激光特性的控制與改善

1、1趙風(fēng)周趙風(fēng)周物理學(xué)院物理學(xué)院2021年年10月月激光原理與技術(shù)2v模式選擇技術(shù)（橫模和縱模）模式選擇技術(shù)（橫模和縱模）v穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)vQ調(diào)制技術(shù)調(diào)制技術(shù)v鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)3v從一臺簡單激光器出射的激光束，其性能往往不能滿足應(yīng)用的需要，因此不斷地發(fā)展了旨在控制與改善激光器輸出特件的各種單元技術(shù)。v為了改善激光器輸出光的時間相干性或空間相干性，發(fā)展了模式選擇、穩(wěn)頻及注入鎖定技術(shù)。為了獲得窄脈沖高峰值功率的激光束，發(fā)展了Q調(diào)制、鎖模、增益開關(guān)及腔倒空技術(shù)。4速率方程速率方程增益飽和增益飽和激激 光光 器器工作特性工作特性振蕩閾值振蕩閾值振蕩模式振蕩模式輸出功率輸出功率輸出線寬輸出線寬弛豫振蕩弛

2、豫振蕩選選 模模調(diào)調(diào)Q/鎖模鎖模/放大放大穩(wěn)穩(wěn) 頻頻LD直接調(diào)制直接調(diào)制/增益開關(guān)增益開關(guān)DFB諧振腔諧振腔理理 論論高斯光束高斯光束頻率變換頻率變換技術(shù)技術(shù)輸出頻率輸出頻率5v理想激光器的輸出光束應(yīng)只具有一個模式，但不采取選模措施時，多數(shù)激光器的工作狀理想激光器的輸出光束應(yīng)只具有一個模式，但不采取選模措施時，多數(shù)激光器的工作狀態(tài)是多模的。態(tài)是多模的。v選模的意義：選模的意義：v基橫?；鶛M模(TEM00)發(fā)散角小，空間相干性好發(fā)散角小，空間相干性好v單縱模單縱模 單色性好，時間相干性好單色性好，時間相干性好v激光準(zhǔn)直、激光加工、非線性光學(xué)研究、激光中遠程測距等應(yīng)用均需基橫模激光束。而激光準(zhǔn)直、

3、激光加工、非線性光學(xué)研究、激光中遠程測距等應(yīng)用均需基橫模激光束。而在精密干涉計量、光通信及大面積全息照相等應(yīng)用中不僅要求激光是單橫模的，同時要在精密干涉計量、光通信及大面積全息照相等應(yīng)用中不僅要求激光是單橫模的，同時要求光束僅含有一個縱模。求光束僅含有一個縱模。61.1 橫模選擇橫模選擇q物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)：諧振腔中不同橫模具有不同的損耗：諧振腔中不同橫模具有不同的損耗q在穩(wěn)定腔中，基模的衍射損耗最低，橫模階次增高，衍射損耗迅速增加。在穩(wěn)定腔中，基模的衍射損耗最低，橫模階次增高，衍射損耗迅速增加。單模運轉(zhuǎn)的充分條件單模運轉(zhuǎn)的充分條件TEM00模的單程增益至少能補償其在腔內(nèi)的單程損耗模的單程增益至

4、少能補償其在腔內(nèi)的單程損耗1)exp()1 (0000021lgrrv相鄰橫模應(yīng)滿足相鄰橫模應(yīng)滿足1)exp()1 (0101021lgrr7橫模選擇的原則橫模選擇的原則q在各個橫模的增益大體相向的條件下，不同橫模間衍射損耗的差別就是進行橫模選擇的在各個橫模的增益大體相向的條件下，不同橫模間衍射損耗的差別就是進行橫模選擇的根據(jù)。根據(jù)。q原則原則v盡量增大高階橫模與基模的衍射損耗比，損耗比越大，則橫模鑒別力越高盡量增大高階橫模與基模的衍射損耗比，損耗比越大，則橫模鑒別力越高盡可能減少除衍射損耗外的其它損耗，加大衍射損耗在總損耗中的比例盡可能減少除衍射損耗外的其它損耗，加大衍射損耗在總損耗中的比例

5、81、小孔光闌選模、小孔光闌選模小孔小孔小孔小孔基本思路：基本思路：r減小諧振腔的菲涅耳數(shù)，增加衍射損耗減小諧振腔的菲涅耳數(shù)，增加衍射損耗rTEM00模和其它高階模有不同的光斑尺寸模和其它高階模有不同的光斑尺寸特點：特點：r方法簡單方法簡單r不易獲得大功率輸出不易獲得大功率輸出92、諧振腔參數(shù)、諧振腔參數(shù)g、N選模選模r適當(dāng)選擇諧振腔的類型和腔參數(shù)適當(dāng)選擇諧振腔的類型和腔參數(shù)g、N，滿足諧振腔單模運轉(zhuǎn)充分條件，實現(xiàn)基橫模，滿足諧振腔單模運轉(zhuǎn)充分條件，實現(xiàn)基橫模輸出輸出3、非穩(wěn)腔選模、非穩(wěn)腔選模r非穩(wěn)腔是高損耗腔，不同橫模的損耗有很大差異非穩(wěn)腔是高損耗腔，不同橫模的損耗有很大差異r適用于高增益激

6、光器選橫模適用于高增益激光器選橫模r非穩(wěn)腔的輸出光束為球面波或平面波非穩(wěn)腔的輸出光束為球面波或平面波4、微調(diào)諧振腔、微調(diào)諧振腔r平面腔：腔鏡傾斜可抑制基模，實現(xiàn)高階模振蕩平面腔：腔鏡傾斜可抑制基模，實現(xiàn)高階模振蕩r穩(wěn)定腔：傾斜腔鏡基模受影響小，高階模損耗明顯增大穩(wěn)定腔：傾斜腔鏡基模受影響小，高階模損耗明顯增大101.2 縱模選擇縱模選擇v激光工作物質(zhì)中往往存在多對激光振蕩能級，可以利用窄帶介質(zhì)膜反射鏡、光柵、棱鏡激光工作物質(zhì)中往往存在多對激光振蕩能級，可以利用窄帶介質(zhì)膜反射鏡、光柵、棱鏡等構(gòu)成色散腔獲得特定波長的躍遷振蕩等構(gòu)成色散腔獲得特定波長的躍遷振蕩v縱模選擇縱模選擇：在特定躍遷譜線范圍內(nèi)

