第七章激光技術(shù)

1、 第七章第七章 激光技術(shù)激光技術(shù)數(shù)學(xué)與物理系數(shù)學(xué)與物理系 王晴晴王晴晴1什么是激光技術(shù)什么是激光技術(shù)答：根據(jù)不同的使用要求，采用一些專門的答：根據(jù)不同的使用要求，采用一些專門的技術(shù)手段來提高激光輸出光束的質(zhì)量和單項技術(shù)手段來提高激光輸出光束的質(zhì)量和單項技術(shù)指標(biāo)。技術(shù)指標(biāo)。(Laser Technology)27.1 7.1 光波的光波的調(diào)制調(diào)制7.27.2 電光調(diào)制電光調(diào)制7.37.3 聲光調(diào)制聲光調(diào)制7.47.4 磁光效應(yīng)與磁光隔離器磁光效應(yīng)與磁光隔離器7.57.5 調(diào)調(diào)Q Q技術(shù)技術(shù)7.6 7.6 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)7.7 7.7 選模技術(shù)選模技術(shù)7.8 7.8 穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)頻技術(shù)一、光調(diào)制的

2、基本概念一、光調(diào)制的基本概念二、光調(diào)制的分類二、光調(diào)制的分類三、幾種調(diào)制的簡單介紹三、幾種調(diào)制的簡單介紹7.7.1 1 光波的光波的調(diào)制調(diào)制(Light Modulation)41.1. 載波載波(carrier):激光是一種光頻電磁波，與無線電波類似可用來作為傳遞激光是一種光頻電磁波，與無線電波類似可用來作為傳遞信息的載體信息的載體。2.2. 調(diào)制調(diào)制(Modulation):將信息加載于激光的過程。將信息加載于激光的過程。3.3. 解調(diào)解調(diào)(Demodulation):把調(diào)制信號還原成原來的信息的過程。把調(diào)制信號還原成原來的信息的過程。4.4. 調(diào)制器調(diào)制器(Modulator):完成將一

3、個攜帶信息的信號疊加到載波光波上這一完成將一個攜帶信息的信號疊加到載波光波上這一過程的器件。過程的器件。光調(diào)制：光調(diào)制：改變載波（光波）的振幅、強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等參數(shù)改變載波（光波）的振幅、強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等參數(shù), ,使之使之?dāng)y帶信息的過程。攜帶信息的過程。一、光調(diào)制的基本概念一、光調(diào)制的基本概念1.1.根據(jù)調(diào)制器和激光器的相對關(guān)系：直接調(diào)制、內(nèi)腔調(diào)制和外腔調(diào)制根據(jù)調(diào)制器和激光器的相對關(guān)系：直接調(diào)制、內(nèi)腔調(diào)制和外腔調(diào)制；2.2.根據(jù)調(diào)制器的工作原理根據(jù)調(diào)制器的工作原理，可以分為電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制；可以分為電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制；3.3.按其性質(zhì)可以分為：調(diào)幅、調(diào)頻、

4、調(diào)相以及強(qiáng)度調(diào)制等；按其性質(zhì)可以分為：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及強(qiáng)度調(diào)制等；二、光調(diào)制的分類二、光調(diào)制的分類( )cos()cccce tAt振幅角頻率相位角激光的電場強(qiáng)度是：激光的電場強(qiáng)度是：載波載波(carrier)(carrier)（7.1.1）1.1.振幅調(diào)制振幅調(diào)制（AM）（Amplitude Modulation)（7.1.1）（7.1.2）（7.1.3）三、幾種調(diào)制的簡單介紹三、幾種調(diào)制的簡單介紹定義：載波的振幅隨著調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩，簡稱調(diào)幅。定義：載波的振幅隨著調(diào)制信號的規(guī)律而變化的振蕩，簡稱調(diào)幅。 cccctAte cos載波信號：載波信號： tAAtaAtAmmcc c

5、os 設(shè)設(shè)調(diào)調(diào)制制信信號號： ccmmcttAAte coscos調(diào)制光波：調(diào)制光波： cmcmcmcmccctAtAtAte cos2cos2cos（7.1.4） coscos21coscos利利用用三三角角函函數(shù)數(shù)公公式式：圖圖7.1.1 7.1.1 調(diào)幅波頻譜調(diào)幅波頻譜及及調(diào)幅信號調(diào)幅信號 AMAM無線電臺和電視信號中的圖像部分都是使用調(diào)幅來編碼信息的。在調(diào)無線電臺和電視信號中的圖像部分都是使用調(diào)幅來編碼信息的。在調(diào)幅中，正弦波的幅度（峰谷到峰頂之間的電壓）是變化的。幅中，正弦波的幅度（峰谷到峰頂之間的電壓）是變化的。 例如，一個人例如，一個人的說話聲音產(chǎn)生的正弦波疊加到發(fā)射器的正弦波上

6、就使其幅度發(fā)生了變化。的說話聲音產(chǎn)生的正弦波疊加到發(fā)射器的正弦波上就使其幅度發(fā)生了變化。2.2.頻率調(diào)制（頻率調(diào)制（FM)FM)和位相調(diào)制和位相調(diào)制(PM)(PM)定義：光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化的振蕩。定義：光載波的頻率或相位隨著調(diào)制信號的變化規(guī)律而變化的振蕩。因兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相位角因兩種調(diào)制波都表現(xiàn)為總相位角 的變化，統(tǒng)稱為角度調(diào)制。的變化，統(tǒng)稱為角度調(diào)制。（7.1.5）（7.1.6）( ) t 為系數(shù)為系數(shù)其中其中設(shè)調(diào)制信號：設(shè)調(diào)制信號：fmmfccktAtataktt,cos cccctAte cos載載波波信信號號： 為為調(diào)調(diào)頻頻系系數(shù)數(shù)其其中中：調(diào)調(diào)頻頻波

7、波的的總總相相角角為為：mmffmfcccfcAkmtmtdttakt sin（7.1.7） tmtAtemfccc sincos 調(diào)調(diào)頻頻信信號號：（7.1.8）（7.1.9） sinsincoscoscos 利利用用三三角角函函數(shù)數(shù)公公式式：展開展開按按functions Bessel tmtAtemfccc sincos tmttmtAtemfccmfccc sinsinsinsincoscos cmcncmcnfncccfctntnmJAtmJAte cos1coscos10cm0.770.440.220.02圖圖7.1.2 7.1.2 角度調(diào)制波的頻譜角度調(diào)制波的頻譜及及角度調(diào)制信號

