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

1、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=1012S）量級的強(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)制深度對輸出光脈沖的影響。、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 633nm激光 鎖模的。He

2、-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(1)其中c為光速，L為腔長，若激光介質(zhì)的增益線寬為 A®G,則激光器腔內(nèi)就會 有N個(gè)縱模存在：二-：- GAw在腔內(nèi)N個(gè)縱模的總光場可表示為N 42E z,t 二、In晉EnexpJ*。1式中®0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；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）式對光強(qiáng)求平均，并假設(shè)各縱模振幅相等即 En=E0可得I < 乙t： NE；,激光總強(qiáng)度

3、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， 或者說使所有縱模同步振蕩，在激光腔內(nèi)各縱模就可以相干疊加了。 為了簡便，令（3）式的；=0，并有En=E0,可得E z,t 二 E°exp isin1 N t- z J2 i c丿 .1 A : z 討 sin |也國 t - I2< c丿其光強(qiáng)為2I Z,t ： E z,t=E0sin2 i1 Ng t2i c丿把（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

4、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sin22I t =Eosin2、t<2I（t）為相對光強(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,的脈沖序列，脈沖的周期T為可使激光光強(qiáng)變成隨時(shí)間變化(8)T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)Imax 二 N2E；,(9)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2兀1X =,N也豹 AuG '(10)是脈沖周期T的1/N，鎖住的縱模個(gè)數(shù)越多，鎖模

5、脈寬就越窄，把（2） 式代入（10）式，得(11)鎖模脈寬與增益線寬厶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E°= 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sin22 s叭N兀2L<2LZJ(12)為相對光強(qiáng)，（12）式有以下特點(diǎn)：（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 0（2）輸出光脈沖的峰值強(qiáng)度為(13)I z 二 gN2Ef,式中的g為激光腔鏡的透射率。（3）光脈沖的空間寬度為2L/

6、No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， 故稱為被動鎖模。有的在激光腔內(nèi)放置 調(diào)制元件，對光波進(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)鎖模的則稱為主動鎖模。主動鎖模又分兩種，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)

7、制，假設(shè)損耗調(diào)制的函數(shù)形式為=0 cos ： t ,（14）v 為調(diào)制頻率，受到損耗調(diào)制的第q個(gè)縱模振動可表示為Eq t AEoq 10CO t 】COS，'qt ：q= Eoq COS. yt .訂Eoq、p COS y ： =： t -：q 1(15)從(15)式可知，除了頻率為'q的振動外還產(chǎn)生了兩個(gè)邊頻振動，頻率為 _ ： 當(dāng)® 等于縱模頻率間隔時(shí)，邊頻頻率正好與 -q 1的縱模頻率一致。它們之間產(chǎn)生了耦合，迫使-.qi與一"同步。同樣，在增益線寬內(nèi)所有的縱模都會受到相 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， 因此實(shí)現(xiàn)了同步 振蕩，

8、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)就會發(fā)生衍射，使光束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、頻移或 強(qiáng)度

9、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Q、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Sgsin i -ky ,(16)So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 表示為(1 ) !=pS,(17)in丿p為介質(zhì)的聲光系數(shù)。折射

10、率的變化n可寫成：n = "si n'tky,(18)其中，1 3J = -n3pS。，(19)圖2聲光衍射卩為折射率變化的振幅。若在某一時(shí)刻觀祭，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，一類叫拉曼一奈斯（Raman-Nath衍射，另一類叫布拉格（Bragg）衍 射。（1）拉曼一奈斯衍射為了簡便，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)I較短，并有l(wèi)vlo/2.（lo=/ 稱為特征長度），就會產(chǎn)生對稱于零級的多級衍射， 這就是拉曼

11、一奈斯衍射。各級衍射光的方向角9由下式?jīng)Q定:sin m，/ 上，（20）式中的m為衍射級，m = 0,± 1, ±2,，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,各級衍射光波有以下形式：Jm expi -mtl（21）Jm 為m級貝塞爾函數(shù)，是m級衍射光波的相對振幅，E如下式所示:Jl,（22）'0E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。為入射光的圓頻率，各級衍射光為單色光，其圓頻率變?yōu)?mQ。除零級衍射光頻率不變外，各級衍射光均發(fā)生了多普勒頻移，各級衍射光的頻率變化如圖 3所以。