7、獲得單縱模的方法：在特定躍遷譜線范圍內(nèi)獲得單縱模的方法v一般諧振腔不同縱模損耗相同，但是小信號增益各異一般諧振腔不同縱模損耗相同，但是小信號增益各異擴大擴大相鄰縱模的相鄰縱模的增益差增益差或人為或人為引入損耗差引入損耗差111、短腔法、短腔法r縮短腔長，增大相鄰縱模間隔縮短腔長，增大相鄰縱模間隔小信號增益曲線上滿足閾值條件的有效寬度內(nèi)只小信號增益曲線上滿足閾值條件的有效寬度內(nèi)只存在一個縱模存在一個縱模osc2Lcq 0glgthFoscr適用于熒光線寬窄的激光器適用于熒光線寬窄的激光器 0.5mmHz102YAGNdGHz5 . 1m1 . 0GHz5 . 1Ne-He11FDLLq，：單模激

8、光器，例：122、行波腔法、行波腔法抑制燒孔效應(yīng)抑制燒孔效應(yīng)r均勻加寬物質(zhì)存在增益飽和，有助于形成單縱模振蕩均勻加寬物質(zhì)存在增益飽和，有助于形成單縱模振蕩r駐波腔存在空間燒孔效應(yīng)，激勵足夠強時，仍然會出現(xiàn)多縱模振蕩駐波腔存在空間燒孔效應(yīng)，激勵足夠強時，仍然會出現(xiàn)多縱模振蕩r采用采用環(huán)形腔環(huán)形腔，且在腔內(nèi)插入一個只允許光單向通過的，且在腔內(nèi)插入一個只允許光單向通過的隔離器隔離器，可形成，可形成行波場行波場，實現(xiàn)單，實現(xiàn)單縱模振蕩縱模振蕩隔離器隔離器激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)133、選擇性損耗法、選擇性損耗法r在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具或構(gòu)成組合腔，由于多光束干涉效應(yīng)，諧振腔具有與頻率相關(guān)的選在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具

9、或構(gòu)成組合腔，由于多光束干涉效應(yīng)，諧振腔具有與頻率相關(guān)的選擇性損耗擇性損耗Ld激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)cos2dcjjrrdc12透射譜寬度cos2dcj14v調(diào)整調(diào)整 角，使角，使 j = q，且有，且有Lcqj2osc，v可獲得單縱模輸出可獲得單縱模輸出v復(fù)合腔復(fù)合腔福克斯?？怂? -史密斯型復(fù)合腔史密斯型復(fù)合腔外腔半導(dǎo)體激光器選模裝置外腔半導(dǎo)體激光器選模裝置15v諧振腔內(nèi)折射率均勻時，單縱模單橫模激光器的頻率為諧振腔內(nèi)折射率均勻時，單縱模單橫模激光器的頻率為2.1外界因素對頻率穩(wěn)定性的影響外界因素對頻率穩(wěn)定性的影響Lcqq2v諧振腔幾何長度變化：溫度、振動，諧振腔幾何長度變化：溫度、振動

10、， L10-3/oCv折射率變化：溫度，折射率變化：溫度， n起伏起伏(放電電流、驅(qū)動電流等放電電流、驅(qū)動電流等)，氣壓、濕度，氣壓、濕度 v頻率漂移頻率漂移LLLLqqq161、頻率穩(wěn)定度、頻率穩(wěn)定度 之比與頻率漂移量內(nèi)，頻率平均值：某一測量時間間隔| |)(Sv平常說的穩(wěn)定度為平常說的穩(wěn)定度為10-8，10-9等，就是這個意思。等，就是這個意思。v顯然，變化量顯然，變化量(t t)越小，則越小，則S (t t)越大，表示頻率的穩(wěn)定性越好。越大，表示頻率的穩(wěn)定性越好。 v習(xí)慣上，有時把習(xí)慣上，有時把S (t t)的倒數(shù)作為穩(wěn)定度的量度，即的倒數(shù)作為穩(wěn)定度的量度，即|)(1S172、頻率復(fù)現(xiàn)性

11、、頻率復(fù)現(xiàn)性對作為頻率或波長基準(zhǔn)的激光器，不僅要求穩(wěn)定度高，而且要求頻率重復(fù)性的精度也高對作為頻率或波長基準(zhǔn)的激光器，不僅要求穩(wěn)定度高，而且要求頻率重復(fù)性的精度也高。頻率復(fù)現(xiàn)性頻率復(fù)現(xiàn)性：不同地點、時間、環(huán)境下穩(wěn)定頻率的偏差量與它們的平均頻率：不同地點、時間、環(huán)境下穩(wěn)定頻率的偏差量與它們的平均頻率(標(biāo)準(zhǔn)頻率標(biāo)準(zhǔn)頻率)的比值，指的是的比值，指的是標(biāo)準(zhǔn)頻率自身的變化標(biāo)準(zhǔn)頻率自身的變化 sssRv評價一臺穩(wěn)頻激光器，不僅要看其頻率穩(wěn)定度，而且還要看它的頻率復(fù)現(xiàn)性。評價一臺穩(wěn)頻激光器，不僅要看其頻率穩(wěn)定度，而且還要看它的頻率復(fù)現(xiàn)性。182.2 激光器主動穩(wěn)頻技術(shù)激光器主動穩(wěn)頻技術(shù)v穩(wěn)頻技術(shù)的實質(zhì)就是保