8、角度調(diào)制信號 當(dāng)頻率余弦波調(diào)制時，其角度調(diào)制波的頻譜由光載頻與在它兩邊對稱當(dāng)頻率余弦波調(diào)制時，其角度調(diào)制波的頻譜由光載頻與在它兩邊對稱分布的邊頻所組成。各邊頻間隔分布的邊頻所組成。各邊頻間隔m，各邊頻幅度大小由，各邊頻幅度大小由Jn（mf）決定。如決定。如mf=1時，時， J0（mf）=0.77， J1（mf）=0.44， 。 頻譜分布如下圖所示：頻譜分布如下圖所示： FMFM無線電臺和數(shù)以百計的無線電技術(shù)（包括電視信號、無繩電話、無線電臺和數(shù)以百計的無線電技術(shù)（包括電視信號、無繩電話、手機(jī)等）都是使用調(diào)頻的。手機(jī)等）都是使用調(diào)頻的。 調(diào)頻的優(yōu)點(diǎn)是很大程度上不受靜電影響。在調(diào)頻的優(yōu)點(diǎn)是很大程度

9、上不受靜電影響。在調(diào)頻中，發(fā)射器正弦波的頻率根據(jù)信息信號產(chǎn)生微小變化。調(diào)頻中，發(fā)射器正弦波的頻率根據(jù)信息信號產(chǎn)生微小變化。3.3.強(qiáng)度調(diào)制強(qiáng)度調(diào)制(IM)（Intensity Modulation)定義：光載波的強(qiáng)度（光強(qiáng)）隨調(diào)制信號規(guī)律而變化的激光振蕩。定義：光載波的強(qiáng)度（光強(qiáng)）隨調(diào)制信號規(guī)律而變化的激光振蕩。 ccctAtetI 222cos光強(qiáng)：光強(qiáng)： tAtamm cos 設(shè)設(shè)調(diào)調(diào)制制信信號號： 為強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)為強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)其中，其中，強(qiáng)度調(diào)制信號：強(qiáng)度調(diào)制信號：mppccmpcAkmttmAtetI 222coscos12光強(qiáng)調(diào)制波的頻譜可用前面類似的辦法求得，和調(diào)幅波略有不同，除了

10、光強(qiáng)調(diào)制波的頻譜可用前面類似的辦法求得，和調(diào)幅波略有不同，除了載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有低頻和直流分量。載頻及對稱分布的兩邊頻之外，還有低頻和直流分量。（7.1.10）（7.1.11）圖圖7.1.7.1.3 3 強(qiáng)度強(qiáng)度調(diào)制波的頻譜調(diào)制波的頻譜及強(qiáng)度調(diào)制信號及強(qiáng)度調(diào)制信號134.4.脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制 以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波是一種連續(xù)振蕩的波，稱為模擬方以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波是一種連續(xù)振蕩的波，稱為模擬方式調(diào)制。目前光通信中還廣泛采用一種不連續(xù)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)制的脈沖調(diào)制式調(diào)制。目前光通信中還廣泛采用一種不連續(xù)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)制的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制）。和數(shù)字式調(diào)制（

11、脈沖編碼調(diào)制）。定義：用間歇的周期性脈沖作為載波，這種載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)定義：用間歇的周期性脈沖作為載波，這種載波的某一參量按調(diào)制信號規(guī)律變化的調(diào)制方法。律變化的調(diào)制方法。PMPM方式下，只需簡單地開關(guān)正弦波。這是一種發(fā)送摩爾斯式電碼的簡易方式。方式下，只需簡單地開關(guān)正弦波。這是一種發(fā)送摩爾斯式電碼的簡易方式。小結(jié)小結(jié)1 1. .光調(diào)制：改變載波（光波）的振幅、強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等參數(shù)光調(diào)制：改變載波（光波）的振幅、強(qiáng)度、頻率、相位、偏振等參數(shù), ,使使 之?dāng)y帶信息的過程。之?dāng)y帶信息的過程。2 2. .調(diào)制器的分類：調(diào)制器的分類： 根據(jù)調(diào)制器和激光器的相對關(guān)系，可以分為內(nèi)腔調(diào)制和外

12、腔調(diào)制兩種。根據(jù)調(diào)制器和激光器的相對關(guān)系，可以分為內(nèi)腔調(diào)制和外腔調(diào)制兩種。 根據(jù)調(diào)制器的工作原理根據(jù)調(diào)制器的工作原理，可以分為電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電可以分為電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制。源調(diào)制。 激光調(diào)制按其性質(zhì)可以分為：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及強(qiáng)度調(diào)制等。激光調(diào)制按其性質(zhì)可以分為：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及強(qiáng)度調(diào)制等。3 3. .振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制和脈沖調(diào)制。振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制和脈沖調(diào)制。15一、電光效應(yīng)一、電光效應(yīng)二、電致折射率變化二、電致折射率變化三、電光相位延遲三、電光相位延遲7.2 7.2 電光調(diào)制電光調(diào)制物理基礎(chǔ)：物理基礎(chǔ)：電光效應(yīng)

13、電光效應(yīng)一、電光效應(yīng)一、電光效應(yīng)電光效應(yīng)：電光效應(yīng)：某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當(dāng)光某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當(dāng)光場通過此介質(zhì)時，其傳輸特性就受到影響而改變。場通過此介質(zhì)時，其傳輸特性就受到影響而改變。晶體折射率可寫為（當(dāng)有外加電場時）：晶體折射率可寫為（當(dāng)有外加電場時）： 20hEE 。為未加電場時的折射率為未加電場時的折射率為常數(shù)；為常數(shù)；其中其中oh ,由一次項由一次項 引起的折射率變化稱為線性電光效應(yīng)或引起的折射率變化稱為線性電光效應(yīng)或泡克耳斯效應(yīng)泡克耳斯效應(yīng); ;E 由二次項由二次項 引起的折射率變化稱為二次電光效應(yīng)或引起的折射率變化稱為二次

14、電光效應(yīng)或克爾（克爾（KerrKerr）效應(yīng)）效應(yīng)。2hE（7.2.7.2.1 1）二、電致折射率變化二、電致折射率變化（7.2.3）以以KDPKDP晶體為例晶體為例（x= y= o, z= e,以及以及 o e）。）。采用折射率橢球體方法，在未加外場時：采用折射率橢球體方法，在未加外場時：為主折射率。為主折射率。為介質(zhì)的主軸方向；為介質(zhì)的主軸方向；zyxzyxzyxzyx ,1222222 當(dāng)晶體加外電場時，假設(shè)外電場方向平行于當(dāng)晶體加外電場時，假設(shè)外電場方向平行于z z軸，則新方程為：軸，則新方程為：11y11222632026320 zExEeZZ （7.2.2）11y112226320

