光dianzi學-第二章

1、 激光原理激光原理 II激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性由于激活腔內(nèi)光強分布不均勻，精確計算腔內(nèi)各點光強是個復雜的問題。本節(jié)由于激活腔內(nèi)光強分布不均勻，精確計算腔內(nèi)各點光強是個復雜的問題。本節(jié)由增益飽和效應出發(fā)由增益飽和效應出發(fā)估算估算穩(wěn)態(tài)工作時的腔內(nèi)平均光強，并在此基礎上給出穩(wěn)態(tài)工作時的腔內(nèi)平均光強，并在此基礎上給出粗略粗略估算輸出功率估算輸出功率的方法。的方法。連續(xù)激光器的輸出功率連續(xù)激光器的輸出功率n按照工作方式不同，激光器分為兩類按照工作方式不同，激光器分為兩類:連續(xù)激光器、脈沖激光器。連續(xù)激光器、脈沖激光器。 以不間斷方式輸出激光即為連續(xù)式，每間隔一

2、段時間才輸出一次即為脈沖式以不間斷方式輸出激光即為連續(xù)式，每間隔一段時間才輸出一次即為脈沖式n本章的內(nèi)容：本章的內(nèi)容：一、連續(xù)激光器的輸出功率、振蕩模式特性和模式選擇一、連續(xù)激光器的輸出功率、振蕩模式特性和模式選擇二、脈沖激光器的尖峰和馳豫振蕩、調(diào)二、脈沖激光器的尖峰和馳豫振蕩、調(diào)Q和鎖模的基本原理和鎖模的基本原理激光器的工作和輸出特性如果腔內(nèi)某一振蕩模式的頻率為如果腔內(nèi)某一振蕩模式的頻率為n nq，開始時，開始時，G(n(nq,I ,In nq)Gt，腔內(nèi)光強，腔內(nèi)光強In nqh h。當當In nq增增至一定值時，出現(xiàn)增益至一定值時，出現(xiàn)增益飽和效應，隨飽和效應，隨Iqh h，G(n nq

3、,In nq)i i，直到降至，直到降至G(n nq,In nq)=Gt，增益，增益和損耗達到平衡，和損耗達到平衡，Iq不再增加。這時，激光器建立了穩(wěn)定工作狀態(tài)。不再增加。這時，激光器建立了穩(wěn)定工作狀態(tài)。連續(xù)激光器的輸出功率連續(xù)激光器的輸出功率但是，不管激發(fā)強或弱，穩(wěn)態(tài)工作時激光器的信號增益系數(shù)總但是，不管激發(fā)強或弱，穩(wěn)態(tài)工作時激光器的信號增益系數(shù)總是等于是等于Gt ！當外界激發(fā)作用增強時，小信號增益系數(shù)當外界激發(fā)作用增強時，小信號增益系數(shù)G0(n n)增大，即飽和光強增大，此時增大，即飽和光強增大，此時In nq必須必須增加到一個更大的值才能出現(xiàn)增益飽和效應，使增加到一個更大的值才能出現(xiàn)增益

4、飽和效應，使G(n nq,In nq)降低到降低到Gt并建立起穩(wěn)定工作并建立起穩(wěn)定工作狀態(tài)，因此激光器的輸出功率增加。狀態(tài)，因此激光器的輸出功率增加。n激光器的穩(wěn)定輸出狀態(tài)是如何建立起來的激光器的穩(wěn)定輸出狀態(tài)是如何建立起來的?n如何增大激光器的輸出功率如何增大激光器的輸出功率?激光器的工作和輸出特性均勻加寬單模激光器的輸出功率均勻加寬單模激光器的輸出功率0()()1qqsqGlIInnnLT1=0T2=TqInqInn均勻加寬放大器的增益系數(shù)為：均勻加寬放大器的增益系數(shù)為：0()(,)1()qqqqsqGGIIlInnnnnn腔內(nèi)均勻加寬介質(zhì)中建立起的穩(wěn)態(tài)光強為：腔內(nèi)均勻加寬介質(zhì)中建立起的穩(wěn)態(tài)

5、光強為：2qqqqIIIInnnnn從激光器中輸出的激光束光強為：從激光器中輸出的激光束光強為：1()2qqoutqIITITnnn激光器的工作和輸出特性均勻加寬單模激光器的輸出功率均勻加寬單模激光器的輸出功率0()11()2()()12qoutqqoutqsqGlPAAIATTIInnnnn0000()()()qqptqtptGlGlWnGlnWnnn1()()12poutqsqptWPATIWnnn從激光器中輸出的激光束功率為：從激光器中輸出的激光束功率為：A是輸出截面積是輸出截面積n激光器的激光輸出功率與泵浦速率的關系：激光器的激光輸出功率與泵浦速率的關系：LT1=0T2=TqInqIn