12、圖4給出零級、一級和二級相對衍射光強(qiáng)隨聲致相移 E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.：n = J sin i11 sin ky,(23)各級衍射光波由下式表示Jm sint exp i t ,(24)Jm sint為第m級貝塞爾函數(shù)，是第 m級衍射光波的振幅，它受到了sin的調(diào)制，所以各級衍射光不再是單色光，而是含有多種頻率成分的合成光，各級衍射光的頻率成分如圖5所示。as茍燈fc!土二口 4土土Q g± 3± g3匕2厲a出4Q. -'圖5彈性駐波產(chǎn)生的衍射的頻移對0

13、級衍射光束其強(qiáng)度正比于J： (int。由于Jo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I >2lo,且光波的入射角等于衍射角并滿足下 列關(guān)系式sin 弘=m- /2上，(25)其中m=0, 土 1為衍射級，(25)式與晶體中的布拉格衍射相似， 所以稱為布拉 格衍射。9 b為布拉格角，布拉格衍射只有0級和土 1級，且土 1級不同時(shí)存在, 0級和1級的相對衍射強(qiáng)度分別為l0 =cos2C /2 , h =sin2/2 ,當(dāng)E =冗時(shí)，理論上1級衍射效率可達(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衍射光強(qiáng)是受到調(diào)制的，我們定義

14、光強(qiáng)的調(diào)制度M為(26)I max 一 I minI maxImax為調(diào)制光中光強(qiáng)的極大值，Imin為光強(qiáng)的極小值，除0級以外各種衍射光 強(qiáng)的調(diào)制度均為1。拉曼一奈斯0級衍射光強(qiáng)的Imax "行=0, Imin = Ji ,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To T可表示為I = I max ' I min /2，(27)在E不很大的范圍內(nèi)(E <2rad), 0級衍射光強(qiáng)的平均值可近似表示為二 J：/2,(28)則0級衍射光強(qiáng)的調(diào)制度可近似表示為M =21 兒，(29)7 = jo /

15、2 Jo 0,(30)-定義為0級衍射光強(qiáng)的平均衍射效率。圖6給出駐波型拉曼一奈斯0級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1 3 2Pa' S°hl,(31)2圖6駐波型拉曼一奈斯零級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)式可得兀2M 2l、l(32)式中M2 = n6p2/】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7零級衍射調(diào)制度聲功率的關(guān)系(33)圖8聲光器件結(jié)構(gòu)使聲波在聲光介質(zhì)中形成駐波。圖7給出了零級衍射調(diào)制度與聲功率的關(guān)系曲線

16、。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n s。s 二 Pa/Pe,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) 構(gòu)如圖8所示，除電極以外主要由四部分 組成。圖中是壓電換能器，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。是鍵合層，作用是把壓電 層的機(jī)械振動耦合到聲光介質(zhì)中去形成超 聲波。是聲光介質(zhì)，即聲光作用區(qū)，其 厚度是聲波半波長的整

17、倍數(shù)。是反射層， 光束通過聲駐波介質(zhì)的衍射，其 0級衍射光強(qiáng)將獲得二倍于外加電源驅(qū)動頻 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633nm激光進(jìn)行鎖?？刂?。 拉曼一奈斯型0級衍射性能即可達(dá)到上述要求，而且入射光束與 0級衍光束 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；M1、 M2是腔鏡，M1

18、鏡裝在可前后移動的鏡座上，移動的精度可達(dá)10卩m; 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；Di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I = 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。9 b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

19、 M2= 1.51 X 10-15s3/kg，超聲頻率 Q /2 n= 45.77MHz，波長 A = 130.22卩m,特征長度1039mm,本實(shí)驗(yàn)用的聲光器件長度偏長，在正入射時(shí) 仍有多級對稱衍射出現(xiàn)。換能器面積 hl = 4X 38mm2。c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(34)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, = nlAC, ：2 二nabac圖中9 b = arctan(1/n)是介質(zhì)內(nèi)的布儒斯特角。已知9 a+ 9 / b= n /2。由幾何關(guān)系可得.B= 2入和.b二2比，因此不難得到激光腔的實(shí)際幾何長度(35)2、實(shí)驗(yàn)步驟(1) 先在腔鏡Mi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“氦氖多譜線激光器”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