15、26320 zExEeZZ 06330006330022- ZyZxEE慢慢”軸軸方方向向傳傳播播速速度度減減慢慢，“沿沿快快”軸軸方方向向傳傳播播速速度度加加寬寬，“沿沿yx 當(dāng)當(dāng)KDPKDP晶體沿晶體沿z z軸加電場時，折射率橢球的主軸繞軸加電場時，折射率橢球的主軸繞z z軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)4545( (與外加電與外加電場大小無關(guān)）場大小無關(guān)）; ;折射率變化與電場成正比。折射率變化與電場成正比。（7.2.4）（7.2.5）19三、電光相位延遲三、電光相位延遲36336322122212xynxooznyoozLn LnnELn LnnE33636322yxnnozoLnEnVzVE L沿沿z

16、z軸加的電壓軸加的電壓（7.2.6）當(dāng)一束線偏振光沿當(dāng)一束線偏振光沿z z軸方向入射晶體，軸方向入射晶體，E E矢量沿矢量沿x x方向，進(jìn)入晶體后即分方向，進(jìn)入晶體后即分解為沿解為沿xx和和yy方向的兩個垂直偏振分量。當(dāng)經(jīng)過長度方向的兩個垂直偏振分量。當(dāng)經(jīng)過長度L L后兩偏振分量后兩偏振分量的相位延遲分別為：的相位延遲分別為：當(dāng)波長和電光晶體確定后，相位差的變化僅決定于外電壓。相位延遲完當(dāng)波長和電光晶體確定后，相位差的變化僅決定于外電壓。相位延遲完全決定于電光效應(yīng)造成的雙折射。全決定于電光效應(yīng)造成的雙折射。一、聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)一、聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)二、聲光互作用的兩種類型二、聲光互作用的兩種

17、類型三、聲光調(diào)制器三、聲光調(diào)制器7.3 7.3 聲光調(diào)制聲光調(diào)制21一、聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)一、聲光調(diào)制的物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ)：物理基礎(chǔ)：聲光相互作用聲光相互作用 聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的折射聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的折射率沿聲波的傳播方向發(fā)生周期性變化。率沿聲波的傳播方向發(fā)生周期性變化。 介質(zhì)就如同一個光學(xué)的介質(zhì)就如同一個光學(xué)的“相位光相位光柵柵”。 當(dāng)光波通過此介質(zhì)時，就會產(chǎn)生光當(dāng)光波通過此介質(zhì)時，就會產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等的衍射。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。都隨著超聲場的變化而變化。22超聲行波在介質(zhì)中的傳播超聲行波在介質(zhì)中的傳播超聲駐波超聲駐波結(jié)論

18、：結(jié)論：聲行波形成的光柵以聲聲行波形成的光柵以聲速向前推進(jìn)，頻率為速向前推進(jìn)，頻率為f fs s xktAkdtdatxxkAtxasssss sin,tcos, tsincos2tcoscos2,sssssxkAdtdaxkAtxa 結(jié)論：結(jié)論：聲駐波在一個周期內(nèi)，介質(zhì)聲駐波在一個周期內(nèi)，介質(zhì)兩次出現(xiàn)疏密層，若超聲頻率為兩次出現(xiàn)疏密層，若超聲頻率為f fs s，光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)為光柵出現(xiàn)和消失的次數(shù)為2f2fs s，光波，光波通過該介質(zhì)后受到的調(diào)制頻率為通過該介質(zhì)后受到的調(diào)制頻率為2f2fs s。23二、聲光相互作用的類型二、聲光相互作用的類型1.Raman-Nath衍射衍射特點(diǎn)：特點(diǎn)：

19、聲波頻率較低聲波頻率較低光波平行于聲波面入射（垂光波平行于聲波面入射（垂直于聲場傳播方向）直于聲場傳播方向）聲光互作用長度聲光互作用長度L L較短較短結(jié)論：結(jié)論：存在多級衍射，最強(qiáng)的以及光衍射效率也不會超過存在多級衍射，最強(qiáng)的以及光衍射效率也不會超過34%34%。242.Bragg衍射衍射特點(diǎn)：特點(diǎn)：聲波頻率比較高聲波頻率比較高光波與聲波以一定的角度斜入射光波與聲波以一定的角度斜入射聲光互作用長度聲光互作用長度L L比較長比較長 光波在介質(zhì)中穿過多個聲波面光波在介質(zhì)中穿過多個聲波面, ,當(dāng)入射光與聲波面間夾角滿足一定條當(dāng)入射光與聲波面間夾角滿足一定條件時，介質(zhì)內(nèi)各級衍射光相互干涉，各高級項衍射

20、光將互相抵消，只出件時，介質(zhì)內(nèi)各級衍射光相互干涉，各高級項衍射光將互相抵消，只出現(xiàn)現(xiàn)0 0級和級和+1+1級（級（-1-1級）衍射光。級）衍射光。結(jié)論：結(jié)論：理想的理想的BraggBragg衍射，入射光可以全部轉(zhuǎn)化為衍射光，衍射效率衍射，入射光可以全部轉(zhuǎn)化為衍射光，衍射效率達(dá)到達(dá)到100%100%。故聲光調(diào)制器中多采用。故聲光調(diào)制器中多采用BraggBragg衍射效應(yīng)。衍射效應(yīng)。25三、聲光調(diào)制器三、聲光調(diào)制器1 1、聲光體調(diào)制器的組成、聲光體調(diào)制器的組成（1 1）聲光介質(zhì)）聲光介質(zhì)（2 2）電聲換能器（利用某些壓電晶體，）電聲換能器（利用某些壓電晶體，石英等，在外加電場作用下產(chǎn)生機(jī)械振石英等

21、，在外加電場作用下產(chǎn)生機(jī)械振動而形成超聲波）動而形成超聲波） （3 3）吸聲（或反射）裝置。）吸聲（或反射）裝置。 對于行波超聲波，用來吸收已通過介質(zhì)的殘留超聲波（防止返回對于行波超聲波，用來吸收已通過介質(zhì)的殘留超聲波（防止返回介質(zhì)產(chǎn)生干擾）；對于駐波超聲波，用反射裝置以形成駐波。介質(zhì)產(chǎn)生干擾）；對于駐波超聲波，用反射裝置以形成駐波。262.2.聲光調(diào)制的工作原理聲光調(diào)制的工作原理聲光調(diào)制聲光調(diào)制= =利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上。利用聲光效應(yīng)將信息加載于光頻載波上。調(diào)制信號以電信號形式作用于電聲換能器上調(diào)制信號以電信號形式作用于電聲換能器上 超聲超聲場場 光強(qiáng)光強(qiáng) 強(qiáng)度調(diào)制波。強(qiáng)度調(diào)制

