第七章激光器特性2

速率方程增益飽和激光器工作特性振蕩閾值振蕩模式輸出功率輸出線寬弛豫振蕩選模調(diào)Q/鎖模/放大穩(wěn)頻LD直接調(diào)制/增益開關(guān)DFB諧振腔理論高斯光束頻率技術(shù)輸出頻率第七章激光器特性的控制與改善主要內(nèi)容:1.模式選擇技術(shù)（橫模和縱模）2.穩(wěn)頻技術(shù)3.Q調(diào)制技術(shù)4.鎖模技術(shù)參考文獻(xiàn):<<激光技術(shù)>>,藍(lán)信鉅,科學(xué)出版社7.1模式選擇選模意義：方向性或單色性很好的光束質(zhì)量

基橫模（TEM00）～發(fā)散角小～空間相干性單縱?！珕紊院谩珪r(shí)間相干性橫模選擇縱模選擇方形鏡對(duì)稱共焦腔的行波場(chǎng)－厄米-高斯光束不同橫模的光場(chǎng)強(qiáng)度分布1.橫模選擇橫模選擇原則橫模選擇的物理基礎(chǔ)：不同橫模有不同的衍射損耗

盡量加大高階模和基模之間的衍射損耗差

盡可能減少除衍射損耗外的其它損耗，加大衍射損耗在總損耗中的比例①與腔型和g參數(shù)有關(guān)，不同的腔型和g，衍射損耗不同。②同一種腔型，不同橫模，衍射損耗不同。模最小，隨著模序數(shù)增加，越來(lái)越大。③同一種腔型，菲涅爾數(shù)不同，衍射損耗不同。在不同N，g下，和模的衍射損耗曲線，這是選模的設(shè)計(jì)依據(jù)。影響衍射損耗的因素基模體積和腔型有關(guān)：增大腔鏡的曲率半徑，基模體積增大(R增大大)。影響基模體積的因素在選模中，不但選出單一基模，而且應(yīng)盡可能使選擇的腔型增模體積－輸出功率增大。共焦腔橫模選擇方法

諧振腔設(shè)計(jì)

小孔光闌非穩(wěn)腔微調(diào)諧振腔合理選擇腔型及腔結(jié)構(gòu)參數(shù)，使TEM00和TEM10模之間有足夠的差異圓形平面鏡腔圓形鏡共焦腔小孔光闌選橫模小孔小孔小孔光闌選模聚焦光闌選模聚焦光闌法腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法基本思路：減小諧振腔的菲涅耳數(shù)，增加衍射損耗TEM00模和其它高階模有不同的光斑尺寸特點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單不易獲得大功率輸出非穩(wěn)腔選橫模適用于高增益激光器選橫模非穩(wěn)腔的輸出光束為球面波或平面波

微調(diào)諧振腔高損耗腔，相鄰橫模間衍射損耗差異大，模體積大平凹2.縱模選擇－提高時(shí)間相干性

－在特定躍遷譜線范圍內(nèi)獲得單縱模的方法縱模選擇原則

擴(kuò)大相鄰縱模的增益差或人為引入損耗差在選縱模之前先選橫模-基模在多橫模的腔中，光的頻率很復(fù)雜，各頻率間隔小，在增益線寬中振蕩的頻率多原理：在腔中加入一色散元件，使不同波長(zhǎng)的光發(fā)生分離，其中只有較窄波長(zhǎng)范圍的光振蕩，其他波長(zhǎng)的光偏離腔外。色散腔粗選頻率

2縱模選擇方法色散元件:棱鏡，光柵①棱鏡:光通過(guò)棱鏡時(shí)，不同的光出射角不同，則損耗不同，能夠振蕩的光只有一范圍。角色散率最大偏離角利用炫耀光柵方程：滿足上式的光才能在腔中振蕩(入射光線和反射光線重合)。偏離此式的光損耗大，偏離的多，光不能振蕩。光沿槽法線方向入射，出射光沿此方向。特點(diǎn)：上述兩種色散腔粗選法只能選出具有一定寬度的譜線，不能選出單一的頻率。

②光柵

短腔法－縮短腔長(zhǎng)，增大縱模間隔適用于熒光線寬窄的激光器

單模YAG：例：He-Ne

腔內(nèi)插入

F-P標(biāo)準(zhǔn)具F-P標(biāo)準(zhǔn)具的設(shè)計(jì)考慮L激光工作物質(zhì)插入FP后自由光譜區(qū)透射寬度隔離器激光工作物質(zhì)抑制空間燒孔效應(yīng)

