專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三聲光調(diào)制鎖模激光器講義

聲光調(diào)制鎖模激光器實(shí)驗(yàn)講義大恒新紀(jì)元科技股份有限公司版權(quán)所有不得翻印聲光調(diào)制鎖模激光器在激光器中利用鎖模技術(shù)可得到持續(xù)時(shí)間短到皮秒(ps=10-12S)量級(jí)的強(qiáng)短脈沖激光。80年代后期利用碰撞鎖模技術(shù)可獲得持續(xù)時(shí)間短到飛秒(fs=10-15S)量級(jí)的超短脈沖。極強(qiáng)的超短脈沖光源大大促進(jìn)了非線性光學(xué)，時(shí)間分辨激光光譜學(xué)、等離子體物理等學(xué)科的發(fā)展。本實(shí)驗(yàn)的目的：(1)學(xué)習(xí)和掌握激光鎖模和聲光調(diào)制原理。(2)掌握鎖模激光器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及調(diào)試方法。(3)觀察腔長變化及調(diào)制深度對(duì)輸出光脈沖的影響。一、鎖模激光器原理本實(shí)驗(yàn)是在He-Ne激光器的腔內(nèi)插入聲光損耗調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)633nm激光鎖模的。He-Ne激光介質(zhì)的增益特性屬非均勻增寬類型，如果激光器的腔長不太短，就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)激光縱模振蕩(本實(shí)驗(yàn)只討論基橫模情況)。相鄰縱模的圓頻率差為q1q2T,⑴其中c為光速，L為腔長，若激光介質(zhì)的增益線寬為A⑴G,則激光器腔內(nèi)就會(huì)有N個(gè)縱模存在：在腔內(nèi)N個(gè)縱模的總光場可表示為N12Enexpi0nN1n2式中⑴。為增益線寬中心處的縱模頻率。一般在自由振蕩的激光器中，N個(gè)縱模初相位n之間沒有固定的關(guān)系，彼此是隨機(jī)變化的。在比縱模振蕩周期大得多的時(shí)間內(nèi)根據(jù)(3)式對(duì)光強(qiáng)求平均，并假設(shè)各縱模振幅相等即En=E?？傻肐西NE2,⑷激光總強(qiáng)度正比于各縱模強(qiáng)度之和。用掃描干涉儀觀察縱模頻譜，可看到各個(gè)縱模強(qiáng)度是隨機(jī)漲落的，這是由于模式之間無規(guī)干涉引起的。如果我們用某種方法

使激光器中各縱模初相位之間建立固定的聯(lián)系,激光腔內(nèi)各縱模就可以相干疊加了。為了簡便,或者說使所有縱模同步振蕩，在令（3）式的n0,并有使激光器中各縱模初相位之間建立固定的聯(lián)系,激光腔內(nèi)各縱模就可以相干疊加了。為了簡便,或者說使所有縱模同步振蕩，在令（3）式的n0,并有En=E0,可得Ez,tE°expitsin1Nz2c.1sin-2(5)其光強(qiáng)為Iz,tEz,t22sinE2一sin1N2212(6)把（6）式與（4）式比較可知，但各縱模的相位同步以后，原來是連續(xù)輸出的光強(qiáng)變成了隨時(shí)間和空間變化的光強(qiáng)?，F(xiàn)在分別在固定空間或固定時(shí)間上來觀察光強(qiáng)的變化特點(diǎn)。1、當(dāng)固定空間位置（令z=0）觀察（6）式隨時(shí)間的變化關(guān)系有sin2-Nt22ItE2——2,（7）.21sint