6、激光器的工作和輸出特性非均勻加寬單模激光器的輸出功率非均勻加寬單模激光器的輸出功率n非均勻加寬單模激光器的非均勻加寬單模激光器的輸出功率為：輸出功率為：()qoutqPATInnn多普勒加寬放大器的增益雙燒孔效應：多普勒加寬放大器的增益雙燒孔效應：n腔內(nèi)非均勻加寬介質(zhì)中建立起的穩(wěn)態(tài)光強為：腔內(nèi)非均勻加寬介質(zhì)中建立起的穩(wěn)態(tài)光強為：200()()(,)()11()qqqDqDqDqsqsqGGlGIIIlIInnnnnnnn00qzVcnnn In nq分別與運動方向相反的兩組原子相互作用，引起分別與運動方向相反的兩組原子相互作用，引起增益飽和，出現(xiàn)增益飽和，出現(xiàn)“雙燒孔雙燒孔”。激光器的工作和輸

7、出特性多普勒加寬單模激光器的輸出功率多普勒加寬單模激光器的輸出功率蘭姆凹陷蘭姆凹陷()qqoutqPATIATInnnn當振蕩模頻率當振蕩模頻率n nqn n0時時, ,I+ +和和I- - 與同一類原子相互作用，與同一類原子相互作用，同時參與了該類原子的同時參與了該類原子的增益飽和，對增益飽和起作用的光強增益飽和，對增益飽和起作用的光強In n0 I+ + I- -= = 2I+ 。n當振蕩模頻率當振蕩模頻率n nqn n0時時,I+和和I- -兩束光在增益曲線上分別燒兩個孔，對每一個孔起兩束光在增益曲線上分別燒兩個孔，對每一個孔起飽和作用的分別是飽和作用的分別是I+或或I-，對增益飽和起作

8、用的光強，對增益飽和起作用的光強In nq I+ 。0001()2outPATIATInnn激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的縱模頻譜分布激光器的縱模頻譜分布osqMnnn激光器的可能起振的振蕩縱模數(shù)：激光器的可能起振的振蕩縱模數(shù)：n振蕩閾值條件決定振蕩頻率范圍振蕩閾值條件決定振蕩頻率范圍nnosn諧振腔的縱模頻率：諧振腔的縱模頻率：,22qqccqLLnnn增益曲線決定被放大光的頻率范圍增益曲線決定被放大光的頻率范圍nn0( )1osHGlnnn 激光器的工作和輸出特性激光器中的模競爭激光器中的模競爭激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩模式和模式

9、選擇激光器的振蕩模式和模式選擇n增益曲線均勻飽和引起的自選模作用：多個滿足閾值條件的縱模在振蕩過程中增益曲線均勻飽和引起的自選模作用：多個滿足閾值條件的縱模在振蕩過程中互相競爭互相競爭,結(jié)果總是靠近中心頻率結(jié)果總是靠近中心頻率v0的一個縱模得勝的一個縱模得勝,形成穩(wěn)定振蕩形成穩(wěn)定振蕩,其他縱模都被其他縱模都被抑。抑。激光器的工作和輸出特性均勻加寬激光器中的模競爭均勻加寬激光器中的模競爭激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇n增益的空間燒孔效應：由于諧振腔內(nèi)的駐波增益的空間燒孔效應：由于諧振腔內(nèi)的駐波場分布，使得增益系數(shù)沿軸向呈現(xiàn)出不均勻場分布，使得增益系數(shù)沿

10、軸向呈現(xiàn)出不均勻分布。分布。n若存在另一非優(yōu)勢縱模，其腔內(nèi)光強波腹分布若存在另一非優(yōu)勢縱模，其腔內(nèi)光強波腹分布與優(yōu)勢模的波節(jié)重合，而獲得較高的增益與優(yōu)勢模的波節(jié)重合，而獲得較高的增益,從而從而形成較弱的振蕩。由于軸向空間燒孔效應形成較弱的振蕩。由于軸向空間燒孔效應,不同不同縱?？梢允褂貌煌臻g的激活粒子而同時產(chǎn)生縱?？梢允褂貌煌臻g的激活粒子而同時產(chǎn)生振蕩振蕩,這一現(xiàn)象叫做縱模的空間競爭。這一現(xiàn)象叫做縱模的空間競爭。激光器的工作和輸出特性非均勻加寬激光器多縱模振蕩非均勻加寬激光器多縱模振蕩激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇n在非均勻加寬激光器中在非均勻加

