專業(yè)試驗試驗三聲光調制鎖模激光器講義全

1、聲光調制鎖模激光器實驗講義大恒新紀元科技股份有限公司版權所有 不得翻印聲光調制鎖模激光器在激光器中利用鎖模技術可彳#到持續(xù)時間短到皮秒(ps=10 -12S)量級的強短脈沖激光。80年代后期利用碰撞鎖模技術可獲得持續(xù)時間短到飛秒(fs=10-15S)量級的超短脈沖。極強的超短脈沖光源大大促進了非線性光學，時間分辨激光光譜學、等離子體物理等學科的發(fā)展。本實驗的目的：(1)學習和掌握激光鎖模和聲光調制原理。(2)掌握鎖模激光器結構特點及調試方法。(3)觀察腔長變化及調制深度對輸出光脈沖的影響。、鎖模激光器原理本實驗是在He-Ne激光器的腔內插入聲光損耗調制器來實現對633nm 激光鎖模的。He-N

2、e激光介質的增益特性屬非均勻增寬類型，如果激光器的腔長不太短，就會出現多個激光縱模振蕩(本實驗只討論基橫模情況)。相鄰縱模的圓頻率差為q1 q2；,其中c為光速，L為腔長，若激光介質的增益線寬為A coG,則激光器腔內就會有N個縱模存在:在腔內N個縱模的總光場可表示為N 1 TOC o 1-5 h z 2zE z,tEnexp o n t - n ,（3）n NJc2式中。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個縱模初相位n之間沒有固定的關系，彼此是隨機變化的。在比縱模振蕩周期大得多的時間內根據（3）式對光強求平均，并假設各縱模振幅相等即En = Eo可得I T-zJ NE：

3、,（4）激光總強度正比于各縱模強度之和。用掃描干涉儀觀察縱模頻譜，可看到各個縱模強度是隨機漲落的，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系,或者說使所有縱模同步振蕩，在激光腔內各縱模就可以相干疊加了為了簡便,令（3）式的n 0,并有En = Eo,可得E z,t Eoexp isin - N2.1 sin 一2(5)其光強為I z,t. 2 sinEo 一sin1N 22 12(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 光強變成了隨時間和空間變化的光強?，F在分別在固定空間或固定時間上來觀察 光強的變化特點當固

4、定空間位置（令z = o）觀察（6）式隨時間的變化關系有. 2 1sin - N t TOC o 1-5 h z E220. 2 1.sin-t2I（t）為相對光強。（7）式有一下特點:（1 ） N個有相同頻率間隔的同步等幅振蕩，可使激光光強變成隨時間變化的脈沖序列，脈沖的周期T為(8)T 2 2LcT是光脈沖在腔內來回傳播一次所需的時間。 TOC o 1-5 h z （2）在（7）式的分母趨于零時，可得光脈沖的峰值光強 22Imax N2Eo,與（4）式比較，比自由振蕩時的平均光強大了N倍。（3）光脈沖的寬度為，（10）NG ,是脈沖周期T的1/ N,鎖住的縱模個數越多，鎖模脈寬就越窄，把（

5、2）式代入（10 ）式，得(11)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數越多，脈寬 就越窄。圖1給出E0=1 , N=5時，（7）式的計算結果圖1光脈沖序列時間分布當固定時間(令t=0)觀察(6)式的空間變化關系有sin2 N z(12)E2 2L0. 2sin z2L為相對光強，(12)式有以下特點:N個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度為I z gN2E：,(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。鎖住的縱模個數越多，光脈沖的空間寬度

6、就越窄。以上描述的是鎖模激光的特性。問題是如何實現使腔內同時存在的N個縱模有相同的相位，這就要靠鎖模技術。激光鎖模的方法有多種。例如在激光腔內放入可飽和吸收元件。這類元件在腔內運轉過程中不能用人為的方法控制， 故稱為被動鎖模。有的在激光腔內放置調制元件，對光波進行調幅或調相。這類器件的某些參數可以人為地加以控制， 用這類器件實現鎖模的則稱為主動鎖模。主動鎖模又分兩種，一種是調制振幅的 調幅鎖模，簡稱AM。另一種是調制頻率的調頻鎖模，簡稱 FM 0本實驗采用主動鎖模的調幅技術，在激光腔內插入損耗調制器，使激光縱模強度在腔內受到周期性的損耗調制，假設損耗調制的函數形式為(14)為調制頻率，受到損耗