行波環(huán)形腔激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組合所代替，其中M3和M4為全反射鏡，M2是具有適當(dāng)透射率的部分透射部分反射鏡這相當(dāng)于兩個(gè)諧振腔的耦合，一個(gè)是由M1、M3組成，其腔長(zhǎng)為L(zhǎng)1+L2；另一個(gè)由M3、M4組成，其腔長(zhǎng)為L(zhǎng)1+2L2+L3，兩個(gè)諧振腔的縱模頻率間隔分別為：

c/2(L1+L2)和c/2(L1+2L2+L3)只有同時(shí)滿足兩個(gè)諧振條件的光才能形成振蕩，故選擇合適的L2,L3就可以獲得單縱模輸出

組合腔三反射鏡法LD外腔半導(dǎo)體激光器直接測(cè)量：1.直接觀測(cè)(適合連續(xù)激光器)2.照相（適合連續(xù)、脈沖激光器）3.目前廣泛應(yīng)用的采用攝像管或電荷耦合器件（CCD）來(lái)測(cè)量模式并能測(cè)出光斑大小及發(fā)散角的大小。光電掃描法把輸出激光光強(qiáng)的x、y方向上逐點(diǎn)掃描在示波器上顯示出來(lái)，或用函數(shù)記錄儀把光強(qiáng)的分布直接接收下來(lái)劃出曲線，根據(jù)曲線的形狀，判定模式。適用于連續(xù)激光器的橫模測(cè)量。測(cè)量????一、外界因素對(duì)頻率穩(wěn)定性的影響

縱模頻率：頻率穩(wěn)定性：諧振腔幾何長(zhǎng)度變化：溫度、振動(dòng)10-3/oC折射率變化：溫度，D起伏（放電電流、驅(qū)動(dòng)電流等），氣壓、濕度單模氦氖激光器頻率穩(wěn)定性：10-4-10-5Dn=1010Hz

采取恒溫、防震、隔聲、穩(wěn)壓、穩(wěn)流措施：10-7

7.2穩(wěn)頻激光器穩(wěn)定度：指激光器在一次連續(xù)工作

時(shí)間內(nèi)的頻率漂移與振蕩頻率之比復(fù)現(xiàn)性：激光器在不同地點(diǎn)、時(shí)間、

環(huán)境下使用時(shí)頻率的相對(duì)變化量對(duì)共焦腔的TEM00模來(lái)說(shuō)，諧振頻率的公式可以簡(jiǎn)化為：當(dāng)L的變化為L(zhǎng)，的變化為時(shí)，引起的頻率相對(duì)變化為：一般希望穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)度都在10-8以上。目前穩(wěn)定度一般在10-9左右，較高的可達(dá)10-11~10-13；復(fù)現(xiàn)度一般在10-7左右，高的可達(dá)10-10~10-12。頻率穩(wěn)定性二、穩(wěn)頻基本原理：－穩(wěn)定諧振腔光學(xué)長(zhǎng)度選擇標(biāo)準(zhǔn)參考頻率獲取誤差信號(hào)

驅(qū)動(dòng)電子伺服系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)三、穩(wěn)頻方法*蘭姆凹陷

*飽和吸收

塞曼吸收F-P標(biāo)準(zhǔn)具穩(wěn)頻系統(tǒng)光電接收頻率穩(wěn)定性：10-9n>n0

同相

n<n0反相

n=n0

2fn>n0

同相n<n0

反相壓電陶瓷：改變腔長(zhǎng)外表面加正電壓,內(nèi)加負(fù)電壓,伸長(zhǎng)直流:調(diào)節(jié)激光器輸出頻率交流信號(hào):

搜索信號(hào)，判斷+,-正電壓外(+)，內(nèi)(-)負(fù)電壓外(-)，內(nèi)(+)

n>n0

同相

負(fù)電壓輸出壓電陶瓷

腔長(zhǎng)q拉回n0n<n0反相

正向壓電陶瓷

腔長(zhǎng)q拉回n0n=n02f

0電壓壓電陶瓷不變n=n0頻率復(fù)現(xiàn)性差10-7要求蘭姆凹陷對(duì)稱,窄且深

圖不同同位素對(duì)蘭姆凹陷的影響注意事項(xiàng)第一、激光器的激勵(lì)電源是穩(wěn)壓和穩(wěn)流的。第二、氖的不同同位素的原子譜線中心有一定頻差。第三、頻率的穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率大小有關(guān)。飽和吸收穩(wěn)頻－反蘭姆凹陷壓電陶瓷吸收管內(nèi)充氣壓:1~10Pa