11、寬激光器中, 只要縱模間隔足夠只要縱模間隔足夠大大,各縱?；旧匣ゲ幌嚓P，所有小信號增益各縱?；旧匣ゲ幌嚓P，所有小信號增益系數(shù)大于系數(shù)大于Gt的縱模都能穩(wěn)定振蕩。因此，在非的縱模都能穩(wěn)定振蕩。因此，在非均勻加寬激光器中，一般都是多縱模振蕩。均勻加寬激光器中，一般都是多縱模振蕩。n當外界激發(fā)增強時，小信號增益系數(shù)增加當外界激發(fā)增強時，小信號增益系數(shù)增加,滿足振蕩條件的縱模個數(shù)增多，因而激光器滿足振蕩條件的縱模個數(shù)增多，因而激光器的振蕩模式數(shù)目增加。的振蕩模式數(shù)目增加。n在非均勻加寬激光器中也存在模競爭現(xiàn)象。在非均勻加寬激光器中也存在模競爭現(xiàn)象。當相鄰縱模所形成的燒孔重疊時當相鄰縱模所形成的燒孔

12、重疊時,相鄰縱模相鄰縱模因共用一部分激活粒子而相互競爭。因共用一部分激活粒子而相互競爭。激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的模式選擇激光器的模式選擇模式選擇的目的：減少激光模式數(shù)，改善激光的方向性，提高單色性。模式選擇的目的：減少激光模式數(shù)，改善激光的方向性，提高單色性。n橫模：在腔中垂直腔軸方向的電磁場的本征態(tài)。橫模：在腔中垂直腔軸方向的電磁場的本征態(tài)。不同的橫模，光場分布不同，光束的發(fā)散角不同。不同的橫模，光場分布不同，光束的發(fā)散角不同?；鶛M模光強是高斯形，光場分布均勻，發(fā)散角最小?；鶛M模光強是高斯形，光場分布均勻，發(fā)散角

13、最小。隨著橫模序數(shù)的增加，光場的范圍加大，分布不均勻，發(fā)散角越來越大。隨著橫模序數(shù)的增加，光場的范圍加大，分布不均勻，發(fā)散角越來越大。一般激光器中有很多模式振蕩，實際的光場分布是復合模。為了改善激光一般激光器中有很多模式振蕩，實際的光場分布是復合模。為了改善激光的方向性，必須選出基橫模。的方向性，必須選出基橫模。n模式：在腔內(nèi)可能存在的穩(wěn)定光場的本征態(tài)，包括縱模和橫模。模式：在腔內(nèi)可能存在的穩(wěn)定光場的本征態(tài)，包括縱模和橫模。n縱模：沿腔軸線方向電磁場的本征態(tài)。縱模：沿腔軸線方向電磁場的本征態(tài)?？v模數(shù)表示激光振蕩頻率數(shù)，縱模數(shù)多，單色性差?？v模數(shù)表示激光振蕩頻率數(shù)，縱模數(shù)多，單色性差。單一縱模單

14、色性最好。單一縱模單色性最好。激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇橫模選擇橫模選擇n選模原理：采取一定的辦法加大基模和高階橫模選模原理：采取一定的辦法加大基模和高階橫模衍射損耗的差別衍射損耗的差別，使高階橫，使高階橫模的損耗大于增益不能振蕩，而基模滿足閾值條件，保存下來，達到選出基橫模的損耗大于增益不能振蕩，而基模滿足閾值條件，保存下來，達到選出基橫模的目的。模的目的。 n橫模選擇方法：橫模選擇方法：1.在諧振腔內(nèi)加置限模光闌：在諧振腔內(nèi)加置限模光闌：小孔小孔小孔光欄法小孔光欄法聚焦光欄法聚焦光欄法激光器的工作和輸出特性激光器的工作和

15、輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇橫模選擇橫模選擇n橫模選擇方法：橫模選擇方法：3.腔參數(shù)選擇法：利用衍射損耗來進行選模腔參數(shù)選擇法：利用衍射損耗來進行選模2.腔鏡微傾斜：腔鏡微傾斜： 偏折損耗和透射損耗之比大則高階模的損耗大，對選模有利。偏折損耗和透射損耗之比大則高階模的損耗大，對選模有利。激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇縱模選擇技術縱模選擇技術n短腔法選縱模短腔法選縱模 原理原理:利用減少腔長的辦法增加縱模頻率間隔當利用減少腔長的辦法增加縱模頻率間隔當nnqnnos 時，實現(xiàn)單模振蕩時，實現(xiàn)單模振蕩。