12、持諧振腔穩(wěn)頻技術(shù)的實質(zhì)就是保持諧振腔光程長度的穩(wěn)定性光程長度的穩(wěn)定性。v主動穩(wěn)頻技術(shù)主動穩(wěn)頻技術(shù)就是選取一個穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離此特定的就是選取一個穩(wěn)定的參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，當(dāng)外界影響使激光頻率偏離此特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率時，能設(shè)法鑒別出來，再人為地通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)腔長，將激光頻率回復(fù)標(biāo)準(zhǔn)頻率時，能設(shè)法鑒別出來，再人為地通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)腔長，將激光頻率回復(fù)到特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率上，最后達到穩(wěn)頻的目的到特定的標(biāo)準(zhǔn)頻率上，最后達到穩(wěn)頻的目的v主動穩(wěn)頻的方法大致可以分為兩類主動穩(wěn)頻的方法大致可以分為兩類v利用原子譜線中心頻率作為鑒別器進行穩(wěn)頻，如蘭姆凹陷穩(wěn)頻法利用原子譜線中心頻率作為鑒別

13、器進行穩(wěn)頻，如蘭姆凹陷穩(wěn)頻法v利用外界參考頻率作為鑒別器標(biāo)準(zhǔn)進行穩(wěn)頻，如飽和吸收穩(wěn)頻法利用外界參考頻率作為鑒別器標(biāo)準(zhǔn)進行穩(wěn)頻，如飽和吸收穩(wěn)頻法19一、蘭姆凹陷穩(wěn)頻1. 基本原理基本原理蘭姆凹陷穩(wěn)頻法是以增益曲線中心頻率蘭姆凹陷穩(wěn)頻法是以增益曲線中心頻率 0作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，通過電子伺服系統(tǒng)驅(qū)動壓電陶作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，通過電子伺服系統(tǒng)驅(qū)動壓電陶瓷環(huán)來控制激光器腔長的，瓷環(huán)來控制激光器腔長的， 它可使頻率穩(wěn)定于它可使頻率穩(wěn)定于 0處，其穩(wěn)頻裝如圖處，其穩(wěn)頻裝如圖20v激光管采用熱膨脹系數(shù)很小的石英做成外腔式結(jié)構(gòu)，諧振腔的兩個反射鏡安置在殷鋼架上，激光管采用熱膨脹系數(shù)很小的石英做成外腔式結(jié)構(gòu)，諧振腔

14、的兩個反射鏡安置在殷鋼架上，其中一個貼在壓電陶瓷環(huán)上其中一個貼在壓電陶瓷環(huán)上v陶瓷環(huán)的長度約為幾厘米，環(huán)的內(nèi)外表面接有兩個電極，加有頻率為陶瓷環(huán)的長度約為幾厘米，環(huán)的內(nèi)外表面接有兩個電極，加有頻率為f 的調(diào)制電壓，當(dāng)外表的調(diào)制電壓，當(dāng)外表面為正電壓面為正電壓, 內(nèi)表面為負電壓時陶瓷環(huán)伸長內(nèi)表面為負電壓時陶瓷環(huán)伸長, 反之則縮短。反之則縮短。v改變陶瓷環(huán)上的電壓即可調(diào)整諧振腔的長度，以補償外界因素所造成的腔長變化。改變陶瓷環(huán)上的電壓即可調(diào)整諧振腔的長度，以補償外界因素所造成的腔長變化。v光電接收器一般采用硅光電三極管，它能將光信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號光電接收器一般采用硅光電三極管，它能將光信號轉(zhuǎn)變

15、成相應(yīng)的電信號。212. 穩(wěn)頻過程穩(wěn)頻過程q壓電陶瓷上加一直流電壓和一頻率為壓電陶瓷上加一直流電壓和一頻率為f 的音頻調(diào)制電壓的音頻調(diào)制電壓激光頻率激光頻率 = 0，調(diào)制電壓使其在，調(diào)制電壓使其在 0附近變化，輸出功率附近變化，輸出功率P以以2f 做周期性變化做周期性變化選頻放大選頻放大器輸出為器輸出為0，壓電陶瓷上沒有電壓，激光器工作于，壓電陶瓷上沒有電壓，激光器工作于 0頻率頻率v若若 0，激光輸出功率調(diào)制頻率為，激光輸出功率調(diào)制頻率為f，與調(diào)，與調(diào)制電壓同相位；光電接收器輸出頻率為制電壓同相位；光電接收器輸出頻率為f的信的信號，送入相敏檢波器號，送入相敏檢波器, 使其輸出一負直流電使其輸

16、出一負直流電壓壓, 使壓電陶瓷縮短使壓電陶瓷縮短, 腔長增加，激光頻率被腔長增加，激光頻率被拉回拉回 022蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實質(zhì)蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實質(zhì) v經(jīng)譜線的中心頻率經(jīng)譜線的中心頻率 0作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光振蕩頻率偏離作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光振蕩頻率偏離 0時，即輸出一誤差信息時，即輸出一誤差信息v通過伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏離的大小和方向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié)壓電陶瓷的伸縮來控制通過伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏離的大小和方向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié)壓電陶瓷的伸縮來控制腔長腔長v把激光振蕩頻率自動地鎖定在蘭姆凹陷中心處把激光振蕩頻率自動地鎖定在蘭姆凹陷中心處q為了改善頻率穩(wěn)定性為了改善頻率穩(wěn)定性, 希望微弱的頻率漂移

17、就能產(chǎn)生足以將頻率拉回希望微弱的頻率漂移就能產(chǎn)生足以將頻率拉回 0的誤差信號，這就的誤差信號，這就要求蘭姆凹陷窄而深，即要求蘭姆凹陷窄而深，即蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率盡可能大蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率盡可能大 233. 應(yīng)用蘭姆凹陷穩(wěn)頻時應(yīng)注意的問題應(yīng)用蘭姆凹陷穩(wěn)頻時應(yīng)注意的問題v穩(wěn)頻激光器不僅要求是單橫模，而且還要求必須是單縱模穩(wěn)頻激光器不僅要求是單橫模，而且還要求必須是單縱模v頻率穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率有關(guān)，斜率越大，誤差信號就越大，因而靈敏度高，頻率穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率有關(guān)，斜率越大，誤差信號就越大，因而靈敏度高，穩(wěn)定性就越好穩(wěn)定性就越好v蘭姆凹陷線型的對稱性也影響頻率的穩(wěn)定