2I（t）為相對(duì)光強(qiáng)。（7）式有一下特點(diǎn)：（1）N個(gè)有相同頻率間隔的同步等幅振蕩，可使激光光強(qiáng)變成隨時(shí)間變化的脈沖序列，脈沖的周期T為(8)_22L(8)cT是光脈沖在腔內(nèi)來回傳播一次所需的時(shí)間。（2）在（7）式的分母趨于零時(shí)，可得光脈沖的峰值光強(qiáng)IN2E2ImaxNE0,與（4）式比較，比自由振蕩時(shí)的平均光強(qiáng)大了N倍（3）光脈沖的寬度為(10)TOC\o"1-5"\h\z21(10)NG,是脈沖周期T的1/N,鎖住的縱模個(gè)數(shù)越多，鎖模脈寬就越窄，把（2）式代入（10）式，得——,（11）GG鎖模脈寬與增益線寬G成反比，增益線寬越寬，參與相干疊加的縱模個(gè)數(shù)越多，脈寬就越窄。圖1給出Eo=1,N=5時(shí)，（7）式的計(jì)算結(jié)果。

圖1光脈沖序列時(shí)間分布2、當(dāng)固定時(shí)間(令t=0)觀察(6)式的空間變化關(guān)系有sin2N——zE22L0.2sin——z2L(12)為相對(duì)光強(qiáng)，(12)式有以下特點(diǎn)：TOC\o"1-5"\h\z(1)N個(gè)有相同頻率間隔及同步等幅振蕩的縱模，相干疊加后變成了隨空間距離周期變化的脈沖激光序列，光脈沖的空間周期為2L。(2)輸出光脈沖的峰值強(qiáng)度為22IzgN2Eo,(13)式中的g為激光腔鏡的透射率。(3)光脈沖的空間寬度為2L/N。鎖住的縱模個(gè)數(shù)越多，光脈沖的空間寬度就越窄。以上描述的是鎖模激光的特性。問題是如何實(shí)現(xiàn)使腔內(nèi)同時(shí)存在的N個(gè)縱模有相同的相位，這就要靠鎖模技術(shù)。激光鎖模的方法有多種。例如在激光腔內(nèi)放入可飽和吸收元件。這類元件在腔內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不能用人為的方法控制，故稱為被動(dòng)鎖模。有的在激光腔內(nèi)放置調(diào)制元件，對(duì)光波進(jìn)行調(diào)幅或調(diào)相。這類器件的某些參數(shù)可以人為地加以控制，用這類器件實(shí)現(xiàn)鎖模的則稱為主動(dòng)鎖模。主動(dòng)鎖模又分兩種，一種是調(diào)制振幅的調(diào)幅鎖模，簡稱AM。另一種是調(diào)制頻率的調(diào)頻鎖模，簡稱FM。本實(shí)驗(yàn)采用主動(dòng)鎖模的調(diào)幅技術(shù)，在激光腔內(nèi)插入損耗調(diào)制器，使激光縱模強(qiáng)度在腔內(nèi)受到周期性的損耗調(diào)制，假設(shè)損耗調(diào)制的函數(shù)形式為0cost,(14)為調(diào)制頻率，受到損耗調(diào)制的第q個(gè)縱模振動(dòng)可表示為E0qE0qCOsqt-EoqoCOSq2(15)從(15)式可知，除了頻率為q的振動(dòng)外還產(chǎn)生了兩個(gè)邊頻振動(dòng)，頻率為q當(dāng)?shù)扔诳v模頻率間隔時(shí)，邊頻頻率正好與q1的縱模頻率一致。它們之間產(chǎn)生了耦合，迫使q1與同步。同樣，在增益線寬內(nèi)所有的縱模都會(huì)受到相鄰縱模產(chǎn)生的邊頻耦合，迫使所有的縱模都以相同的相位振動(dòng)，因此實(shí)現(xiàn)了同步振蕩，達(dá)到了鎖模的目的。還可以從時(shí)域的角度看，因損耗調(diào)制的周期與光在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間相同，當(dāng)調(diào)制器損耗為零時(shí)通過調(diào)制器的光波，在腔內(nèi)往返一周回到調(diào)制器時(shí)仍是損耗為零，光波從介質(zhì)中得到的增益大于腔內(nèi)的損耗時(shí)，這部分光波就會(huì)得到不斷增強(qiáng)直到飽和穩(wěn)定。當(dāng)調(diào)制器損耗較大時(shí)通過的光波每次回到調(diào)制器時(shí)都收到