16、( n0glnnngnoscn特點：特點：結(jié)構簡單，無插入損耗，只需縮短腔長即可實現(xiàn)結(jié)構簡單，無插入損耗，只需縮短腔長即可實現(xiàn)單模。單模。輸出功率減小，輸出功率減小，L小，工作物質(zhì)尺寸小，模體積小，工作物質(zhì)尺寸小，模體積小，輸出功率小。小，輸出功率小。只適用于增益介質(zhì)線寬只適用于增益介質(zhì)線寬nng窄的氣體激光器中。窄的氣體激光器中。激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇縱模選擇技術縱模選擇技術-法布里珀羅標準具選縱模法布里珀羅標準具選縱模nF-P透射帶寬透射帶寬 :12coscRndRn n選模原理：實現(xiàn)單一縱模的條件選模原理：實現(xiàn)單一

17、縱模的條件Ld激光工作物質(zhì)jnnnnn( nTl( n0ga.標準具只有一個透射峰落在介質(zhì)的標準具只有一個透射峰落在介質(zhì)的增益線寬之內(nèi)增益線寬之內(nèi)nnm0.5nnos b.標準具一個透射峰內(nèi)只包含一個縱標準具一個透射峰內(nèi)只包含一個縱模，模，nnq 0.5nn 激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性激光器的振蕩模式和模式選擇激光器的振蕩模式和模式選擇縱模選擇技術縱模選擇技術-復合腔選縱模復合腔選縱模 n利用干涉儀的反射特性進行選模利用干涉儀的反射特性進行選模, 干涉儀既作選模又作激光器輸出鏡。干涉儀干涉儀既作選模又作激光器輸出鏡。干涉儀的反射率是頻率的函數(shù)，不同頻率的光反射率不同。的反射率

18、是頻率的函數(shù)，不同頻率的光反射率不同。LD激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性1.腔外調(diào)制：腔外調(diào)制：光開關或調(diào)制器置于連續(xù)激光器輸出端，使光在短時間間隔內(nèi)通過；光開關或調(diào)制器置于連續(xù)激光器輸出端，使光在短時間間隔內(nèi)通過； 效率低、脈沖光的峰值功率低于連續(xù)激光器本身的穩(wěn)定值效率低、脈沖光的峰值功率低于連續(xù)激光器本身的穩(wěn)定值2.腔內(nèi)調(diào)制：腔內(nèi)調(diào)制：光開關或調(diào)制器置于激光器腔內(nèi)，調(diào)節(jié)能量的存儲與輸出，能夠獲得光開關或調(diào)制器置于激光器腔內(nèi)，調(diào)節(jié)能量的存儲與輸出，能夠獲得 極高的峰值功率。極高的峰值功率。脈沖激光器脈沖激光器n脈沖激光器可以獲得窄脈寬、高峰值功率

19、的激光束。脈沖激光器可以獲得窄脈寬、高峰值功率的激光束。鎖模：將同時振蕩的多個縱模相互間實現(xiàn)相位鎖定并相互耦合鎖模：將同時振蕩的多個縱模相互間實現(xiàn)相位鎖定并相互耦合n四種腔內(nèi)調(diào)制脈沖激光器：四種腔內(nèi)調(diào)制脈沖激光器：增益開關：通過開關泵浦源控制增益增益開關：通過開關泵浦源控制增益Q開關：腔內(nèi)放置被調(diào)制的吸收體來控制腔內(nèi)損耗，能量存儲在反轉(zhuǎn)原子中開關：腔內(nèi)放置被調(diào)制的吸收體來控制腔內(nèi)損耗，能量存儲在反轉(zhuǎn)原子中腔倒空：通過改變輸出鏡透射率控制腔內(nèi)損耗，能量存儲在腔內(nèi)腔倒空：通過改變輸出鏡透射率控制腔內(nèi)損耗，能量存儲在腔內(nèi)n獲得脈沖激光束的方法：獲得脈沖激光束的方法：激光器的工作和輸出特性激光器的工作

20、和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性n激光的尖峰與馳豫振蕩現(xiàn)象：激光的尖峰與馳豫振蕩現(xiàn)象：脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性n大多數(shù)固體和半導體脈沖激光器能夠觀測到這種現(xiàn)象。大多數(shù)固體和半導體脈沖激光器能夠觀測到這種現(xiàn)象。當泵浦脈沖持續(xù)時間足夠長時，輸出光脈沖當泵浦脈沖持續(xù)時間足夠長時，輸出光脈沖將由剛開始的無規(guī)則尖峰過渡為小振幅的準將由剛開始的無規(guī)則尖峰過渡為小振幅的準正弦阻尼振蕩并逐漸收斂于穩(wěn)態(tài)值。正弦阻尼振蕩并逐漸收斂于穩(wěn)態(tài)值。當泵浦脈沖持續(xù)時間較短時，輸出光脈沖是當泵浦脈沖持續(xù)時間較短時，輸出光脈沖是由一系列無規(guī)則、不連續(xù)、尖銳且振幅較大的由一系列無規(guī)則、不連續(xù)、尖銳且振幅較大的尖