7、調制的第q個縱模振動可表示為Eq tEoq 10 cos t cosqtq1EoqCOS qt q -EoqoCoS q t q(15)2 Eo 0 COS q t從（15 ）式可知，除了頻率為q的振動外還產生了兩個邊頻振動，頻率為q 。當 等于縱模頻率間隔時，邊頻頻率正好與q 1的縱模頻率一致。它們之間產生了耦合，迫使 q1與 同步。同樣，在增益線寬內所有的縱模 q都會受到相鄰縱模產生的邊頻耦合， 迫使所有的縱模都以相同的相位振動， 因此實現了同步振蕩，達到了鎖模的目的。還可以從時域的角度看，因損耗調制的周期與光在腔內往返一次的時間相 同，當調制器損耗為零時通過調制器的光波，在腔內往返一周回

8、到調制器時仍是損耗為零，光波從介質中得到的增益大于腔內的損耗時， 這部分光波就會得到不 斷增強直到飽和穩(wěn)定。當調制器損耗較大時通過的光波每次回到調制器時都收到較大的損耗，若損耗大于往返一次從介質中得到的增益， 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、聲光調制原理1、聲光衍射效應當介質中有超聲波傳播時，超聲波使介質產生彈性應力或應變，因而使介質 的折射率發(fā)生變化，光束通過這種介質就會發(fā)生衍射，使光束產生偏轉、頻移或 強度變化，這種現象稱為聲光效應。各向異性晶體折射率隨晶體內的方向不同而 異，因此聲光效應將隨聲波和光波在晶體中傳播方向不同而異，折射率的變化和應變

9、需用張量表示。對各向同性介質應變引起的折射率變化也是各向同性的，聲光效應不隨聲波和光波的傳播方向不同而改變。本實驗中聲光介質用的是熔石 英，所以這里只討論各向同性的情況。當介質中傳播著圓頻率為。、波長為A、波長為k,方向指向y軸的平面聲 波時，這種彈性波在介質中引起的應變 S可表示為S S0 sin t ky, (16)S0為應變振幅，彈性應變將使介質中的折射率 n發(fā)生變化。相應的折射率變化 可表小為1、2 pS,(17)np為介質的聲光系數。折射率的變化n可寫成(18)sin t ky ,其中,(19)1n3pSo,P為折射率變化的振幅。若在某一時刻觀察，折射率 在空間的周期分布相當于一塊相

10、位光柵，光柵常數等 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-Nath )衍射，另一類叫布拉格(Bragg)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)入，衍射角很小的。當聲波在介質中以行波方式傳播時，介質中折射率變化如(18)式所示,各級衍射光波有以下形式:Jm exp i mt,(21)Jm 為m級貝塞爾函數，是m級衍射光波的相對振幅，己如下式所示：2一l, 0(22)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。為入

11、射光的圓頻率，各級衍射光為單色光，其圓頻率變?yōu)?m Qo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所以。圖4給出零級、一級和二級相對衍射光強隨聲致相移己的分布曲線生七生懸 一光對3A -圖3彈性行波產生衍射的頻移圖4拉曼一奈斯衍射光強與聲致相移的關系當聲波在介質中以駐波方式傳播時，折射率的變化有如下形式n sin t sin ky,(23)各級衍射光波由下式表示Jm sin t exp i t ,(24)Jm sin t為第m級貝塞爾函數，是第 m級衍射光波的振幅，它受到了sin t的調制，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

12、的頻率成分如圖 5所示。3 士S 3 士 G -也土二由*0* -圖5彈性駐波產生的衍射的頻移對0級衍射光束其強度正比于J； sin t。由于J0是偶函數，所以其光強將受到2Q頻率的調制。(2)布拉格衍射當聲光作用區(qū)比較長，滿足121。，且光波的入射角等于衍射角并滿足下列關系式sin B m /2 ,(25)其中m=0, 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。曲為布拉格角，布拉格衍射只有0級和1級，且1級不同時存在, 0級和1級的相對衍射強度分別為2_2_I0 cos /2 , I1 sin /2 ,當己=冗時，理論上1級衍射效率可達100 %。2、駐波型聲光器

13、件衍射光強的調制度駐波型聲光器件的各級衍射光強是受到調制的，我們定義光強的調制度MI max IminI max(26)Imax為調制光中光強的極大值，Imin為光強的極小值，除0級以外各種衍射光強的調制度均為1。拉曼奈斯0級衍射光強的Imax Jo 0, Imin Jq般光電接收器的光電轉換效率是受到頻率限制的，當接收器的響應頻率大大低于調制頻率時，測量的結果通常反映的是光強的平均值II可表小為I Imax Imin / 2,(27)在己不很大的范圍內（&2rad ）, 0級衍射光強的平均值可近似表示為Jo /2,(28)則0級衍射光強的調制度可近似表示為M 21(29)-2_ 20 j0