18、性蘭姆凹陷線型的對稱性也影響頻率的穩(wěn)定性v蘭姆凹陷穩(wěn)頻以原子躍遷譜線中心頻率蘭姆凹陷穩(wěn)頻以原子躍遷譜線中心頻率 0作為參考標(biāo)準(zhǔn)作為參考標(biāo)準(zhǔn) 24二、塞曼穩(wěn)頻1. 基本原理基本原理v利用塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻包括利用塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻包括縱向塞曼穩(wěn)頻縱向塞曼穩(wěn)頻、橫向塞曼穩(wěn)頻橫向塞曼穩(wěn)頻、塞曼吸收穩(wěn)頻塞曼吸收穩(wěn)頻三類三類塞曼效應(yīng)塞曼效應(yīng)：原子的光譜線在外磁場中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象：原子的光譜線在外磁場中出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象 v不加外磁場時，原子在兩個能級不加外磁場時，原子在兩個能級E1和和E2(E1E2)之間躍遷的能量差為：之間躍遷的能量差為： E=E2-E1=h v原子核的磁矩比電子磁矩小大約三個數(shù)量級，如果只考慮電子的

19、磁矩對原子總磁矩的貢獻，原子核的磁矩比電子磁矩小大約三個數(shù)量級，如果只考慮電子的磁矩對原子總磁矩的貢獻，那么磁場引起的附加能量為那么磁場引起的附加能量為 U=- B=- zB=mJgJ BB25v原子的每一個能級分裂成若干分立的能級，兩個能級之間躍遷的能量差為：原子的每一個能級分裂成若干分立的能級，兩個能級之間躍遷的能量差為： E =h =E2 -E1 =E2-E1+(m2Jg2J-m1Jg1J) BB v對于自旋為零的體系有對于自旋為零的體系有g(shù)1J = g2J = 1。由于躍遷的選擇定則。由于躍遷的選擇定則 mJ=0,1，頻率，頻率 只有三只有三個數(shù)值個數(shù)值偏振，右旋偏振光：場方向才能觀察

20、到偏振，只有在垂直于磁：偏振，左旋偏振光：-BB 0 BBhhv一條頻率為一條頻率為 的譜線在外磁場中分裂成三條譜線，相互之間頻率間隔相等的譜線在外磁場中分裂成三條譜線，相互之間頻率間隔相等 = BB/hv洛倫茲單位：洛倫茲單位： BB/(hc)26I 0原譜線原譜線右旋光右旋光左旋光左旋光 27r只有總自旋為只有總自旋為0的譜線才表現(xiàn)出正常塞曼效應(yīng)。非單態(tài)的譜線在磁場中表現(xiàn)出反常塞曼效應(yīng)，的譜線才表現(xiàn)出正常塞曼效應(yīng)。非單態(tài)的譜線在磁場中表現(xiàn)出反常塞曼效應(yīng)，譜線分裂條數(shù)不一定是譜線分裂條數(shù)不一定是3條，間隔也不一定是一個洛倫茲單位條，間隔也不一定是一個洛倫茲單位 鈉鈉D線在磁場中的反常塞曼效應(yīng)

21、。其中線在磁場中的反常塞曼效應(yīng)。其中589.0nm的譜線分裂成的譜線分裂成4條，條，589.6nm的譜線分裂成的譜線分裂成6條。條。 282. He-Ne激光器塞曼穩(wěn)頻激光器塞曼穩(wěn)頻雙頻穩(wěn)頻雙頻穩(wěn)頻He-Ne激光器的放電區(qū)加上激光器的放電區(qū)加上0.03T左右的縱向磁場，利用壓電陶瓷控制腔長左右的縱向磁場，利用壓電陶瓷控制腔長29(1) 未加磁場時未加磁場時工作物質(zhì)增益曲線和色散曲線如圖工作物質(zhì)增益曲線和色散曲線如圖v腔長足夠短時，只有腔長足夠短時，只有 q的縱模振蕩，若的縱模振蕩，若 q= 0，則沒有頻率牽引，則沒有頻率牽引， ( 0)= 0=1qLcq230(2) 加磁場時加磁場時加磁場后，

22、光譜線發(fā)生塞滿分裂，沿磁場方向觀察，譜線分裂為中心頻率為加磁場后，光譜線發(fā)生塞滿分裂，沿磁場方向觀察，譜線分裂為中心頻率為 0右右的右旋的右旋偏振光和偏振光和 0左左的左旋偏振光的左旋偏振光隨著光譜線的分裂，增益曲線和色散曲線隨著光譜線的分裂，增益曲線和色散曲線也發(fā)生分裂也發(fā)生分裂hHgBJ0002-右左31q縱模由于頻率牽引，導(dǎo)致左旋和右旋偏振光的頻率為縱模由于頻率牽引，導(dǎo)致左旋和右旋偏振光的頻率為00)(2)(2qqqqqqqLcqLc右右右左左左0sDc0000sDc12ln2 )()(12ln2 IIIIqqqqqq，所以上式可簡化成由于右左右左右左右左右左32若無源腔的頻率若無源腔的

23、頻率 q0= 0，塞曼分裂后的有源腔頻率對稱的分布于，塞曼分裂后的有源腔頻率對稱的分布于 0的兩側(cè)，左旋光和右旋的兩側(cè)，左旋光和右旋光具有相同的小信號增益系數(shù)，并具有相等的輸出光強光具有相同的小信號增益系數(shù)，并具有相等的輸出光強 若若 q0 0，則，則g左左0( q左左) 0，則，則g左左0( q左左)g右右0( q右右)，左旋光強大于右旋光強，左旋光強大于右旋光強雙頻激光器塞曼穩(wěn)頻方法雙頻激光器塞曼穩(wěn)頻方法(1) (1) 監(jiān)測兩圓偏振光輸出功率的差值，作為鑒頻的誤差信號，通過伺服控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光監(jiān)測兩圓偏振光輸出功率的差值，作為鑒頻的誤差信號，通過伺服控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光器的腔長器的腔長 (2)