21、峰所組成；（原因：多模運轉(zhuǎn)、腔不穩(wěn)定性、尖峰所組成；（原因：多模運轉(zhuǎn)、腔不穩(wěn)定性、放大介質(zhì)的不均勻變熱）放大介質(zhì)的不均勻變熱）能級壽命遠大于腔模駐腔壽命能級壽命遠大于腔模駐腔壽命激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性n一個短脈沖的生成過程可以分成四個階段。如圖所示一個短脈沖的生成過程可以分成四個階段。如圖所示: : 激光尖峰形成的物理過程激光尖峰形成的物理過程t=t4, n(t)的消耗速率與累積速率平衡，達到極小值的消耗速率與累積速率平衡，達到極小值t=t1，激光開始產(chǎn)生，激光開始產(chǎn)生tt1,累積腔內(nèi)光子數(shù)累積腔內(nèi)光子數(shù)t=t2, n(t)的累積速率與消耗

22、速率平衡，達到極大值的累積速率與消耗速率平衡，達到極大值tt2,增益飽和，增益飽和， n(t)i it=t3,腔內(nèi)光子數(shù)達到極大值腔內(nèi)光子數(shù)達到極大值tt3,腔內(nèi)光子數(shù)純消耗，急劇減少腔內(nèi)光子數(shù)純消耗，急劇減少tt4, 光子數(shù)逐漸消耗至最小，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)開始累積光子數(shù)逐漸消耗至最小，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)開始累積激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性激光尖峰的弛豫振蕩激光尖峰的弛豫振蕩n激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化速率方程為：激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化速率方程為：n四能級均勻加寬激光器中的反轉(zhuǎn)原子集居數(shù)密度變化速率方程為：四能級均勻加寬激光器中的反轉(zhuǎn)原子集居數(shù)密度變化速率

23、方程為：1RtdNNndtn( ,RtLlLnl n2()ppqtRd nnn Nnn Wdtn002200,2ttRrrootrorororoititststnnnnneeneNNNnne n狀態(tài)參量狀態(tài)參量N(t)與與 n(t)的速率方程描述激光器的動力學過程：的速率方程描述激光器的動力學過程：2R221fqA激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性調(diào)調(diào)Q Q激光器的工作原理分析激光器的工作原理分析n調(diào)調(diào)Q Q原理：泵浦開始時，增大損耗，使振蕩難以形成，從而使上能級的反轉(zhuǎn)粒原理：泵浦開始時，增大損耗，使振蕩難以形成，從而使上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度增大，當積

24、累達到最大值時，突然使諧振腔損耗變小，于是子數(shù)密度增大，當積累達到最大值時，突然使諧振腔損耗變小，于是Q Q值突增，值突增，在腔內(nèi)以極快的速度建立極強的振蕩，輸出極強的激光脈沖，稱為激光巨脈沖在腔內(nèi)以極快的速度建立極強的振蕩，輸出極強的激光脈沖，稱為激光巨脈沖或調(diào)或調(diào)Q Q脈沖。脈沖。激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性主動調(diào)主動調(diào)Q Q的速率方程分析的速率方程分析-三能級系統(tǒng)模型三能級系統(tǒng)模型022pnRn222( )pd nnnRnNdt n 0222tRnndnn Ndtnn三能級系統(tǒng)放大介質(zhì)中的反轉(zhuǎn)原子集居數(shù)密度變化速率方程為：三能級系統(tǒng)放大介質(zhì)

25、中的反轉(zhuǎn)原子集居數(shù)密度變化速率方程為：n激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化速率方程為：激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化速率方程為：1RtdNNndtn112tndNd nn( )1121( )ln2iintniN titiNndNd nnnN tnnnnN 脈沖開始時刻脈沖開始時刻t=0, n= ni，N=Ni=0激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性主動調(diào)主動調(diào)Q Q的速率方程分析的速率方程分析-三能級系統(tǒng)模型三能級系統(tǒng)模型n激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化1( )ln2iitinN tnnnnN (maxmaxmax0max0()11()ln1l

26、n 221111ln24itptnrntpitttiin tnnNN tnnnNn rrnPhNAThATnrrrnnn n n脈沖峰值功率：脈沖峰值脈沖峰值功率：脈沖峰值t=tp峰值功率隨峰值功率隨r的增大而增大的增大而增大r為泵浦超閾度為泵浦超閾度激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性主動調(diào)主動調(diào)Q Q的速率方程分析的速率方程分析-三能級系統(tǒng)模型三能級系統(tǒng)模型n激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化1( )ln2iitinN tnnnnN n腔內(nèi)儲能利用率腔內(nèi)儲能利用率m m(012inififEhnnVEEn腔內(nèi)儲能利用率隨腔內(nèi)儲能利用