14、/2 Jo 0,(30)0定義為0級衍射光強的平均衍射效率。圖6給出駐波型拉曼奈斯0級平均衍射效率與聲致位移的關系曲線。聲波的平均能流或聲功率Pa可用下式表示Pa: V3s2hl，(31)圖6駐波型拉曼奈斯零級平均衍射效率與聲致相移的關系式中P為聲光介質密度，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2M 2llPa1/2(32)式中M2n6p2/ V 3稱為聲光優(yōu)值。（32）式建立了聲功率與聲致相移的關圖7零級衍射調制度聲功率的關系圖7給出了零級衍射調制度與聲功率的關系曲線。由圖可知聲功率不大時,調制度與聲功率近似線性關系。聲功率為 0.5W時，調制度約

15、為0.09。在實(33)驗中通過測量0級平均衍射效率可以求得調制度的大小， 再由圖7可以得到 相應的聲功率，從調制器的驅動電源上可讀出電功率的大小，從而可以得到 電聲功率的轉換效率平。Pa/Pe,Pe為加在換能器上的電功率3、聲光調制器在鎖模激光器中駐波型的聲光器件結 構如圖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換成機械波，其厚度為聲波的半波長。是鍵合層，作用是把壓電層的機械振動耦合到聲光介質中去形成超聲波。是聲光介質，即聲光作用區(qū)，其厚度是聲波半波長的整倍數。是反射層，使聲波在聲光介質中形成駐波。光束通過聲駐波介質的衍射，其 0級衍射光強將獲得二倍

16、于外加電源驅動頻率的調制。當此調制頻率正好等于激光縱模頻率時，聲光調制器就能實現損耗調制。對于輸出波長為633nm的He-Ne激光器，具增益系數不大，每米約為10 %左右，若腔內損耗大于增益時，激光將不能產生振蕩。若聲光調制器的衍射損耗能在 0和10 %之間調制變化，就能對633nm 激光進行鎖?？刂啤＠嗡剐?0級衍射性能即可達到上述要求，而且入射光束與0級衍光束方向一致，給實驗調節(jié)帶來很大方便。、實驗裝置及內容1、實驗裝置實驗裝置如圖9所示。Las為He-Ne放電管；M0為布儒斯特窗片；Mi、 M2是腔鏡，Mi鏡裝在可前后移動的鏡座上，移動的精度可達 10 pm； M3是 輔助腔鏡，M3

17、必須用平面鏡；Md是聲光調制器；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；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。聲光調制器數據：圖9實驗裝置簡圖聲光介質材料用熔石英，折射率 n = 1.457 ,聲速V=5960m/s ,長度 l = 17mm。為了減小調制器在腔內的插入損耗， 聲光介質的入射和出射界面 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 程和幾何程的關系。圖10調制器光路圖11激光管窗片光路聲光優(yōu)值M 2= 1.51 X10-15s3/kg,超聲頻率Q/2兀E5.

18、77MHz ,波長A =130.22叩，特征長度1039mm ,本實驗用的聲光器件長度偏長，在正入射時仍有多級對稱衍射出現。換能器面積 hl =4 x 38mm 2。根據調制器的頻率Q,可算出激光腔內所需光程長度L ,(34)2由于激光腔內存在折射率大于1的聲光介質和布儒斯特窗片，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系。窗片的材料為熔石英，折射率 n = 1.457 ,厚度d=2mm。根據圖10和圖 11所示的三角形關系，可分別算出兩個圖的光程和幾何程差A ,1 nl AC, 2 nab ac圖中0B=arctan(1/ n)是介質內的布儒斯特角。已知%+8。= 2。由幾何關 系可得 B 2 b和b 2 b,因此不難得到激光腔的實際幾何長度L L 1 2 2.(35)2、實驗步驟(1)先在腔鏡Mi和M2之間調出633nm ,并使輸出光強達到最大，調 節(jié)方法參看“氮式多譜線激光器”實驗的有關章節(jié)。(2)用M3鏡輸出的激光束調節(jié)聲光調制器的方位， 使光束以布儒斯特角 入射并通過聲光介質的中部。取下M3鏡，使通過調制器的光束透射 在光屏上。(3)在調制器上逐步加上電功率，觀察拉曼奈斯