較大的損耗，若損耗大于往返一次從介質(zhì)中得到的增益，這部分光波不能形成激光振蕩，所以激光形成了周期為2L/c的光脈沖序列。二、聲光調(diào)制原理1、聲光衍射效應(yīng)當(dāng)介質(zhì)中有超聲波傳播時(shí)，超聲波使介質(zhì)產(chǎn)生彈性應(yīng)力或應(yīng)變，因而使介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，光束通過這種介質(zhì)就會(huì)發(fā)生衍射，使光束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、頻移或強(qiáng)度變化，這種現(xiàn)象稱為聲光效應(yīng)。各向異性晶體折射率隨晶體內(nèi)的方向不同而異，因此聲光效應(yīng)將隨聲波和光波在晶體中傳播方向不同而異，折射率的變化和應(yīng)變需用張量表示。對(duì)各向同性介質(zhì)應(yīng)變引起的折射率變化也是各向同性的，聲光效應(yīng)不隨聲波和光波的傳播方向不同而改變。本實(shí)驗(yàn)中聲光介質(zhì)用的是熔石英，所以這里只討論各向同性的情況。當(dāng)介質(zhì)中傳播著圓頻率為。、波長為A、波長為k,方向指向y軸的平面聲波時(shí)，這種彈性波在介質(zhì)中引起的應(yīng)變S可表示為SS0sintky,(16)S0為應(yīng)變振幅，彈性應(yīng)變將使介質(zhì)中的折射率n發(fā)生變化。相應(yīng)的折射率變化可表小為(17)1(17)-2PS,np為介質(zhì)的聲光系數(shù)。折射率的變化n可寫成nsintky,(18)nsintky,(18)其中,pSo,(19)圖2聲光衍射N為折射率變化的振幅。若在某一時(shí)刻觀察，折射率在空間的周期分布相當(dāng)于一塊相位光柵，光柵常數(shù)等于聲波波長，光束通過這種光柵就會(huì)發(fā)生衍射，如圖2所以。根據(jù)入射角的不同和聲光互作用的長短不同，聲光衍射可分作兩類，一類叫拉曼―奈斯(Raman-Nat?衍射，另一類叫布拉格(Bragg)圖2聲光衍射(1)拉曼―奈斯衍射為了簡便，讓入射光垂直于聲波傳播方向，且沿通光方向的聲光作用區(qū)l較短，并有l(wèi)<l0/2,(20)(l°=2/稱為特征長度)，就會(huì)產(chǎn)生對(duì)稱于零級(jí)的多級(jí)衍射，這就是拉曼一奈斯衍射。各級(jí)衍射光的方向角0由下式?jīng)Q定：(20)sinm/式中的m為衍射級(jí)，m=0,±1,±2,，于,由于A>>入，衍射角很小的。當(dāng)聲波在介質(zhì)中以行波方式傳播時(shí)，介質(zhì)中折射率變化如(18)式所示,各級(jí)衍射光波有以下形式：Jmexpimt,Jm為m級(jí)貝塞爾函數(shù)，是m級(jí)衍射光波的相對(duì)振幅，己如下式所示：0士為光波通過聲光作用區(qū)l獲得的最大附加相位差，稱為聲致相移。⑴為入射光的圓頻率，各級(jí)衍射光為單色光，其圓頻率變?yōu)棰?mQo除零級(jí)衍射光頻率不變外，各級(jí)衍射光均發(fā)生了多普勒頻移，各級(jí)衍射光的頻率變化如圖3所以。圖4給出零級(jí)、一級(jí)和二級(jí)相對(duì)衍射光強(qiáng)隨聲致相移己的分布曲線。圖3彈性行波產(chǎn)生衍射的頻移圖4拉曼一奈斯衍射光強(qiáng)與聲致相移的關(guān)系當(dāng)聲波在介質(zhì)中以駐波方式傳播時(shí)，折射率的變化有如下形式nsintsinky,各級(jí)衍射光波由下式表示Jmsintexpit,Jmsint為第m級(jí)貝塞爾函數(shù)，是第m級(jí)衍射光波的振幅，它受到了sint的調(diào)制，所以各級(jí)衍射光不再是單色光，而是含有多種頻率成分的合成光，各級(jí)衍射光的頻率成分如圖5所示。圖5彈性駐波產(chǎn)生的衍射的頻移對(duì)0級(jí)衍射光束其強(qiáng)度正比于J2sint。由于J。是偶函數(shù)，所以其光強(qiáng)將受到2Q頻率的調(diào)制。(2)布拉格衍射當(dāng)聲光作用區(qū)比較長，滿足l>210,且光波的入射角等于衍射角并滿足下列關(guān)系式sinbm/2,其中m=0,±1為衍射級(jí)，(25)式與晶體中的布拉格衍射相似，所以稱為布拉格衍射。0b為布拉格角，布拉格衍射只有0級(jí)和士1級(jí)，且±1級(jí)不同時(shí)存在，0級(jí)和1級(jí)的相對(duì)衍射強(qiáng)度分別為當(dāng)己=冗時(shí)，理論上1級(jí)衍射效率可達(dá)100%。