24、 (2) 利用拍頻方法測出左、右圓偏振光的頻差，作為鑒頻的誤差信號，然后通過伺服控制利用拍頻方法測出左、右圓偏振光的頻差，作為鑒頻的誤差信號，然后通過伺服控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光器的腔長系統(tǒng)調(diào)節(jié)激光器的腔長 33雙頻穩(wěn)頻激光器的頻率穩(wěn)定度可達雙頻穩(wěn)頻激光器的頻率穩(wěn)定度可達10-1010-11，頻率復(fù)現(xiàn)性為，頻率復(fù)現(xiàn)性為10-710-8由雙頻穩(wěn)頻激光器構(gòu)成的干涉儀具有較強的抗干擾能力，可用于工業(yè)中的精密計量由雙頻穩(wěn)頻激光器構(gòu)成的干涉儀具有較強的抗干擾能力，可用于工業(yè)中的精密計量34三、飽和吸收穩(wěn)頻(反蘭姆凹陷穩(wěn)頻)v蘭姆凹陷穩(wěn)頻和塞曼穩(wěn)頻都是以增益曲線中心頻率蘭姆凹陷穩(wěn)頻和塞曼穩(wěn)頻都是以增益曲線中心頻率

25、 0作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率， 0易受放電條易受放電條件的影響而變化，頻率復(fù)現(xiàn)性差件的影響而變化，頻率復(fù)現(xiàn)性差 v提高穩(wěn)頻精度提高穩(wěn)頻精度提高蘭姆凹陷銳度，但是激光管不能在過低的氣壓下工作，頻率穩(wěn)定性提高蘭姆凹陷銳度，但是激光管不能在過低的氣壓下工作，頻率穩(wěn)定性的進一步改善受到限制的進一步改善受到限制解決途徑：飽和吸收穩(wěn)頻解決途徑：飽和吸收穩(wěn)頻35吸收管內(nèi)充氣壓吸收管內(nèi)充氣壓: 110 Pa 多普勒加寬為主多普勒加寬為主 低壓氣體吸收峰頻率低壓氣體吸收峰頻率穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好v吸收飽和現(xiàn)象吸收飽和現(xiàn)象：吸收管內(nèi)物質(zhì)吸收系數(shù)為：吸收管內(nèi)物質(zhì)吸收系數(shù)為b b( )，當(dāng)入射光足夠強時，由于下

26、能級粒子數(shù)減少，當(dāng)入射光足夠強時，由于下能級粒子數(shù)減少，上能級粒子數(shù)增加，上能級粒子數(shù)增加，b b( )將隨光強而逐漸減小將隨光強而逐漸減小 v吸收飽和與增益飽和完全類似，把吸收看成負增益，則關(guān)于增益飽和的全部理論均可用于討吸收飽和與增益飽和完全類似，把吸收看成負增益，則關(guān)于增益飽和的全部理論均可用于討論吸收飽和現(xiàn)象論吸收飽和現(xiàn)象36v吸收管內(nèi)氣壓很低，吸收譜現(xiàn)主要是多普勒加寬吸收管內(nèi)氣壓很低，吸收譜現(xiàn)主要是多普勒加寬v入射光頻率入射光頻率 1，光強為，光強為I 1，則會在吸收曲線上產(chǎn)生燒孔，則會在吸收曲線上產(chǎn)生燒孔Hs11II37q將吸收管至于諧振腔內(nèi)，腔內(nèi)有頻率為將吸收管至于諧振腔內(nèi)，腔內(nèi)

27、有頻率為 1的模式振蕩的模式振蕩q若若 1 0，則正向傳播的行波和反向傳播的行波分別在吸收曲線上，則正向傳播的行波和反向傳播的行波分別在吸收曲線上 1和和(2 0- 1)處燒孔，對處燒孔，對 1模的吸收系數(shù)為模的吸收系數(shù)為 s101/1IIbbq若若 1= 0，則正反向傳播的行波共同在吸收曲線的中心頻率，則正反向傳播的行波共同在吸收曲線的中心頻率 0處燒孔，此時對處燒孔，此時對 1模的吸收模的吸收系數(shù)為系數(shù)為 s0011IIIbb38Hs21IIq吸收曲線凹陷：吸收曲線凹陷：做光強一定時吸收系數(shù)做光強一定時吸收系數(shù)b b( 1)與振蕩頻率與振蕩頻率 1的關(guān)系曲線，則在的關(guān)系曲線，則在 1= 0

28、處出現(xiàn)凹處出現(xiàn)凹陷陷q凹陷寬度為凹陷寬度為反蘭姆凹陷反蘭姆凹陷q放置吸收管之后，諧振腔的單程損耗因子變?yōu)榉胖梦展苤螅C振腔的單程損耗因子變?yōu)?L11bq由于由于b b( 1)- 1曲線的尖銳凹陷，使激光器的輸出功率曲線的尖銳凹陷，使激光器的輸出功率在在 0處出現(xiàn)一個尖銳的尖峰處出現(xiàn)一個尖銳的尖峰反蘭姆凹陷反蘭姆凹陷39反蘭姆凹陷穩(wěn)頻優(yōu)點反蘭姆凹陷穩(wěn)頻優(yōu)點q通常利用分子的基態(tài)與振轉(zhuǎn)能級間的飽和吸收進行穩(wěn)頻，吸收較強，可在低氣壓下工作，通常利用分子的基態(tài)與振轉(zhuǎn)能級間的飽和吸收進行穩(wěn)頻，吸收較強，可在低氣壓下工作，碰撞線寬?。环肿诱褶D(zhuǎn)能級壽命長，自然線寬小碰撞線寬小；分子振轉(zhuǎn)能級壽命長，自然線寬