27、率隨r的增大而迅速增大的增大而迅速增大11expfiniinErEnmm 激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性主動調(diào)主動調(diào)Q Q的速率方程分析的速率方程分析-三能級系統(tǒng)模型三能級系統(tǒng)模型n激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化1( )ln2iitinN tnnnnN 11ln2outRinoutpRRmBEEErTPrrm n脈寬脈寬脈寬隨脈寬隨r增大而減小并趨于極限值增大而減小并趨于極限值 R激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性主動調(diào)主動調(diào)Q Q的速率方程分析的速率方程分析-三能級系統(tǒng)模型三能級系統(tǒng)

28、模型n激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化激光腔內(nèi)的光子數(shù)密度的變化1( )ln2iitinN tnnnnN n調(diào)調(diào)Q光脈沖波形光脈沖波形脈沖前沿隨脈沖前沿隨r值的增大而迅速變得陡峭值的增大而迅速變得陡峭脈沖后沿主要由腔模光子的平均壽命決定脈沖后沿主要由腔模光子的平均壽命決定r越大，脈沖前后沿越對稱越大，脈沖前后沿越對稱激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性調(diào)調(diào)Q Q技術的過程技術的過程a.激活介質(zhì)貯能激活介質(zhì)貯能 滿足條件滿足條件Gl 。由于由于 很大很大, ,振蕩振蕩閾值很高，不能產(chǎn)生激光振蕩閾值很高，不能產(chǎn)生激光振蕩能量貯存在激活介質(zhì)能量貯存在激活介質(zhì)b.b.

29、激活介質(zhì)諧振腔組合貯能激活介質(zhì)諧振腔組合貯能先使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到最大值，但滿足先使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到最大值，但滿足Gmaxl ，產(chǎn)生激光振蕩，能量以光子的形式貯存在腔內(nèi)。，產(chǎn)生激光振蕩，能量以光子的形式貯存在腔內(nèi)。條件：條件：Gl , 減小到減小到 min, 因為增益最大，所以因為增益最大，所以 min小時，激光迅速建立，在極短的時間內(nèi)，小時，激光迅速建立，在極短的時間內(nèi)，工作物質(zhì)貯能通過光子的受激輻射過程釋放出來，形成巨脈沖。工作物質(zhì)貯能通過光子的受激輻射過程釋放出來，形成巨脈沖。n能量貯存過程能量貯存過程n激光產(chǎn)生與輸出過程激光產(chǎn)生與輸出過程 調(diào)調(diào)Q的過程：調(diào)節(jié)的過程：調(diào)節(jié) ，相當于，相當于Q是

30、一個門，關上門，是一個門，關上門，Q低貯能，打開門產(chǎn)生激光。低貯能，打開門產(chǎn)生激光。激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性實現(xiàn)調(diào)實現(xiàn)調(diào)Q的方法的方法電光調(diào)電光調(diào)n反射式反射式Q Q開關原理：利用晶體的電光效應，在晶體上加一階躍式電壓，改變開關原理：利用晶體的電光效應，在晶體上加一階躍式電壓，改變Q Q值。值。 第一階段第一階段:在晶體上加在晶體上加Vl/2l/2, ,偏振光通過偏振光通過KDP晶體后振動方向旋轉(zhuǎn)晶體后振動方向旋轉(zhuǎn)90度，不能通過度，不能通過P，稱，稱為為“關門關門”狀態(tài)。狀態(tài)。 P1/P2第二階段：在第一階段工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到最大值時

31、，突然退去晶體上的電壓，第二階段：在第一階段工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到最大值時，突然退去晶體上的電壓，光在腔內(nèi)形成振蕩光在腔內(nèi)形成振蕩 。u由于激光的形成和輸出同時進行，因此脈沖寬度的壓縮受了限制。由于激光的形成和輸出同時進行，因此脈沖寬度的壓縮受了限制。激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性實現(xiàn)調(diào)實現(xiàn)調(diào)Q的方法的方法聲光調(diào)聲光調(diào)n晶體的聲光原理：聲光介質(zhì)在超聲波的作用下，折射率發(fā)生周期性的變化，晶體的聲光原理：聲光介質(zhì)在超聲波的作用下，折射率發(fā)生周期性的變化，使介質(zhì)變成正弦相位光柵，當光束通過聲光介質(zhì)時會產(chǎn)生布喇格衍射，衍射光使介質(zhì)變成正弦相位光柵，當光束