22、波。調(diào)制特性曲線調(diào)制特性曲線 類似于電光強(qiáng)度調(diào)制，一般情況下為非線性調(diào)制，需加超聲類似于電光強(qiáng)度調(diào)制，一般情況下為非線性調(diào)制，需加超聲偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。偏置，使其工作在線性較好的區(qū)域。27一、自然旋光效應(yīng)一、自然旋光效應(yīng)二、磁光效應(yīng)二、磁光效應(yīng)法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)三、磁光調(diào)制器三、磁光調(diào)制器7.4 7.4 磁光效應(yīng)與磁光隔離器磁光效應(yīng)與磁光隔離器28一、自然旋光效應(yīng)一、自然旋光效應(yīng)1. 自然旋光現(xiàn)象自然旋光現(xiàn)象 一束線偏振光沿石英晶體的光軸方向傳播時，其振動平面會相對原方向轉(zhuǎn)過一個角度。由于石英晶體是單軸晶體，光沿著光軸方向傳播不會發(fā)生雙折射，因而該現(xiàn)象應(yīng)屬另外一種新現(xiàn)象，這就是

23、旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象。 實驗證明，一定波長的線偏振光通過旋光介質(zhì)時，光振動方向轉(zhuǎn)過實驗證明，一定波長的線偏振光通過旋光介質(zhì)時，光振動方向轉(zhuǎn)過的角度的角度與在該介質(zhì)中通過的距離與在該介質(zhì)中通過的距離l成正比：成正比： =l 比例系數(shù)比例系數(shù)表征了該介質(zhì)的旋光本領(lǐng)，稱為旋光率，它與光波長、介質(zhì)表征了該介質(zhì)的旋光本領(lǐng)，稱為旋光率，它與光波長、介質(zhì)的性質(zhì)及溫度有關(guān)。的性質(zhì)及溫度有關(guān)。292.2.自然旋光現(xiàn)象的理論解釋自然旋光現(xiàn)象的理論解釋菲涅耳假設(shè)菲涅耳假設(shè) 線偏振光線偏振光= =右旋圓偏振光右旋圓偏振光+ +左旋圓偏振光左旋圓偏振光 菲涅耳認(rèn)為：菲涅耳認(rèn)為：在各向同性介質(zhì)中，線偏在各向同性介質(zhì)中，線偏振

24、光的右、左旋圓偏振光分量的傳播速度相振光的右、左旋圓偏振光分量的傳播速度相等，因而其相應(yīng)的折射率相等；在旋光介質(zhì)等，因而其相應(yīng)的折射率相等；在旋光介質(zhì)中，右、左旋圓偏振光的傳播速度不同，其中，右、左旋圓偏振光的傳播速度不同，其相應(yīng)的折射率也不相等。相應(yīng)的折射率也不相等。 在右旋晶體中，右旋圓偏振光的傳播速在右旋晶體中，右旋圓偏振光的傳播速度較快；在左旋晶體中，左旋圓偏振光的傳度較快；在左旋晶體中，左旋圓偏振光的傳播速度較快。播速度較快。右旋石英與左旋石英右旋石英與左旋石英 30二、磁光效應(yīng)二、磁光效應(yīng)法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng)1. 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 本來不具有旋光性的介質(zhì)，在強(qiáng)磁場作用下產(chǎn)生旋光

25、現(xiàn)象的效本來不具有旋光性的介質(zhì)，在強(qiáng)磁場作用下產(chǎn)生旋光現(xiàn)象的效應(yīng)叫磁致旋光效應(yīng)，簡稱為磁光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）。應(yīng)叫磁致旋光效應(yīng)，簡稱為磁光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）。 振動平面轉(zhuǎn)過的角度與光在物質(zhì)中通過的長度振動平面轉(zhuǎn)過的角度與光在物質(zhì)中通過的長度l和磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度B B成正比，即：成正比，即：=VBl 式中，式中，V V是與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，叫維爾德常數(shù)。是與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，叫維爾德常數(shù)。物物 質(zhì)質(zhì) 溫溫 度度 / /C C V V/ /弧度弧度/(/(特特米米) ) 磷冕玻璃磷冕玻璃輕火石玻璃輕火石玻璃水晶水晶( (垂直光軸垂直光軸) )食鹽食鹽水水磷磷二硫化碳二硫化碳 181818

26、18202016162020333320 20 4.864.869.229.224.834.8310.4410.443.813.8138.5738.5712.30 12.30 312.2.旋光現(xiàn)象的物理成因旋光現(xiàn)象的物理成因 當(dāng)一束線偏光通過時，分解為左旋圓偏光和右旋圓偏光，它們通過當(dāng)一束線偏光通過時，分解為左旋圓偏光和右旋圓偏光，它們通過厚度為厚度為L L的介質(zhì)之后產(chǎn)生的相位延遲分別為：的介質(zhì)之后產(chǎn)生的相位延遲分別為： LLLLRLR 22,22121通過介質(zhì)后，又合成一線偏光，其偏振方向相對于入射光旋轉(zhuǎn)了一個角度：通過介質(zhì)后，又合成一線偏光，其偏振方向相對于入射光旋轉(zhuǎn)了一個角度： LLR

27、21注意：注意：磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅于磁場方向有關(guān)，而與光線傳播方向磁致旋光效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向僅于磁場方向有關(guān)，而與光線傳播方向的正反無關(guān)。因此，當(dāng)光通過磁光介質(zhì)時，只要磁場方向不變，旋轉(zhuǎn)角的正反無關(guān)。因此，當(dāng)光通過磁光介質(zhì)時，只要磁場方向不變，旋轉(zhuǎn)角都朝一個方向增加。而晶體的雙折射效應(yīng)產(chǎn)生的自然雙折射現(xiàn)象，當(dāng)光都朝一個方向增加。而晶體的雙折射效應(yīng)產(chǎn)生的自然雙折射現(xiàn)象，當(dāng)光束往返穿過晶體時，因旋轉(zhuǎn)角相等方向相反而互抵消。束往返穿過晶體時，因旋轉(zhuǎn)角相等方向相反而互抵消。32二、磁光調(diào)制與磁光隔離器二、磁光調(diào)制與磁光隔離器 磁光調(diào)制：磁光調(diào)制：先將電信號轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的交變磁場，再由磁先將電信號