多普勒加寬為主低壓氣體吸收峰頻率穩(wěn)定性好b(n1)+P~n1曲線上形成反蘭姆凹陷頻率穩(wěn)定性:10-11~10-12頻率復(fù)現(xiàn)性10-11632.8nm:

碘同位素蒸汽；3.39mm:甲烷；1530.3718nm：乙炔穩(wěn)頻系統(tǒng)光電接收半導(dǎo)體激光器F-P無(wú)源腔穩(wěn)頻F-P標(biāo)準(zhǔn)具穩(wěn)頻短脈沖技術(shù)

調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)是應(yīng)人們對(duì)高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應(yīng)用需求而發(fā)展起來(lái)的。兩種方式機(jī)理不同，壓縮的程度也不同。調(diào)Q技術(shù)可將激光脈寬壓縮至納秒量級(jí)（峰值功率達(dá)106W以上）。鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮至皮秒或飛秒量級(jí)（峰值功率可達(dá)到1012W)7.3調(diào)Q技術(shù)7.3.1調(diào)Q的基本理論一.脈沖固體激光器的輸出的馳豫振蕩將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進(jìn)行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其波形并非一個(gè)平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機(jī)變化的尖峰脈沖組成的。如圖(a)所示。每個(gè)尖峰的寬度約為0.1～1μs，間隔為數(shù)微秒，脈沖序列的長(zhǎng)度大致與閃光燈泵浦持續(xù)時(shí)間相等。圖(b)所示為觀察到的紅寶石激光器輸出的尖峰。這種現(xiàn)象稱為激光器弛豫振蕩。

E1E2泵浦使激光器達(dá)到閾值，產(chǎn)生激光反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少至低于閾值激光熄滅特點(diǎn)(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的個(gè)數(shù)，不能增加峰值功率(1)峰值功率不高，只在閾值附近原因:激光器的閾值始終保持不變二、諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q儲(chǔ)存在腔內(nèi)的總能量（E）單位時(shí)間內(nèi)損耗的能量（P）諧振腔的損耗越小，Q值越高定義：Q的普遍定義

泵浦時(shí)令腔損耗很大(Q很小),突然減小損耗(增大Q),使積蓄的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時(shí)間內(nèi)完成受激輻射,形成光脈沖。

改變激光器的閾值是提高激光上能級(jí)粒子數(shù)積累的有效方法。從“激光原理”得知，激光器振蕩的閾值條件可表示為三、調(diào)Ｑ的基本原理

(1)要求工作物質(zhì)必須能在強(qiáng)泵浦下工作；其次，要求工作物質(zhì)必須有較長(zhǎng)的壽命,若激光工作物質(zhì)的上能級(jí)壽命為τ2，則上能級(jí)上的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n2因自發(fā)輻射而減少的速度為n2/τ

2，這樣，當(dāng)泵浦速率（要大）為Wp時(shí)，在達(dá)到平衡情況下，應(yīng)滿足：則上能級(jí)達(dá)到最大反轉(zhuǎn)粒子數(shù)取決于