2、駐波型聲光器件衍射光強(qiáng)的調(diào)制度駐波型聲光器件的各級(jí)衍射光強(qiáng)是受到調(diào)制的，我們定義光強(qiáng)的調(diào)制度M為IMImaxIminImax（26）Imax為調(diào)制光中光強(qiáng)的極大值，Imin為光強(qiáng)的極小值，除0級(jí)以外各種衍射光強(qiáng)的調(diào)制度均為1。拉曼―奈斯0級(jí)衍射光強(qiáng)的一般光電接收器的光電轉(zhuǎn)換效率是受到頻率限制的，當(dāng)接收器的響應(yīng)頻率大大低于調(diào)制頻率時(shí)，測量的結(jié)果通常反映的是光強(qiáng)的平均值IoI可表示為ImaxIminImaxImin/2,(27)在己不很大的范圍內(nèi)（己＜2rad）,0級(jí)衍射光強(qiáng)的平均值可近似表示為Jo/2,（28）(29)(30)則0級(jí)衍射光強(qiáng)的調(diào)制度可近似表示為(29)(30)M2100j2/2J020,0定義為0級(jí)衍射光強(qiáng)的平均衍射效率。圖6給出駐波型拉曼―奈斯0級(jí)平均衍射效率與聲致位移的關(guān)系曲線。聲波的平均能流或聲功率Pa可用下式表示pa1V3S2hl,

2（31）圖6駐波型拉曼―奈斯零級(jí)平均衍射效率與聲致相移的關(guān)系式中P為聲光介質(zhì)密度，V為聲速，hl為壓電換能器的面積。將（19）和（31）兩式依次代入（22）式可得2M2l