29、小可得尖銳的反蘭姆凹陷可得尖銳的反蘭姆凹陷q利用自基態(tài)的吸收躍遷，無需激勵，頻率復(fù)現(xiàn)性好利用自基態(tài)的吸收躍遷，無需激勵，頻率復(fù)現(xiàn)性好12-11-13-12-33L10101010Hz10300100Hz1037Ne-Hem39. 3，頻率復(fù)現(xiàn)性可達頻率穩(wěn)定度可達，飯?zhí)m姆凹陷深度約為，氣壓約為數(shù)帕，激光器采用甲烷吸收管的11-12-11-101010Ne-He32.8nm6，頻率復(fù)現(xiàn)性可達達來穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度可氣分子的飽和吸收激光器采用碘同位素蒸的q國際上規(guī)定甲烷和碘吸收穩(wěn)頻的國際上規(guī)定甲烷和碘吸收穩(wěn)頻的He-Ne激光波長可作為激光波長可作為長度副基準(zhǔn)和復(fù)現(xiàn)米定義長度副基準(zhǔn)和復(fù)現(xiàn)米定義40四、無

30、源腔穩(wěn)頻外界無源腔的特征頻率也可作為穩(wěn)頻的參考頻率外界無源腔的特征頻率也可作為穩(wěn)頻的參考頻率v將多個激光器穩(wěn)定于不同級次的透過峰頻率上，可得到將多個激光器穩(wěn)定于不同級次的透過峰頻率上，可得到頻率間隔固定的多路激光，可用作分頻復(fù)用光通信的發(fā)頻率間隔固定的多路激光，可用作分頻復(fù)用光通信的發(fā)射光源射光源41r調(diào)調(diào)Q技術(shù)技術(shù)與與鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)是應(yīng)人們對是應(yīng)人們對高峰值功率、窄脈寬激光脈沖高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應(yīng)用需求而發(fā)展起來的。的應(yīng)用需求而發(fā)展起來的。r兩種方式機理不同，壓縮的程度也不同兩種方式機理不同，壓縮的程度也不同v調(diào)調(diào)Q技術(shù)技術(shù)可將激光脈寬壓縮至納秒量級可將激光脈寬壓縮至納秒量級(峰

31、值功率達峰值功率達106W以上以上)。鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮至皮秒甚至飛秒量級可將激光脈寬壓縮至皮秒甚至飛秒量級(峰值功率可達到峰值功率可達到1012W)短脈沖技術(shù)短脈沖技術(shù)42v調(diào)調(diào)Q 技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個重要突破，它是將激光能量壓縮到寬度極技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個重要突破，它是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，窄的脈沖中發(fā)射， 從而使光源的峰值功率可提高幾個數(shù)量級的一種技術(shù)。從而使光源的峰值功率可提高幾個數(shù)量級的一種技術(shù)。 v現(xiàn)在，獲得峰值功率在兆瓦級現(xiàn)在，獲得峰值功率在兆瓦級(106W)以上，脈寬為納秒級以上，脈寬為納秒級(10-9s)的激光

32、脈沖已不困難。的激光脈沖已不困難。一、脈沖固體激光器的輸出的馳豫振蕩v弛豫振蕩效應(yīng)弛豫振蕩效應(yīng):將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其波形并非一個平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機變化的尖峰脈沖組成波形并非一個平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機變化的尖峰脈沖組成的。的。43紅寶石單模激光器輸出波形紅寶石單模激光器輸出波形弛豫振蕩的特點弛豫振蕩的特點(1) 峰值功率不高，只在閾值附近峰值功率不高，只在閾值附近(2) 加大泵浦能量，只是增加尖峰的個數(shù)，不能增加峰值功率加大泵浦能量，只是增加

33、尖峰的個數(shù)，不能增加峰值功率原因原因: 激光器的閾值始終保持不變激光器的閾值始終保持不變44二、諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q諧振腔諧振腔Q值的普遍定義為值的普遍定義為腔內(nèi)振蕩光束的體積為腔內(nèi)振蕩光束的體積為V，則儲存在腔內(nèi)的總能量為，則儲存在腔內(nèi)的總能量為e e=nh V能量損耗率為能量損耗率為VhnVhtntPRtRedd-dd0品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q為為cLVhVhnPQRtRtRR2 2 ene2200)()(2PQ單位時間損耗的能量儲存在腔內(nèi)的總能量45三、調(diào)Q的基本原理 v通常的激光器諧振腔的損耗是不變的通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到或略超過閾值時，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒

34、子數(shù)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(shù)因受激輻射而減少，致使上能級不能積累激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。很多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。v普通激光器峰值功率不能提高的原因普通激光器峰值功率不能提高的原因v激光上能級最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制激光上能級最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制要使上能級積累大量的粒子，要使上能級積累大量的粒子，可以設(shè)法通過改變可以設(shè)法通過改變(增加增加)激光器的閾值來實現(xiàn)，就是當(dāng)激光器開始泵浦初期激光器的閾值來實現(xiàn)，就是當(dāng)激光器開始

35、泵浦初期, 設(shè)法將激設(shè)法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高光器的振蕩閾值調(diào)得很高, 抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。累得很多。 46v當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大時，再突然把閾值調(diào)到很低，此時，積累在上能級的大量粒子便當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大時，再突然把閾值調(diào)到很低，此時，積累在上能級的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級，于是在極短的時間內(nèi)將能量釋放出來，就獲得峰值功率極高的巨雪崩式的躍遷到低能級，于是在極短的時間內(nèi)將能量釋放出來，就獲得峰值功率極高的巨脈沖激光輸出。脈沖激光輸出。v泵浦時令腔損耗很大泵浦時令腔損耗很大(Q很小很小)