n2=Wpτ2實(shí)現(xiàn)調(diào)Q對(duì)激光器的基本要求(3)諧振腔的Q值改變要快（最好是突變），一般應(yīng)與諧振腔建立激光振蕩的時(shí)間相比擬。(2)光泵的泵浦速度必須快于激光上能級(jí)的自發(fā)輻射速率。四、調(diào)Q激光器的兩種儲(chǔ)能方式調(diào)Q激光器工作物質(zhì)儲(chǔ)能諧振腔儲(chǔ)能1.工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q脈沖反射式調(diào)Q。將能量以激活離子的形式儲(chǔ)存在工作物質(zhì)中。能量?jī)?chǔ)存的時(shí)間，取決激光上能級(jí)的壽命。1.工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q（1）工作過(guò)程調(diào)Q激光脈沖的建立過(guò)程，各參量隨時(shí)間的變化情況，如圖所示。圖(a)表示泵浦速率Wp隨時(shí)間的變化；圖(b)表示腔的Q值是時(shí)間的階躍函數(shù)(虛線)；圖(c)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)△n的變化；圖(d)表示腔內(nèi)光子數(shù)Φ隨時(shí)間的變化。Q時(shí)間光子數(shù)密度粒子反轉(zhuǎn)數(shù)諧振腔損耗泵浦速率在泵浦過(guò)程,諧振腔處于低Q值(Qo)狀態(tài)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷累，直至t0時(shí)刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值△ni，Q值突然升高(損耗下降)，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于此△ni>>△nt(閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù))，因此受激輻射增強(qiáng)非常迅速，激光介質(zhì)存儲(chǔ)的能量在極短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱?chǎng)的能量，結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)峰值功率很高的窄脈沖。Q時(shí)間光子數(shù)密度粒子反轉(zhuǎn)數(shù)諧振腔損耗泵浦速率t0調(diào)Q脈沖的建立有個(gè)過(guò)程，當(dāng)Q值階躍上升時(shí)開始振蕩，在t=t0振蕩開始建立過(guò)程中，光子數(shù)Φ增長(zhǎng)十分緩慢，其值始終很小，受激輻射幾率很小。tfΦiΦD從開始振蕩到脈沖形成的過(guò)程只有振蕩持續(xù)到t＝tD時(shí)，增長(zhǎng)到了ΦD，雪崩過(guò)程才形成，Φ才迅速增大，受激輻射才迅速超過(guò)自發(fā)輻射而占優(yōu)勢(shì)。因此，調(diào)Q脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時(shí)間△t(也就是Q開關(guān)開啟的持續(xù)時(shí)間)。到t=tp時(shí)刻，△ni=

△nt，光子數(shù)達(dá)到最大值Φm之后，可見，調(diào)Q脈沖的峰值是發(fā)生在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)(△ni=

△nt)的時(shí)刻。ΦiΦD（2）工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q的特點(diǎn)巨脈沖的寬度一般為10~20ns；輸出方式為邊形成激光振蕩邊輸出，輸出光脈沖的形狀與腔內(nèi)光強(qiáng)的變化狀態(tài)一致；激光振蕩終止時(shí)，工作物質(zhì)的能量沒(méi)有被全部取出。2.諧振腔儲(chǔ)能調(diào)Q脈沖透射式調(diào)Q.將能量以光子的形式儲(chǔ)存在諧振腔中，當(dāng)腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到最大值時(shí)，瞬間將腔內(nèi)能量全部輸出，因而也稱為腔倒空法。(1)工作過(guò)程諧振腔儲(chǔ)能調(diào)QV=0：損耗大，Q值低，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)得到積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)最大Q值突增，激光振蕩迅速建立，當(dāng)工作物質(zhì)儲(chǔ)能全部轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)光子能量時(shí)，撤去晶體上電壓，則腔內(nèi)存儲(chǔ)的最大光能量瞬間透過(guò)P2。（2）諧振腔儲(chǔ)能調(diào)Q的特點(diǎn)當(dāng)工作物質(zhì)的儲(chǔ)能全部轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)能量時(shí)，瞬間將腔倒空；巨脈沖寬度更窄，峰值功率更高；調(diào)Q脈沖的能量利用率更高。綜上所述，諧振腔的Q值與損耗δ成反比，如果按照一定的規(guī)律改變諧振腔的δ值，就可以使Q值發(fā)生相應(yīng)的變化。諧振腔的損耗一般包括有：反射損耗、衍射損耗、吸收損耗等。那么，我們用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可以形成不同的調(diào)Q技術(shù)。有機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q技術(shù)，聲光調(diào)Q技術(shù)，染料調(diào)Q技術(shù)等。調(diào)Q技術(shù)就是通過(guò)某種方法使腔的Q值隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)。或者說(shuō)使腔的損耗隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)。E1E2