28、轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的交變磁場，再由磁光效應(yīng)改變在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達(dá)到改變光強(qiáng)度等光效應(yīng)改變在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達(dá)到改變光強(qiáng)度等參量的目的。參量的目的。33 讓偏振片讓偏振片P P1 1與與P P2 2的透振方向成的透振方向成 4545角，調(diào)整磁感應(yīng)強(qiáng)度角，調(diào)整磁感應(yīng)強(qiáng)度B B，使從法，使從法拉第盒出來的光振動面相對拉第盒出來的光振動面相對P P1 1轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)過 4545，于是，剛好能通過，于是，剛好能通過P P2 2 ；但對；但對于從后面光學(xué)系統(tǒng)各界面反射回來的光，經(jīng)于從后面光學(xué)系統(tǒng)各界面反射回來的光，經(jīng)P P2 2和法拉第盒后，其光矢量和法拉第盒后，其光矢量與與P P1

29、 1垂直，因此被隔離而不能返回到光源。垂直，因此被隔離而不能返回到光源。34小結(jié)電光調(diào)制物理基礎(chǔ)電光調(diào)制物理基礎(chǔ)電光效應(yīng)電光效應(yīng) 某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當(dāng)光場通過某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當(dāng)光場通過此介質(zhì)時，其傳輸特性就受到影響而改變。此介質(zhì)時，其傳輸特性就受到影響而改變。聲光調(diào)制物理基礎(chǔ)聲光調(diào)制物理基礎(chǔ)聲光相互作用聲光相互作用 聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的折射率沿聲波的傳播方向發(fā)生周期性變聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)的折射率沿聲波的傳播方向發(fā)生周期性變化；當(dāng)光波通過此介質(zhì)時會產(chǎn)生光的衍射。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等化；當(dāng)光波通過此介質(zhì)時會產(chǎn)生光的衍射

30、。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。都隨著超聲場的變化而變化。磁光調(diào)制物理基礎(chǔ)磁光調(diào)制物理基礎(chǔ)法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 本來不具有旋光性的介質(zhì)，在強(qiáng)磁場作用下產(chǎn)生旋光現(xiàn)象，改變在介本來不具有旋光性的介質(zhì)，在強(qiáng)磁場作用下產(chǎn)生旋光現(xiàn)象，改變在介質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達(dá)到改變光強(qiáng)度等參量的目的。質(zhì)中傳輸?shù)墓獠ǖ钠駪B(tài)，從而達(dá)到改變光強(qiáng)度等參量的目的。357.7.5 5 調(diào)調(diào)Q Q技術(shù)技術(shù)一、引入一、引入二、調(diào)二、調(diào)Q Q原理原理三、電光調(diào)三、電光調(diào)Q Q激光器激光器四、可飽和吸收調(diào)四、可飽和吸收調(diào)Q Q激光器激光器36一、引入一、引入現(xiàn)象：現(xiàn)象：一般固體脈沖激光器存在弛豫振蕩現(xiàn)象

31、，輸出激光為一無規(guī)尖一般固體脈沖激光器存在弛豫振蕩現(xiàn)象，輸出激光為一無規(guī)尖峰脈沖序列，其總的脈沖寬度持續(xù)幾百微妙甚至幾毫秒，峰值功率只峰脈沖序列，其總的脈沖寬度持續(xù)幾百微妙甚至幾毫秒，峰值功率只有幾十千瓦的水平。有幾十千瓦的水平。目的：目的：將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(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)。功率可提高幾個數(shù)量級的一種技術(shù)。作用：作用：峰值功率達(dá)到兆瓦級，脈寬達(dá)到納秒級。峰值功率達(dá)到兆瓦級，脈寬達(dá)到納秒級。應(yīng)用：應(yīng)用：激光精密測距、激光雷達(dá)、告訴攝影、高分辨率光譜學(xué)研究等。激光精密測距、激光雷達(dá)、告訴攝影、

32、高分辨率光譜學(xué)研究等。3719611961年底，鄧錫銘幾乎與國外同時，獨(dú)年底，鄧錫銘幾乎與國外同時，獨(dú)立提出了高功率激光立提出了高功率激光Q Q開關(guān)原理。開關(guān)原理。 把把Q Q開關(guān)比喻為一個稍有漏水（自發(fā)開關(guān)比喻為一個稍有漏水（自發(fā)輻射躍遷）的抽水馬桶，當(dāng)水箱被灌輻射躍遷）的抽水馬桶，當(dāng)水箱被灌（光泵注入能量）滿之后水箱地步的蓋（光泵注入能量）滿之后水箱地步的蓋快速揭開（快速揭開（Q Q值突變），水（激光能量）值突變），水（激光能量）就一涌而出（激光峰值功率輸出）。就一涌而出（激光峰值功率輸出）。 采用調(diào)采用調(diào)Q Q技術(shù)很容易獲得峰值功率高技術(shù)很容易獲得峰值功率高于兆瓦、脈寬為數(shù)十納秒的激光巨

33、脈沖。于兆瓦、脈寬為數(shù)十納秒的激光巨脈沖。380022LEEQ 諧振腔品質(zhì)因子諧振腔品質(zhì)因子Q Q程程時時的的能能量量損損耗耗：光光在在腔腔內(nèi)內(nèi)傳傳播播一一個個單單：腔腔內(nèi)內(nèi)介介質(zhì)質(zhì)折折射射率率：腔腔長長；激激光光能能量量：光光在在腔腔內(nèi)內(nèi)每每秒秒損損耗耗的的：腔腔內(nèi)內(nèi)儲儲存存的的激激光光能能量量和和中中心心波波長長真真空空中中的的激激光光中中心心頻頻率率、 LEE :00 調(diào)調(diào)Q Q技術(shù)就是通過某種方法使腔的技術(shù)就是通過某種方法使腔的Q Q值（損耗）隨時間按一定程序值（損耗）隨時間按一定程序變化的技術(shù)。變化的技術(shù)。39二、調(diào)二、調(diào)Q Q原理原理（1 1）能量儲存過程：）能量儲存過程：在泵浦開

34、始時使諧振腔的損耗增大，即提高振蕩閾值（在泵浦開始時使諧振腔的損耗增大，即提高振蕩閾值（G=L/），使振），使振蕩不能形成，上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度蕩不能形成，上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度n n大量積累。大量積累。（2 2）激光產(chǎn)生和輸出過程：）激光產(chǎn)生和輸出過程：當(dāng)積累到最大值（飽和值）時，突然使損耗變小，當(dāng)積累到最大值（飽和值）時，突然使損耗變小，Q Q值突增，激光振蕩值突增，激光振蕩迅速建立，腔內(nèi)很快建立極強(qiáng)的振蕩，在短時間內(nèi)迅速建立，腔內(nèi)很快建立極強(qiáng)的振蕩，在短時間內(nèi)n大量被消耗，轉(zhuǎn)變大量被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，同時在輸出鏡端就有一個極強(qiáng)的激光脈沖輸出。為腔內(nèi)的光能量，同時在輸出鏡端就有一