36、, 突然減小損耗突然減小損耗(增大增大Q), 使積蓄的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時間內(nèi)完使積蓄的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時間內(nèi)完成受激輻射成受激輻射, 形成光脈沖。形成光脈沖。v改變激光器的閾值是提高激光上能級粒子數(shù)積累的有效方法改變激光器的閾值是提高激光上能級粒子數(shù)積累的有效方法47調(diào)調(diào)Q 過程過程rt0時，損耗因子為時，損耗因子為 H，腔內(nèi)光子壽命為，腔內(nèi)光子壽命為t tRH，中心頻率處對應(yīng)的閾值為，中心頻率處對應(yīng)的閾值為 ln21Htrt 0時，閾值很高，激勵使反轉(zhuǎn)集居數(shù)不斷增長時，閾值很高，激勵使反轉(zhuǎn)集居數(shù)不斷增長 rt = 0時刻，反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度增加到時刻，反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度增加到 ni，由于，由于 nitp

37、時，時， n nt，腔內(nèi)光子數(shù)密度迅速減少，腔內(nèi)光子數(shù)密度迅速減少，N=Ni時巨脈沖熄滅，時巨脈沖熄滅， n= nf工作物質(zhì)儲能調(diào)工作物質(zhì)儲能調(diào)Q49rQ開關(guān)：開關(guān)：使諧振腔損耗發(fā)生改變的元件。r常用調(diào)常用調(diào)Q方法：方法： r轉(zhuǎn)鏡調(diào)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Qr電光調(diào)電光調(diào)Qr聲光調(diào)聲光調(diào)Qr飽和吸收調(diào)飽和吸收調(diào)QQ主動調(diào)Q被動調(diào)501. 電光調(diào)電光調(diào)Q電光效應(yīng)電光效應(yīng)：晶體在外加電場作用下，起折射率發(fā)生變化，是通過晶體的不同偏振光之間產(chǎn)生相位：晶體在外加電場作用下，起折射率發(fā)生變化，是通過晶體的不同偏振光之間產(chǎn)生相位差，從而改變光的偏振狀態(tài)的現(xiàn)象差，從而改變光的偏振狀態(tài)的現(xiàn)象Pockels效應(yīng)：效應(yīng)： IKer

38、r效應(yīng)：效應(yīng)： I2電光調(diào)電光調(diào)Q利用了利用了Pockels效應(yīng)實現(xiàn)效應(yīng)實現(xiàn)Q突變突變常用的電光晶體有常用的電光晶體有KDP(KH2PO4)、KD*P(KD2PO4)、LiNbO3、BSO(Bi12SiO20)51電光晶體調(diào)電光晶體調(diào)Q工作原理工作原理:在開始泵浦時，電光晶體加在開始泵浦時，電光晶體加l l/2電壓，檢偏器和起偏器同向放置，沿軸向傳播電壓，檢偏器和起偏器同向放置，沿軸向傳播的光不能通過，所以腔內(nèi)損耗很大。在泵浦一段時間后，突然撤掉電光晶體的半波電壓，的光不能通過，所以腔內(nèi)損耗很大。在泵浦一段時間后，突然撤掉電光晶體的半波電壓，腔內(nèi)損耗突然下降，達到調(diào)腔內(nèi)損耗突然下降，達到調(diào)Q目

39、的，激光振蕩迅速建立并加強，獲得調(diào)目的，激光振蕩迅速建立并加強，獲得調(diào)Q巨脈沖輸出。巨脈沖輸出。起偏器起偏器檢偏器檢偏器電光晶體電光晶體52單檢偏器單檢偏器Q開關(guān)開關(guān)q電光晶體電光晶體l l/4電壓，偏振器與晶體電壓，偏振器與晶體x 和和y 軸成軸成45角，通過晶體后成為圓偏振光，經(jīng)全角，通過晶體后成為圓偏振光，經(jīng)全反鏡反射后再通過晶體，反鏡反射后再通過晶體， 沿沿x 和和y 振動的光的相位差了振動的光的相位差了p p，光束不能通過。，光束不能通過。 q某一時刻某一時刻t1時刻撤掉晶體電壓，就可以實現(xiàn)調(diào)時刻撤掉晶體電壓，就可以實現(xiàn)調(diào)Q，獲得巨脈沖輸出，獲得巨脈沖輸出 起偏器起偏器檢偏器檢偏器電

40、光晶體電光晶體532. 聲光調(diào)聲光調(diào)Qr利用聲光介質(zhì)中超聲場產(chǎn)生衍射利用聲光介質(zhì)中超聲場產(chǎn)生衍射使損耗增加，不能形成激光振蕩使損耗增加，不能形成激光振蕩r當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)積累達到飽和時，當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)積累達到飽和時，突然撤掉超聲場，激光振蕩迅速突然撤掉超聲場，激光振蕩迅速建立，獲得巨脈沖輸出建立，獲得巨脈沖輸出聲光調(diào)制器通常包括聲光調(diào)制器通常包括v換能器換能器v聲光介質(zhì)聲光介質(zhì)v吸聲介質(zhì)吸聲介質(zhì)驅(qū)動器驅(qū)動器聲光調(diào)聲光調(diào)Q器件器件54激光介質(zhì)激光介質(zhì)聲光器件聲光器件 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡Q開關(guān)開啟開關(guān)開啟激光介質(zhì)激光介質(zhì)聲光器件聲光器件全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡Q開關(guān)關(guān)閉開關(guān)關(guān)閉55l在諧振

41、腔中設(shè)置一飽和吸收體，利用飽和吸收效應(yīng)可以控制諧振腔的損耗在諧振腔中設(shè)置一飽和吸收體，利用飽和吸收效應(yīng)可以控制諧振腔的損耗l某些有機染料的吸收系數(shù)并不是常數(shù)，當(dāng)在較強激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強的增加某些有機染料的吸收系數(shù)并不是常數(shù)，當(dāng)在較強激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強的增加而減小直至飽和，對光呈現(xiàn)透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料而減小直至飽和，對光呈現(xiàn)透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料l飽和吸收體可看成二能級系統(tǒng)，中心頻率處的吸收系數(shù)：飽和吸收體可看成二能級系統(tǒng)，中心頻率處的吸收系數(shù)：3. 被動調(diào)被動調(diào)Q221ss02/1bbhIII56r將具有飽和吸收性能的染料將具有飽和吸收性能