調(diào)Q脈沖的形成過(guò)程以及各種參量對(duì)激光脈沖的影響，可以采用速率方程來(lái)進(jìn)行分析，它是描述腔內(nèi)振蕩光子數(shù)和工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律的方程組。根據(jù)這些規(guī)律，又可推導(dǎo)出調(diào)Q脈沖的峰值功率、脈沖寬度等和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系。7.3.2調(diào)Q激光器的速率方程三方面簡(jiǎn)化：（1）Q開關(guān)函數(shù)是理想的階躍函數(shù)（2）能級(jí)結(jié)構(gòu)為二能級(jí)系統(tǒng)，Q開關(guān)打開前，忽略自發(fā)輻射，打開后光泵停止。（3）只研究Q值階躍后的脈沖形成過(guò)程。一、速率方程工作物質(zhì)的受激輻射過(guò)程中，腔內(nèi)光子數(shù)密度隨距離的增長(zhǎng)率為腔內(nèi)光子數(shù)密度隨時(shí)間的增長(zhǎng)率為若δ為Q值階躍后的單程損耗率，t1為光在腔內(nèi)傳播一個(gè)單程所需要的時(shí)間（t1=nL/c)，則腔內(nèi)光子數(shù)密度φ隨時(shí)間的衰減率為于是腔內(nèi)光子數(shù)密度的總變化率為兩側(cè)同乘諧振腔的體積V，則得腔內(nèi)總光子數(shù)Φ的變化率在增益等于損耗的閾值條件下得閾值增益系數(shù)因增益正比于工作物質(zhì)上、下能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)N設(shè)在dτ時(shí)間內(nèi)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)N的變化量dN，考慮到由于受激躍遷而產(chǎn)生的光子數(shù)變化率應(yīng)為；此外，對(duì)于簡(jiǎn)化的二能級(jí)系統(tǒng)，每產(chǎn)生一個(gè)光子，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)N相應(yīng)的減少兩個(gè)，故有上兩式為調(diào)Q脈沖激光器的速率方程二、速率方程的解1.腔內(nèi)光子數(shù)上兩式相除，得積分，得式中，為腔內(nèi)初始光子數(shù)，為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，當(dāng)時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到其最大值在附近做級(jí)數(shù)展開，可得2.峰值功率當(dāng)腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，輸出的巨脈沖功率也達(dá)到其最大值，即為輸出鏡單位時(shí)間內(nèi)光能量的衰減率。設(shè)輸出鏡透過(guò)率為T,腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，光在腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度為v,可得3.輸出能量E4.單脈沖能量利用率定義為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Ni和剩余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Nf之差與Ni的比值其意義為一個(gè)調(diào)Q脈沖可以從工作物質(zhì)的儲(chǔ)能中提取多大比率的能量。設(shè)脈沖終止時(shí)工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為Nf，此時(shí)為提高調(diào)Q器件單脈沖的能量利用率，器件應(yīng)該有大的Ni和低的Nf。要達(dá)到Ni/Nf>3以上，這樣才能保證器件有較高的工作效率。Ni

/Nt下面再討論一下調(diào)Q脈沖的脈寬和波形問(wèn)題5．調(diào)Q脈沖的時(shí)間特性積分上式可用數(shù)值積分的方法求出t的數(shù)值解脈沖寬度定義為半功率點(diǎn)的寬度利用某些晶體的電光效應(yīng)可以做成電光Q開關(guān)器件。電光調(diào)Q具有開關(guān)時(shí)間短，效率高，調(diào)Q時(shí)刻可以精確控制，輸出脈沖寬度窄（10~20ns)，峰值功率高(幾十兆瓦以上）等優(yōu)點(diǎn)。7.3.3電光調(diào)Q下圖所示是電光晶體調(diào)Q裝置的工作原理圖。激光工作物質(zhì)是Nd:YAG晶體，偏振器采用方解石空氣隙格蘭—付克棱鏡，調(diào)制晶體用KD*P(磷酸二氘鉀)晶體，它是z-00切割的(使通光面與z軸垂直)，利用其γ63的縱向電光效應(yīng)。將調(diào)制晶體兩端的環(huán)狀電極與調(diào)Q電源相接。一、帶偏振器的Pockels電光調(diào)Q器件1.激光器的結(jié)構(gòu)全反鏡