32、通過聲光介質(zhì)時會產(chǎn)生布喇格衍射，衍射光相對于級光有相對于級光有 角的偏離。角的偏離。n聲光調(diào)聲光調(diào)Q原理原理工作物質(zhì)反射鏡反射鏡反射鏡反射鏡聲光介質(zhì)激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性nQ開關激光器一般脈寬達開關激光器一般脈寬達10-8s-10-9s量級量級短脈沖短脈沖n鎖模技術一般脈寬達鎖模技術一般脈寬達10-12s-10-13s量級量級超短脈沖超短脈沖 想要更短的脈沖想要更短的脈沖激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性多模激光器的輸出特性多模激光器的輸出特性各振蕩模的振幅和相位無規(guī)則分布各振蕩模的振幅和相位無規(guī)則

33、分布( ( (1222222201cos()cos2cos.cos11( )( )( )2NqqqqNqqqqqqqqqqq qNtqqNI tEtEtEtE EttI tEtEt dtEt輸出的光強是各個縱模無規(guī)疊加輸出的光強是各個縱模無規(guī)疊加,總光強的平均值是各縱模光強之和的總光強的平均值是各縱模光強之和的1/2。 Eq-中心頻率處的振幅大，遠離中心頻率處的振幅小，且它們之間變化無規(guī)律中心頻率處的振幅大，遠離中心頻率處的振幅小，且它們之間變化無規(guī)律。f fq-各模的初相位，在各模的初相位，在- 到到 之間分布。之間分布。對于不同的時間，每個模的振幅和相位也有變化，對于不同的時間，每個模的振

34、幅和相位也有變化，f fq隨時間漂移。隨時間漂移。( )cos()qqqqE tEt激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性鎖模鎖模原理原理n鎖模鎖模:使各相鄰模之間的相位固定，使各模變成時間相干波。使各相鄰模之間的相位固定，使各模變成時間相干波。各縱模頻率間隔相等并固定各縱模頻率間隔相等并固定nnq=c/2L各模振動方向或方式相同各模振動方向或方式相同-激光器的固有性質(zhì)激光器的固有性質(zhì)設法設法使各模之間的相差固定使各模之間的相差固定f fq+1-f fq=常數(shù)常數(shù)n多縱模鎖定后的激光輸出：多縱模鎖定后的激光輸出：u定義中心頻率的縱模定義中心頻率的縱模q0，

35、在腔內(nèi)參與振蕩的模式個數(shù)共，在腔內(nèi)參與振蕩的模式個數(shù)共2N1個個0010222qqqqqqqccqqLLqn 各模間隔相同，鎖模后有各模間隔相同，鎖模后有f fq+1-f fq 激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性設各縱模的振幅相等，則激光器輸出的總光波場是設各縱模的振幅相等，則激光器輸出的總光波場是2N1個縱模相干迭加的結(jié)果：個縱模相干迭加的結(jié)果：00000( )( )cos ()1sin (21)()2cos( )cos1sin ()2NNqNNE tE tEqtqNtEtA ttt n多縱模鎖定后的激光輸出：多縱模鎖定后的激光輸出：(a)2N+1個

36、模式經(jīng)過鎖定以后，總的光波場變?yōu)轭l率為個模式經(jīng)過鎖定以后，總的光波場變?yōu)轭l率為 0的單色調(diào)幅波，振幅的單色調(diào)幅波，振幅A(t)是隨時間變化的周期函數(shù)，即總光波場受到振幅調(diào)制。是隨時間變化的周期函數(shù)，即總光波場受到振幅調(diào)制。(b)光強光強I(t)正比于正比于A(t)2 ,是時間的函數(shù)，光強受到調(diào)制。是時間的函數(shù)，光強受到調(diào)制。(c) 光脈沖包括光脈沖包括2N+1個縱模。個縱模。鎖模輸出的光強鎖模輸出的光強激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性鎖模輸出的光強鎖模輸出的光強nA(t)的變化規(guī)律的變化規(guī)律: 只要得到只要得到A(t)的周期、極值、零點。的周期、極值

37、、零點。 變化周期為變化周期為T=2L/c，在一個周期內(nèi)有，在一個周期內(nèi)有2N個零點和個零點和2N+1個極值點個極值點2N-2個介于個介于Amax與與Amin之間的次極大之間的次極大值。值。t=0 和和t=2L/c時，時，Amax=(2N+1)E0000( )( )cos1sin (21)()2( )1sin ()21sin (21)21sin2E tA ttNtA tEtcNtLEctL vL2激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性鎖模激光器的輸出特性鎖模激光器的輸出特性激光器的輸出是脈沖間隔激光器的輸出是脈沖間隔2L/c固定的規(guī)則脈沖序列。固定的規(guī)則脈