35、個極強(qiáng)的激光脈沖輸出。 在此過程中，弛豫振蕩一般是不會發(fā)生的，輸出脈沖一定時脈寬窄在此過程中，弛豫振蕩一般是不會發(fā)生的，輸出脈沖一定時脈寬窄（1010-9-9-10-10-8-8s s）、峰值功率高（大于）、峰值功率高（大于MWMW）。這種脈沖稱為巨脈沖。）。這種脈沖稱為巨脈沖。401.Q1.Q開關(guān)激光器開關(guān)激光器第一階段：儲能階段，降低第一階段：儲能階段，降低Q Q值，積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，相當(dāng)于值，積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，相當(dāng)于Q Q開關(guān)關(guān)閉開關(guān)關(guān)閉狀態(tài)狀態(tài)第二階段：輸出激光階段，增大第二階段：輸出激光階段，增大Q Q值，使輸出激光，相當(dāng)于值，使輸出激光，相當(dāng)于Q Q開關(guān)打開開關(guān)打開狀態(tài)狀態(tài)激光介質(zhì)激光

36、介質(zhì)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)鏡半反半反激光介質(zhì)激光介質(zhì) 激光激光轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)鏡半反半反第一階段：第一階段：Q Q開關(guān)關(guān)閉開關(guān)關(guān)閉第二階段：第二階段：Q Q開關(guān)開啟開關(guān)開啟412.Q2.Q開關(guān)激光器的特點(diǎn)開關(guān)激光器的特點(diǎn)通過改變通過改變Q Q值值改變閾值，控制激光產(chǎn)生的時間改變閾值，控制激光產(chǎn)生的時間兩階段兩階段儲能階段儲能階段+ +激光產(chǎn)生輸出激光產(chǎn)生輸出開關(guān)時間開關(guān)時間從從Q Q值最小變到最大值最小變到最大Q Q值即損耗從最大變到值即損耗從最大變到最小需要的時間。最小需要的時間。 開關(guān)時間對激光脈沖的影響很大，按開關(guān)時間的大開關(guān)時間對激光脈沖的影響很大，按開關(guān)時間的大小分為快、慢兩種類型。小分為快、慢兩種類型。42

37、三、電光調(diào)三、電光調(diào)Q Q激光器（激光器（KDPKDP晶體）晶體）1.1.電光調(diào)電光調(diào)Q Q原理原理 電光調(diào)電光調(diào)Q Q裝置示意圖裝置示意圖利用晶體的電光效應(yīng)，在晶體上加一階躍式電壓，調(diào)節(jié)腔內(nèi)光子的反射損耗利用晶體的電光效應(yīng)，在晶體上加一階躍式電壓，調(diào)節(jié)腔內(nèi)光子的反射損耗 沿晶體光軸方向沿晶體光軸方向z z施加一外電場施加一外電場E E , , 入射到晶體表面時光束分解為等幅入射到晶體表面時光束分解為等幅的的xx和和yy方向的偏振光方向的偏振光, ,在晶體中二者具有不同的折射率在晶體中二者具有不同的折射率x x和和y y。經(jīng)。經(jīng)過晶體長度過晶體長度d d距離后距離后, ,二偏振分量產(chǎn)生了相位差

38、二偏振分量產(chǎn)生了相位差：UEddxy 6330633022)(2 43第一階段第一階段 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累階段反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累階段-Q-Q開關(guān)關(guān)閉開關(guān)關(guān)閉 當(dāng)當(dāng)=/2=/2時時，所需電壓記作所需電壓記作U U/4/4. . 線偏振光經(jīng)電光晶體后線偏振光經(jīng)電光晶體后, ,沿沿x和和yy偏偏振分量產(chǎn)生了振分量產(chǎn)生了/2/2延遲（偏延遲（偏45450 0）, ,經(jīng)反射后再次通過晶體又產(chǎn)生經(jīng)反射后再次通過晶體又產(chǎn)生/2/2延遲延遲, ,合成后雖仍是線偏振光合成后雖仍是線偏振光, ,但偏振方向垂直偏振器的偏振方向但偏振方向垂直偏振器的偏振方向, ,不能通過偏振器。不能通過偏振器。第二階段第二階段 輸出激光

39、輸出激光-Q-Q開關(guān)開啟開關(guān)開啟 突然撤去電光晶體兩端的電壓突然撤去電光晶體兩端的電壓, ,則偏振光的振動方向不再被旋轉(zhuǎn)，相則偏振光的振動方向不再被旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于光開關(guān)被打開，則突變至低損耗、高當(dāng)于光開關(guān)被打開，則突變至低損耗、高Q Q值狀態(tài)值狀態(tài), ,于是形成巨脈沖激光。于是形成巨脈沖激光。只要給只要給KDPKDP晶體加以晶體加以U U/4/4電壓，諧振腔的電壓，諧振腔的Q Q值便很低，此時儲能。當(dāng)電壓撤去值便很低，此時儲能。當(dāng)電壓撤去瞬間，諧振腔瞬間，諧振腔Q Q值階躍升高，工作物質(zhì)儲能迅速釋放，結(jié)果形成激光巨脈沖。值階躍升高，工作物質(zhì)儲能迅速釋放，結(jié)果形成激光巨脈沖。442.2.電光調(diào)電光

40、調(diào)Q技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)有較高的動態(tài)損耗（有較高的動態(tài)損耗（9999）和插入損耗（）和插入損耗（1515） 開關(guān)速度快，同步性能好。開關(guān)時間可以達(dá)到開關(guān)速度快，同步性能好。開關(guān)時間可以達(dá)到10-9秒秒 典型的典型的Nd:YAGNd:YAG電光調(diào)電光調(diào)Q Q激光器的輸出光脈沖寬度約為激光器的輸出光脈沖寬度約為10-20ns，峰值功，峰值功率達(dá)到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦率達(dá)到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦 適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術(shù)較高的插入損耗使激光器無法適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術(shù)較高的插入損耗使激光器無法振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器45四、可飽和吸收調(diào)四、可飽和吸收調(diào)Q Q激

41、光器（激光器（CrCr4+4+：YAG)YAG)定義：定義：根據(jù)某些物質(zhì)對入射光具有強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)原理而形成的一種被根據(jù)某些物質(zhì)對入射光具有強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)原理而形成的一種被動式調(diào)動式調(diào)Q Q。即利用某些可飽和吸收體本身特性，自動地改變。即利用某些可飽和吸收體本身特性，自動地改變Q Q值的方法。值的方法。分類：分類：可飽和吸收晶體、可飽和吸收染料可飽和吸收晶體、可飽和吸收染料優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，無電磁干擾，可獲得峰值功率大、脈寬小的結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，無電磁干擾，可獲得峰值功率大、脈寬小的巨脈沖巨脈沖011sII吸收系數(shù)吸收系數(shù)式中式中0 0是中心頻率小信號是中心頻率小信號吸收系