電光晶體偏振片

聚光腔輸出鏡鍍?nèi)慈玖虾休敵鲧R調(diào)Ｑ模塊染料調(diào)Ｑ激光器聚光腔電光調(diào)Ｑ激光器如果在調(diào)制晶體上施加λ／4電壓，由于縱向電光效應(yīng)，當(dāng)沿x方向的線偏振光通過(guò)晶體后，兩分量之間便產(chǎn)生π／2的相位差，則從晶體出射后合成為相當(dāng)于圓偏振光；經(jīng)全反射鏡反射回來(lái)，再次通過(guò)調(diào)制晶體，又會(huì)產(chǎn)生π／2的相位差，往返一次總共累積產(chǎn)生π相位差，合成后得到沿y方向振動(dòng)的線偏振光，相當(dāng)于偏振面相對(duì)于入射光旋轉(zhuǎn)了900，顯然，這種偏振光不能再通過(guò)偏振棱鏡，此時(shí)，電光Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)。因此，如果在氙燈剛開始點(diǎn)燃時(shí)，事先在調(diào)制晶體上加上λ／4電壓，使諧振腔處于“關(guān)閉”的低Q值狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。2.工作原理待激光上能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)積累到最大值時(shí)，突然撤去晶體上的λ／4電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)，產(chǎn)生雪崩式的激光振蕩，就可輸出一個(gè)巨脈沖。由電光調(diào)Q基本原理可知，要獲得高效率調(diào)Q的關(guān)鍵之一是精確控制Q開關(guān)“打開”的延遲時(shí)間。被動(dòng)式Q開關(guān)，即利用某些可飽和吸收體本身特性，能自動(dòng)地改變Q值的一種方法。一、可飽和吸收染料的調(diào)Q原理某些有機(jī)染料是一種非線性吸收介質(zhì)，即其吸收系數(shù)并不是常數(shù)，當(dāng)在較強(qiáng)激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減小直至飽和，對(duì)光呈現(xiàn)透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數(shù)：7.3.4被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q式中，α0為光強(qiáng)很小(I→0)時(shí)的吸收系數(shù)；Is為染料的飽和吸收光強(qiáng)，其大小與染料的種類和濃度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，染料的濃度增加，Is值也增加；I為入射光強(qiáng)。由上式可以看出，當(dāng)I>>Is時(shí)，吸收系數(shù)趨于零，染料對(duì)通過(guò)的光束于是變?yōu)橥该?圖示出了染料透過(guò)率與光功率密度的關(guān)系，透射率=1-吸收率）

染料透過(guò)率與光功率密度的關(guān)系那么，將具有這種性能的染料(溶液或固態(tài)片)置于諧振腔內(nèi)時(shí)（見下圖),開始泵浦腔內(nèi)光弱吸收系數(shù)大Q值低不能形成激光繼續(xù)泵浦腔內(nèi)光變強(qiáng)吸收系數(shù)變小光達(dá)到一定值時(shí)，吸收系數(shù)飽和燃料被漂白Q值突增，形成激光脈沖泵浦結(jié)束激光介質(zhì)染料盒

激光全反鏡輸出鏡氙燈聲光Q開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)，由聲光介質(zhì)、電-聲換能器、吸聲材料和驅(qū)動(dòng)電源組成。其裝置示意圖如下圖所示。7.3.5聲光調(diào)Q激光介質(zhì)聲光器件全反鏡輸出鏡激光介質(zhì)聲光器件激光全反鏡輸出鏡1、Q開關(guān)開啟2、Q開關(guān)關(guān)閉聲光介質(zhì)主要采用熔融石英、玻璃、鉬酸鉛等。換能器常采用石英、鈮酸鋰等晶體制成。吸聲材料常用鉛橡膠或玻璃棉等。把聲光Q開關(guān)器件插入諧振腔內(nèi)，當(dāng)聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)加在聲光調(diào)Q器件的換能器上時(shí)，在聲光介質(zhì)中，使折射率發(fā)生變化，形成等效的“相位光柵”，當(dāng)光束通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，便產(chǎn)生布拉格衍射。衍射光相對(duì)于0級(jí)光有2θ角的偏離(如當(dāng)超聲頻率在20～50MHz范圍時(shí)，石英對(duì)1.06μm的光波的衍射角為0.30

～0.50)，這一角度完全可以使光波偏離出腔外，使諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài)，不能產(chǎn)生振蕩，或者說(shuō)Q開關(guān)將激光“關(guān)斷”。當(dāng)高頻信號(hào)的作用突然停止，則聲光介質(zhì)中的超聲場(chǎng)消失，于是諧振腔又突變?yōu)楦逹值狀態(tài)，相當(dāng)于Q開關(guān)“打開”。Q值交替變化一次，就使激光器輸出一個(gè)調(diào)Q脈沖。7.3.6轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q簡(jiǎn)介轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q就是利用改變反射鏡的平行度反射損耗來(lái)控制Q值的方法。激光介質(zhì)