38、沖序列。 2L/c 光在腔內(nèi)往返一次的時間光在腔內(nèi)往返一次的時間,相當于在腔內(nèi)只有一個脈沖在振蕩相當于在腔內(nèi)只有一個脈沖在振蕩每個脈沖寬度近似等于振蕩線寬的倒數(shù)，每個脈沖寬度近似等于振蕩線寬的倒數(shù)， 增益線寬越寬，鎖模脈寬越窄。被鎖定的縱模數(shù)越多增益線寬越寬，鎖模脈寬越窄。被鎖定的縱模數(shù)越多2N1 1(21)qNn 脈沖的峰值功率脈沖的峰值功率 輸出脈沖的峰值功率輸出脈沖的峰值功率P正比于正比于(2N+1)2E02在鎖模過程中，各模之間發(fā)生功率耦合，不再獨立。在鎖模過程中，各模之間發(fā)生功率耦合，不再獨立。 鎖模的結(jié)果是輸出序列的脈沖，脈寬窄，峰值功率高，脈沖的能量是所有相位固定的鎖模的結(jié)果是輸

39、出序列的脈沖，脈寬窄，峰值功率高，脈沖的能量是所有相位固定的縱模提供的縱模提供的.激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性n縱模鎖定的方法主要有主動鎖模，被動鎖模，自鎖?？v模鎖定的方法主要有主動鎖模，被動鎖模，自鎖模鎖模的方法鎖模的方法n主動鎖模：在激光腔內(nèi)插入一個調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率周期性地改變諧振腔主動鎖模：在激光腔內(nèi)插入一個調(diào)制器，用一定的調(diào)制頻率周期性地改變諧振腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位。當調(diào)制器的調(diào)制頻率精確地等于縱模間隔時，對各個模的內(nèi)振蕩模的振幅或相位。當調(diào)制器的調(diào)制頻率精確地等于縱模間隔時，對各個模的調(diào)制會產(chǎn)生邊頻，其頻率與兩個相鄰縱模的頻率

40、一致。調(diào)制會產(chǎn)生邊頻，其頻率與兩個相鄰縱模的頻率一致。n以聲光調(diào)制器的振幅調(diào)制鎖模為例：以聲光調(diào)制器的振幅調(diào)制鎖模為例：1( )sin2ma tAt設調(diào)制信號：設調(diào)制信號：損耗變化的頻率為調(diào)制信號頻率的兩倍損耗變化的頻率為調(diào)制信號頻率的兩倍,調(diào)制器的透過率：調(diào)制器的透過率：( (00cosT tTTt假定調(diào)制前腔內(nèi)光場假定調(diào)制前腔內(nèi)光場( (000sinE tEt通過調(diào)制器后的光場變?yōu)橥ㄟ^調(diào)制器后的光場變?yōu)? (0000000000cossin1cossin( )sinE tETTttAmttA tt 激光器的工作和輸出特性激光器的工作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性鎖模的方法鎖模的

41、方法(000000000000( )1cossin1sinsin21sin2E tAmttAtmAtmAt n中心頻率調(diào)制的結(jié)果是使與它相鄰的兩個縱模中心頻率調(diào)制的結(jié)果是使與它相鄰的兩個縱模振蕩。振蕩。n鎖模的關鍵，必須使腔內(nèi)損耗的變化頻率和鎖模的關鍵，必須使腔內(nèi)損耗的變化頻率和腔內(nèi)縱模頻率間隔相等腔內(nèi)縱模頻率間隔相等。n調(diào)制頻率調(diào)制頻率 等于激光振蕩縱模的頻率間隔等于激光振蕩縱模的頻率間隔n調(diào)制的過程繼續(xù)下去，直到在激光線寬內(nèi)所有調(diào)制的過程繼續(xù)下去，直到在激光線寬內(nèi)所有縱模振蕩為止。這些模式的相位相同縱模振蕩為止。這些模式的相位相同符合符合鎖模條件。鎖模條件。激光器的工作和輸出特性激光器的工

42、作和輸出特性脈沖激光器的特性脈沖激光器的特性鎖模的方法鎖模的方法n鎖模的關鍵，必須使腔內(nèi)損耗的變化頻率和腔內(nèi)縱模頻率間隔相等鎖模的關鍵，必須使腔內(nèi)損耗的變化頻率和腔內(nèi)縱模頻率間隔相等。9E029E02321 t1/v102/(3v1)1/(3v1)-E0E00I(t)E(t)v3=3v1, v2=2v1， 初位相相同(0)v3v2v1三個光波 的 相位鎖 定 激光器的分類激光器的分類按工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、按工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、液體激光器、半導體激光器、 自由電子激光器。自由電子激光器。按運轉(zhuǎn)方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器、穩(wěn)頻激光器、按運轉(zhuǎn)方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器、穩(wěn)頻激光器、 可調(diào)諧激光器