42、的染料(溶液或固態(tài)片溶液或固態(tài)片)置于諧振腔內(nèi)置于諧振腔內(nèi)r開始泵浦開始泵浦腔內(nèi)熒光弱腔內(nèi)熒光弱吸收系數(shù)大吸收系數(shù)大Q值低值低不能形成激光不能形成激光r繼續(xù)泵浦繼續(xù)泵浦腔內(nèi)熒光變強腔內(nèi)熒光變強吸收系數(shù)變小吸收系數(shù)變小熒光達到一定值時，吸收系數(shù)飽和熒光達到一定值時，吸收系數(shù)飽和燃料被漂白燃料被漂白 Q值突增，形成激光脈沖值突增，形成激光脈沖泵浦結(jié)束泵浦結(jié)束激光介質(zhì)激光介質(zhì)染料盒染料盒 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡氙燈氙燈染料飽和吸收調(diào)染料飽和吸收調(diào)Q是最早出現(xiàn)的被動調(diào)是最早出現(xiàn)的被動調(diào)Q染料飽和吸收調(diào)染料飽和吸收調(diào)Q571、脈沖反射式調(diào)、脈沖反射式調(diào)Qn前面討論的調(diào)前面討論的調(diào)Q方式都是工作

43、物質(zhì)儲能調(diào)方式都是工作物質(zhì)儲能調(diào)Q：低：低Q值下激光工作物質(zhì)上能級積累粒子，值下激光工作物質(zhì)上能級積累粒子，Q值升值升高時形成巨脈沖振蕩，輸出光脈沖高時形成巨脈沖振蕩，輸出光脈沖脈沖反射式調(diào)脈沖反射式調(diào)Qn工作物質(zhì)儲能調(diào)工作物質(zhì)儲能調(diào)Q振蕩和輸出過程同時進行，脈寬取決于激光增長和衰減過程，脈寬達數(shù)十振蕩和輸出過程同時進行，脈寬取決于激光增長和衰減過程，脈寬達數(shù)十納秒納秒 582、脈沖透射式調(diào)、脈沖透射式調(diào)Qn諧振腔儲能調(diào)諧振腔儲能調(diào)Q：諧振腔由全反鏡：諧振腔由全反鏡M1和可控反射鏡和可控反射鏡M2構(gòu)成構(gòu)成nt0時，時，M2鏡全反射，諧振腔處于高鏡全反射，諧振腔處于高Q狀態(tài)，激光器振蕩但無輸出，

44、能量儲存于諧振腔內(nèi)狀態(tài)，激光器振蕩但無輸出，能量儲存于諧振腔內(nèi) nt=0時，控制時，控制M2使其透射率達到使其透射率達到100%，儲存在腔內(nèi)的能量迅速逸出腔外，輸出一巨脈沖，儲存在腔內(nèi)的能量迅速逸出腔外，輸出一巨脈沖 n光子逸出腔外的最長時間為光子逸出腔外的最長時間為2L /c，因此脈沖持續(xù)時間約等于，因此脈沖持續(xù)時間約等于2L /c，脈寬僅為數(shù)納秒，脈寬僅為數(shù)納秒593、脈沖反射、脈沖反射-透射式調(diào)透射式調(diào)Qn將脈沖反射式和脈沖透射式調(diào)將脈沖反射式和脈沖透射式調(diào)Q結(jié)合在一起，以提高輸出峰值功率結(jié)合在一起，以提高輸出峰值功率 60r調(diào)調(diào)Q技術(shù)技術(shù)可將激光脈寬壓縮至下限為可將激光脈寬壓縮至下限為

45、L/c量級量級納秒量級納秒量級r要獲得更窄的脈沖，則需要利用鎖模技術(shù)對激光束進行特殊調(diào)制，使光束中的不同縱模具有要獲得更窄的脈沖，則需要利用鎖模技術(shù)對激光束進行特殊調(diào)制，使光束中的不同縱模具有確定的相位關(guān)系，各模式相干疊加得到超短脈沖確定的相位關(guān)系，各模式相干疊加得到超短脈沖r鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮至皮秒甚至飛秒量級可將激光脈寬壓縮至皮秒甚至飛秒量級(峰值功率可達到峰值功率可達到1012W)短脈沖技術(shù)短脈沖技術(shù)61 r腔長為腔長為L 的激光器，其縱模的頻率間隔為的激光器，其縱模的頻率間隔為r自由運轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個超過閥值的縱模，一般情況下多模激光器形成振蕩自由運轉(zhuǎn)激光器的

46、輸出一般包含若干個超過閥值的縱模，一般情況下多模激光器形成振蕩的各模式之間相位是無關(guān)的，激光輸出隨時間的變化是它們無規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時的各模式之間相位是無關(guān)的，激光輸出隨時間的變化是它們無規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時間平均的統(tǒng)計值。間平均的統(tǒng)計值。 r假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有2N+1個縱模，那么激光器輸出的光波電場是個縱模，那么激光器輸出的光波電場是N個縱模電場的和，即個縱模電場的和，即Lcqq21)cos()(qqNNqqtEtE62特點特點v各縱模初相位彼此無確定關(guān)系，完全獨立、隨機的。各縱模初相位彼此無確定關(guān)系，完全獨立、隨機的。v頻譜。由于存在頻率牽引和推斥作用，各相鄰縱模之間頻率間隔并不嚴格相等。各縱模頻譜。由于存在頻率牽引和推斥作用，各相鄰縱模之間頻率間隔并不嚴格相等。各縱模不相干。不相干。v輸出光強。輸出光強由于各縱模之間非相干疊加而呈現(xiàn)隨機的無規(guī)則起伏。輸出光強。輸出光強由于各縱模之間非相干疊加而呈現(xiàn)隨機的無規(guī)則起伏。I tI63r鎖模：鎖模：使各縱模在使各縱模在時間上同步，頻率間隔也保持一定時間上同步，頻率間隔也保持一定，則激光器將輸出脈寬極窄、峰值功，則激光器將輸出脈寬極窄、峰值功率很高的超短脈沖。率很