，損耗突然下降至，由于，光子數(shù)密度N迅速增加，導(dǎo)致被迅速消耗，t時(shí)刻，達(dá)到最大值。tt時(shí)刻：，N開始減小，至t時(shí)刻，N減小到Ni，光脈沖消失。

4、基本原理：通過(guò)某種方法使諧振腔損耗因子按照規(guī)定的程序變化，在泵浦激勵(lì)剛開始時(shí)，粒子數(shù)可以積累到較高水平，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻，腔的損耗因子突然降低到，閾值也隨之降低，此時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大大超過(guò)閾值，受激輻射迅速增強(qiáng)，在極短的時(shí)間內(nèi)，上能級(jí)儲(chǔ)存的大部分粒子的能量轉(zhuǎn)換為激光能量，形成很強(qiáng)的激光脈沖輸出。采用調(diào)Q技術(shù)可以獲得峰值功率高于兆瓦，脈寬幾十納秒的脈沖。二、調(diào)Q激光器特性峰值功率在忽略開關(guān)時(shí)間，以及脈沖持續(xù)過(guò)程中自發(fā)輻射和泵浦激勵(lì)的影響，有速率方程組出發(fā)，可以得到三能級(jí)系統(tǒng)最大光子數(shù)密度工作物質(zhì)截面積S，一個(gè)反射鏡透過(guò)率T，另一個(gè)反射鏡透射率為零時(shí)，激光器峰值功率Pm為Nm和Pm都隨增加而增大，取決于下

5、列因素：）越大，則允許達(dá)到的越大，越小，越小，應(yīng)提高數(shù)值；）泵浦源功率越高，越大；）激光上能級(jí)壽命越長(zhǎng)，越大一般氣體激光器上能級(jí)壽命較短，不適合作調(diào)Q器件（He-Ne上能級(jí)壽命僅為ns），氣體激光器中僅CO2激光器上能級(jí)壽命較長(zhǎng)（ms），可采用調(diào)Q技術(shù)。二、巨脈沖能量巨脈沖開始時(shí)，工作物質(zhì)中可能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す獾某跏寄芰浚瑑?chǔ)能熄滅時(shí)，剩余能量腔內(nèi)巨脈沖的能量輸出巨脈沖能量 能量利用率 儲(chǔ)能越大，巨脈沖能量越大，越小，越大，巨脈沖能量越大。3時(shí)間特性 N由Nm/2上升至Nm的時(shí)間，tr N由Nm下降至Nm/2的時(shí)間，te1）增大時(shí)，脈沖前沿和后沿同時(shí)變窄，相對(duì)來(lái)說(shuō)，前沿變窄更顯著。因?yàn)樵酱螅粌?nèi)凈增益

6、系數(shù)越大，腔內(nèi)光子數(shù)的增長(zhǎng)及反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的衰減越迅速，脈沖的建立和熄滅過(guò)程越短。2）脈沖寬度正比于，又和腔長(zhǎng)呈正比，與損耗成反比，因此宜用短腔、低損耗結(jié)構(gòu)。影響脈沖寬度的因素：光泵激勵(lì)在截面內(nèi)不均勻；Q開關(guān)時(shí)間三、Q調(diào)制方法1電光調(diào)Q 電光效應(yīng)：某些晶體在外加電場(chǎng)作用下，其折射率發(fā)生變化，使通過(guò)晶體的不同偏振方向的光產(chǎn)生位相差，使光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)普克爾效應(yīng)；克爾效應(yīng)常用電光晶體KDP,KD*P,LiNbO3及BSO特點(diǎn)開關(guān)時(shí)間短，可獲得脈沖寬度窄，峰值功率高的巨脈沖。工作原理：電光晶體上施加電壓時(shí),從偏振器出射的偏振光經(jīng)過(guò)電光晶體后，其偏振方向旋轉(zhuǎn)450再次穿過(guò)時(shí)，又旋轉(zhuǎn)4

7、50，往返傳播，偏振方向旋轉(zhuǎn)900，無(wú)法穿過(guò)偏振片。說(shuō)明電光調(diào)Q工作過(guò)程。2聲光調(diào)Q 聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與聲波信號(hào)相應(yīng)的，隨時(shí)間和空間變化的彈性形變，從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期變化，形成等效光柵。光束經(jīng)過(guò)此介質(zhì)時(shí)，一部分光偏離傳播方向在滿足透射光束分裂為零級(jí)與+1（或-1）及衍射光。常用換能器材料：鈮酸鋰、石英聲光介質(zhì)材料：熔融石英、鉬酸鉛等說(shuō)明聲光調(diào)Q工作過(guò)程。 聲光調(diào)指屬快開關(guān)型，調(diào)制電壓低3被動(dòng)調(diào)Q飽和吸收體：被動(dòng)調(diào)Q工作過(guò)程。4脈沖透射式調(diào)Q（腔倒空） 諧振腔有全反射鏡M1和可控反射鏡M2組成，t<0時(shí)，M2鏡全反射處于調(diào)Q狀態(tài)，激光器振蕩但無(wú)輸出，激光能量?jī)?chǔ)存在諧

8、振腔中，t=0時(shí)，控制M2使其透射率達(dá)到%，儲(chǔ)存于腔內(nèi)激光能量迅速逸出腔外，輸出巨脈沖。 特點(diǎn)：脈寬短，僅為數(shù)納秒，2L/C第三節(jié) 鎖模技術(shù)鎖模脈沖寬度可達(dá)（10-1110-14）S一、鎖模原理激光器相鄰縱模頻率間隔：角頻率間隔：相鄰縱模初始位相差恒定時(shí)，個(gè)縱模干涉增強(qiáng)得到的最大光強(qiáng)；不發(fā)生干涉時(shí)：鎖模后峰值功率提高了倍注：脈沖峰值功率決定于縱模數(shù)目，而縱模數(shù)目決定于腔長(zhǎng)和熒光線寬，固體激光器熒光線寬大，鎖模效果好。脈沖峰值時(shí)間間隔：脈沖的寬度：二、鎖模方法采取強(qiáng)制措施使各縱模粗位相保持確定關(guān)系，并使模相鄰頻率間隔相等。常用的調(diào)制方法包括振幅調(diào)制、相位調(diào)制、被動(dòng)鎖模等。振幅調(diào)制：在激光諧振腔中插入電光調(diào)制器，使腔損耗發(fā)生角頻率為的周期性變化。調(diào)制的結(jié)果使中心頻率振蕩不僅包含原有角頻率的成分，還有角頻率為，初位相不變的兩個(gè)邊頻