l2M2l

lPa1/2(32)式中M2n6p2/V3稱為聲光優(yōu)值。（32）式建立了聲功率與聲致相移的關(guān)系。圖7零級(jí)衍射調(diào)制度聲功率的關(guān)系圖7給出了零級(jí)衍射調(diào)制度與聲功率的關(guān)系曲線。由圖可知聲功率不大時(shí)，調(diào)制度與聲功率近似線性關(guān)系。聲功率為0.5W時(shí)，調(diào)制度約為0.09。在實(shí)驗(yàn)中通過測量0級(jí)平均衍射效率可以求得調(diào)制度的大小，再由圖7可以得到相應(yīng)的聲功率，從調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電源上可讀出電功率的大小，從而可以得到電聲功率的轉(zhuǎn)換效率4S。Pa/Pe,(33)Pe為加在換能器上的電功率。3、聲光調(diào)制器在鎖模激光器中駐波型的聲光器件結(jié)圖8聲光器件結(jié)構(gòu)構(gòu)如圖8所示，除電極以外主要由四部分組成。圖中①是壓電換能器，它把外加一定頻率的電磁波轉(zhuǎn)換成機(jī)械波，其厚度為聲波的半波長。②是鍵合層，作用是把壓電層的機(jī)械振動(dòng)耦合到聲光介質(zhì)中去形成超聲波。③是聲光介質(zhì)，即聲光作用區(qū)，其厚度是聲波半波長的整倍數(shù)。④是反射層，使聲波在聲光介質(zhì)中形成駐波。光束通過聲駐波介質(zhì)的衍射，其0級(jí)衍射光強(qiáng)將獲得二倍于外加電源驅(qū)動(dòng)頻率的調(diào)制。當(dāng)此調(diào)制頻率正好等于激光縱模頻率時(shí)，聲光調(diào)制器就能實(shí)現(xiàn)損耗調(diào)制。對(duì)于輸出波長為633nm的He-Ne激光器，其增益系數(shù)不大，每米約為10%左右，若腔內(nèi)損耗大于增益時(shí)，激光將不能產(chǎn)生振蕩。若聲光調(diào)制器的衍射損耗能在0和10%之間調(diào)制變化，就能對(duì)633nm激光進(jìn)行鎖?？刂?。拉曼―奈斯型0級(jí)衍射性能即可達(dá)到上述要求，而且入射光束與0級(jí)衍光束方向一致，給實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)帶來很大方便。三、實(shí)驗(yàn)裝置及內(nèi)容1、實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。Las為He-Ne放電管；M。為布儒斯特窗片；Mi、M2是腔鏡，Mi鏡裝在可前后移動(dòng)的鏡座上，移動(dòng)的精度可達(dá)10pm；M3是輔助腔鏡，M3必須用平面鏡；Md是聲光調(diào)制器；M4是分束鏡；D1是快速光電二極管，接250MHz示波器觀察鎖模脈沖序列；D2是激光功率計(jì)；F-P是掃描干涉儀，接普通示波器觀察激光縱模頻率譜；L'為鎖模激光腔的幾何長度。聲光調(diào)制器數(shù)據(jù)：圖9實(shí)驗(yàn)裝置簡圖聲光介質(zhì)材料用熔石英，折射率n=1.457,聲速V=5960m/s,長度1=17mm。為了減小調(diào)制器在腔內(nèi)的插入損耗，聲光介質(zhì)的入射和出射界面加工成布儒斯特角的形狀，如圖10所示。0b為布儒斯特角，圖中還給出光程和幾何程的關(guān)系。圖10調(diào)制器光路圖11激光管窗片光路聲光優(yōu)值M2=1.51X10-15s3/kg,超聲頻率Q/2冗=45.77MHz,波長A=130.22^m,特征長度l039mm,本實(shí)驗(yàn)用的聲光器件長度偏長，在正入射時(shí)仍有多級(jí)對(duì)稱衍射出現(xiàn)。換能器面積hl=4X38mm2。根據(jù)調(diào)制器的頻率Q,可算出激光腔內(nèi)所需光程長度由于激光腔內(nèi)存在折射率大于1的聲光介質(zhì)和布儒斯特窗片，所以腔的光程長度L比集合長度L,長。圖11給出激光管窗片的光程和幾何程的關(guān)系。窗片的材料為熔石英，折射率n=1.457,厚度d=2mm。根據(jù)圖10和圖11所示的三角形關(guān)系，可分別算出兩個(gè)圖的光程和幾何程差A(yù),圖中8B=arctan(1/i)是介質(zhì)內(nèi)的布儒斯特角。已知0a+0xb=ttZ2o由幾何關(guān)系可得B2b和b2b,因此不難得到激光腔的實(shí)際幾何長度LL122.(35)2、實(shí)驗(yàn)步驟(1)先在腔鏡M1和M2之間調(diào)出633nm,并使輸出光強(qiáng)達(dá)到最大，調(diào)節(jié)方法參看“氮式多譜線激光器”實(shí)驗(yàn)的有關(guān)章節(jié)。(2)用M3鏡輸出的激光束調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器的方位，使光束以布儒斯特角入射并通過聲光介質(zhì)的中部。取下M3鏡，使通過調(diào)制器的光束透射在光屏上。(3)在調(diào)制器上逐步加上電功率，觀察拉曼―奈斯衍射現(xiàn)象，