42、數(shù)吸收系數(shù); ; I I 和和 I Is s 分別為人射光強(qiáng)分別為人射光強(qiáng)和飽和光強(qiáng)。和飽和光強(qiáng)。46透過率透過率T T隨光強(qiáng)的變化隨光強(qiáng)的變化光強(qiáng)很小時，吸收系數(shù)很大，光強(qiáng)很小時，吸收系數(shù)很大，I=0I=0時時, , = = 0 0，T T很小很小光強(qiáng)與飽和光強(qiáng)可相比擬時，吸收系數(shù)突然變小，透過率光強(qiáng)與飽和光強(qiáng)可相比擬時，吸收系數(shù)突然變小，透過率T T突然增大突然增大光強(qiáng)很大時，吸收系數(shù)很小，光強(qiáng)很大時，吸收系數(shù)很小，IIIIs s時時, , =0=0，T T很大很大47 工作原理工作原理在初始階段，在初始階段，CrCr4+4+:YAG:YAG的透過率的透過率T T較低較低，隨著泵浦作用增益

43、介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子，隨著泵浦作用增益介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)數(shù)n n不斷增加，當(dāng)增益等于損耗時，不斷增加，當(dāng)增益等于損耗時，n n達(dá)到最大值，此時達(dá)到最大值，此時T T仍為初始值。仍為初始值。 隨著泵浦的進(jìn)一步作用，腔內(nèi)光子數(shù)隨著泵浦的進(jìn)一步作用，腔內(nèi)光子數(shù)N N不斷增加，不斷增加，T T也逐漸變大，并最終也逐漸變大，并最終達(dá)到飽和。此時，達(dá)到飽和。此時，T T突然增大突然增大，N N迅速增加，激光振蕩形成。迅速增加，激光振蕩形成。N N達(dá)到最大值時，激光為最大輸出，此后，由于達(dá)到最大值時，激光為最大輸出，此后，由于n n的減少，的減少，N N也開始減低，也開始減低，則則CrCr4+4+:YAG:YAG的

44、的T T也開始減低。當(dāng)也開始減低。當(dāng)N N降到初始值時，降到初始值時，CrCr4+4+:YAG:YAG的的T T也恢復(fù)到初始值，也恢復(fù)到初始值，調(diào)調(diào)Q Q脈沖結(jié)束。脈沖結(jié)束。487.6 7.6 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)調(diào)調(diào)Q Q技術(shù)與鎖模技術(shù)比較：技術(shù)與鎖模技術(shù)比較：相同：相同：應(yīng)人們對高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應(yīng)用需求而發(fā)展起來的。應(yīng)人們對高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應(yīng)用需求而發(fā)展起來的。不同：不同：兩種方式機(jī)理不同，壓縮的程度也不同。兩種方式機(jī)理不同，壓縮的程度也不同。 調(diào)調(diào)Q Q技術(shù)可將激光脈寬壓縮至納秒量級，峰值功率大技術(shù)可將激光脈寬壓縮至納秒量級，峰值功率大10106 6W W以上以上 鎖

45、模技術(shù)可將激光脈寬壓縮至皮秒甚至飛秒量級，峰值功率科大鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮至皮秒甚至飛秒量級，峰值功率科大10101212W W鎖模技術(shù)就是獲得超短脈沖的一種技術(shù)。本節(jié)簡要了解鎖模的基本鎖模技術(shù)就是獲得超短脈沖的一種技術(shù)。本節(jié)簡要了解鎖模的基本原理及方法。原理及方法。49一、鎖模的基本原理一、鎖模的基本原理1.1.未經(jīng)鎖定各縱模的相位差未經(jīng)鎖定各縱模的相位差此此無無關(guān)關(guān)在在未未鎖鎖模模時時，初初相相位位彼彼，且且、頻頻率率分分別別為為，傳傳播播、振振幅幅相相同同的的光光波波假假設(shè)設(shè)有有三三個個沿沿相相同同方方向向131232132 獲得非相干光，激光輸出隨時間的變化時它們無規(guī)則疊加的結(jié)果，

46、是獲得非相干光，激光輸出隨時間的變化時它們無規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時間平均的統(tǒng)計值。所形成的光波并沒有在一個地方有很突出的一種時間平均的統(tǒng)計值。所形成的光波并沒有在一個地方有很突出的加強(qiáng)。輸出的光強(qiáng)只在平均光強(qiáng)基礎(chǔ)上有一個小的起伏擾動。加強(qiáng)。輸出的光強(qiáng)只在平均光強(qiáng)基礎(chǔ)上有一個小的起伏擾動。502.2.鎖定個縱模之間的相位差鎖定個縱模之間的相位差 tEEtEEtEE1031021013216cos4cos2cos0 如，使如，使0111031t032t031t30tEEEEEE 時，時，當(dāng)當(dāng)時，時，當(dāng)當(dāng)時，時，當(dāng)當(dāng)，當(dāng)當(dāng) 由于相長性的干涉作用，由于相長性的干涉作用，周期性地出現(xiàn)了極大值周期性地出

47、現(xiàn)了極大值(I=9E(I=9E0 02 2) )。對于諧振腔內(nèi)。對于諧振腔內(nèi)存在多個縱模的情況，存在多個縱模的情況，結(jié)果類似。結(jié)果類似。513.3.鎖模技術(shù)（鎖相技術(shù)）鎖模技術(shù)（鎖相技術(shù)）采用適當(dāng)?shù)拇胧┦垢髯元?dú)立的縱模在時間上采用適當(dāng)?shù)拇胧┦垢髯元?dú)立的縱模在時間上同步，及把它們的相位相互聯(lián)系起來，使之同步，及把它們的相位相互聯(lián)系起來，使之有一確定的關(guān)系（有一確定的關(guān)系（q+1q+1- - q q= =常數(shù)），就可常數(shù)），就可獲得脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖。獲得脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖。使各縱模的相位角有一定關(guān)系的技術(shù)即鎖使各縱模的相位角有一定關(guān)系的技術(shù)即鎖模技術(shù)，又稱鎖相技術(shù)。模技術(shù)

48、，又稱鎖相技術(shù)。52 相相鄰鄰相相位位差差為為常常量量定定為為相相鄰鄰頻頻率率間間隔隔相相等等并并固固條條件件：221Lcq 2021231121221ENNcLtq 比于比于輸出脈沖的峰值功率正輸出脈沖的峰值功率正每個脈沖的寬度每個脈沖的寬度的規(guī)則脈沖序列的規(guī)則脈沖序列輸出時間隔為輸出時間隔為性質(zhì)：性質(zhì)： 53二、鎖模方法二、鎖模方法 主動鎖模：主動鎖模：在激光腔內(nèi)插入一個調(diào)制器，調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確的等在激光腔內(nèi)插入一個調(diào)制器，調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確的等于縱模間隔，這樣可以得到重復(fù)頻率為于縱模間隔，這樣可以得到重復(fù)頻率為f=c/2L的鎖模脈沖序列。的鎖模脈沖序列。 被動鎖模：被動鎖模：在

49、激光腔內(nèi)插入可飽和吸收染料來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗。當(dāng)滿足在激光腔內(nèi)插入可飽和吸收染料來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗。當(dāng)滿足鎖模條件時，就可獲得一系列的鎖模脈沖。鎖模條件時，就可獲得一系列的鎖模脈沖。 自鎖模：自鎖模：當(dāng)激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各個振蕩縱模頻率的等當(dāng)激活介質(zhì)本身的非線性效應(yīng)能夠保持各個振蕩縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系，不需要再諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系，不需要再諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件，就可以實現(xiàn)縱模鎖定的方法。件，就可以實現(xiàn)縱模鎖定的方法。 同步泵浦鎖模：同步泵浦鎖模：如果要通過周期性的調(diào)制謝政權(quán)的增益來實現(xiàn)鎖模，則如果要通過周期性的調(diào)制謝政權(quán)的增益

50、來實現(xiàn)鎖模，則可以采用一臺主動鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺激光器來獲得?？梢圆捎靡慌_主動鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺激光器來獲得。547.7 7.7 選模技術(shù)選模技術(shù)目的：目的：減少激光模式數(shù)，改善激光的方向性，提高單色性。減少激光模式數(shù)，改善激光的方向性，提高單色性。模式：模式：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。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。縱模：縱模：沿腔軸方向電磁場的本征態(tài)。縱模數(shù)表示激光振蕩頻率數(shù)，縱模沿腔軸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)越多，單色性越差。數(shù)越多，單色性越差。橫模：橫模：沿垂直腔軸方向的電磁場的本征態(tài)。不同橫模，

51、光場分布不同，沿垂直腔軸方向的電磁場的本征態(tài)。不同橫模，光場分布不同，發(fā)散角不同。橫模數(shù)越多，方向性越差。發(fā)散角不同。橫模數(shù)越多，方向性越差。應(yīng)用：應(yīng)用：如激光打孔要求方向性好；激光全息、精密干涉計量等要求單色如激光打孔要求方向性好；激光全息、精密干涉計量等要求單色性好。性好。55一、橫模選擇一、橫模選擇 考察兩個最低階次的橫?？疾靸蓚€最低階次的橫模TEMTEM0000和和TEMTEM1010模，假定激活介質(zhì)對橫模的增模，假定激活介質(zhì)對橫模的增益系數(shù)相同，若同時滿足如下不等式，則激光器可實現(xiàn)單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。益系數(shù)相同，若同時滿足如下不等式，則激光器可實現(xiàn)單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。 模的衍射損耗模的衍射損耗和和代

52、表代表，鏡的反射系數(shù)；鏡的反射系數(shù)；代表諧振腔的兩個反射代表諧振腔的兩個反射，模的小信號增益系數(shù)；模的小信號增益系數(shù)；和和代表代表，其中其中10001000211000010000102101000210001111TEMTEMTEMTEMGGGG 原則上采取一定的方法加大基模和高階模的衍射損耗比，使高階橫模的損原則上采取一定的方法加大基模和高階模的衍射損耗比，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，達(dá)到選出基橫模的目的。耗大于增益不能振蕩，而基模滿足閾值條件，達(dá)到選出基橫模的目的。1.1.選擇原則選擇原則562.2.影響衍射損耗的因素影響衍射損耗的因素 與腔型和與腔型和g g參

53、數(shù)有關(guān)，不同的腔型和參數(shù)有關(guān)，不同的腔型和g g，衍射損耗不同；，衍射損耗不同； 同一種腔型，不同橫模，衍射損耗不同；（基模最小，隨著模序數(shù)增同一種腔型，不同橫模，衍射損耗不同；（基模最小，隨著模序數(shù)增加，衍射損耗越來越大。）加，衍射損耗越來越大。） 同一種腔型，菲涅爾數(shù)同一種腔型，菲涅爾數(shù)N N不同，衍射損耗不同。不同，衍射損耗不同。5722100221 WWLV 3.3.基模體積基模體積 橫模體積表示某一模式在腔內(nèi)所擴(kuò)展的空間范圍。一個模式體積的大橫模體積表示某一模式在腔內(nèi)所擴(kuò)展的空間范圍。一個模式體積的大小表示了對該模的振蕩有貢獻(xiàn)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的多少，因而影響輸出功率小表示了對該模的振蕩有

54、貢獻(xiàn)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的多少，因而影響輸出功率的大小。的大小?；ｓw積和腔型的關(guān)系：基模體積和腔型的關(guān)系： 增大腔鏡的曲率半徑增大腔鏡的曲率半徑R R，基模體積增大；，基模體積增大； 當(dāng)當(dāng)R R一定時，一定時，L L有最佳值，當(dāng)有最佳值，當(dāng)R=LR=L時，模集體最大。時，模集體最大。584.4.橫模選擇的方法橫模選擇的方法 改變諧振腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以獲得各模衍射損耗的較大差別，提高改變諧振腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以獲得各模衍射損耗的較大差別，提高諧振腔的選模性能；（氣體激光器）諧振腔的選模性能；（氣體激光器） 在一定的諧振腔內(nèi)插入附加的選模元件來提高選模性能。（固體在一定的諧振腔內(nèi)插入附加的選模元件來提高選模性能。（固體激光器）激光器）光闌法選模光闌法選模（1 1）小孔光闌選模小孔光闌選模（2 2）聚焦光闌法聚焦光闌法59二、縱模選擇二、縱模選擇LcNF 2qq ，其中，其中縱模數(shù)：縱模數(shù)： 首先選單橫模振蕩；首先選單橫模振蕩； 若在腔內(nèi)引入一定的選擇性損耗，使欲選的縱模損耗最小，而若在腔內(nèi)引入一定的選擇性損耗，使欲選的縱模損耗最小，而其余縱模的附加損耗較大，就可最終得到增益較大，損耗較小其余縱模的附加損耗較大，就可最終得到增益較大，損耗較小的中心頻率所對應(yīng)的單縱模。的中心頻率所對應(yīng)的