激光半反鏡架棱鏡磁頭磁鋼電源光泵電動(dòng)機(jī)觸發(fā)電路如圖所示的是轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q激光器的示意圖。

調(diào)Q激光器的工作方式是多種多樣的，且都具有各自的特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用中可以選用，現(xiàn)歸納如下：(1)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q其開關(guān)時(shí)間與脈沖時(shí)間近似相等，故屬于慢開關(guān)類型。由于這種Q開關(guān)無(wú)插入損耗，也不存在光損傷的問(wèn)題，所以可用于能量較大的脈沖激光器中。其主要缺點(diǎn)是在高轉(zhuǎn)速下的機(jī)械磨損會(huì)影響使用壽命，且裝配工藝要求較高。目前這種Q開關(guān)已基本上不采用。(2)電光晶體調(diào)Q其開關(guān)時(shí)間主要取決于電路的高壓脈沖上升和退壓時(shí)間，一般都能做到小于脈沖建立時(shí)間，故屬于快開關(guān)類型。它能產(chǎn)生窄脈沖，且同步性能好，使用壽命長(zhǎng)，輸出巨脈沖穩(wěn)定?？色@得峰值功率為幾十兆瓦以上、脈寬為十幾納秒的巨脈沖，故是目前應(yīng)用最廣泛的一種Q開關(guān)，其主要缺點(diǎn)是半波電壓較高，需要幾千伏的高壓脈沖，對(duì)其他電子線路易造成干擾。(3)聲光調(diào)Q其開關(guān)時(shí)間小于脈沖建立時(shí)間，屬于快開關(guān)類型。開關(guān)的調(diào)制電壓只需一百多伏，易與連續(xù)激光器配合調(diào)Q，可獲得kHz高重復(fù)頻率的巨脈沖，且脈沖的重復(fù)性好，可獲得峰值功率為幾百千瓦，脈寬約為幾十納秒的巨脈沖。但由于它對(duì)高能量激光器的開關(guān)能力較差，所以，只能用于低增益的連續(xù)激光器上。(4)可飽和吸收體調(diào)Q這是一種被動(dòng)式的快開關(guān)類型，這種Q開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，沒(méi)有電的干擾，可獲得峰值功率為幾兆瓦、脈寬為十幾納秒的巨脈沖。其主要缺點(diǎn)是，由于它是一種被動(dòng)式Q開關(guān)，產(chǎn)生調(diào)Q脈沖的時(shí)刻有一定的隨機(jī)性，不能人為地控制。另外，染料易變質(zhì)，需經(jīng)常更換，輸出不穩(wěn)定。7.4鎖模技術(shù)

超短脈沖（納秒以下的光脈沖ps-fs

）激光器的模式分為縱模和橫模。鎖模也分為鎖縱模、鎖橫模、鎖縱橫模三種。本節(jié)介紹縱模鎖定。鎖模ModeLocking的基本理論一、多模激光器的輸出特性未經(jīng)鎖摸的多縱模自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出特性。腔長(zhǎng)為L(zhǎng)的激光器，其縱模的頻率間隔為如圖所示。這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時(shí)間的變化是它們無(wú)規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時(shí)間平均的統(tǒng)計(jì)值。假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有2N+1個(gè)縱模，那么激光器輸出的光波電場(chǎng)是N個(gè)縱模電場(chǎng)的和，即式中，q＝0，1，2，…，

N是激光器內(nèi)(2N+1)個(gè)振蕩模中第q個(gè)縱模的序數(shù)；Eq是縱模序數(shù)為q的場(chǎng)強(qiáng);ωq及φq是縱模序數(shù)為q的模的角頻率及相位。三大特點(diǎn)：1.各縱模初相位彼此無(wú)確定關(guān)系，完全獨(dú)立、隨機(jī)的。2.頻譜。由于存在頻率牽引和推斥作用，各相鄰縱模之間頻率間隔并不嚴(yán)格相等。各縱模不相干。3.輸出光強(qiáng)。輸出光強(qiáng)由于各縱模之間非相干疊加而呈現(xiàn)隨機(jī)的無(wú)規(guī)則起伏。若振幅相同二、鎖模的基本原理1.鎖模的概念使各縱模在時(shí)間上同步，頻率間隔也保持一定，則激光器將輸出脈寬極窄、峰值功率很高的超短脈沖。2.鎖模脈沖的特征先看三個(gè)不同頻率光波的疊加：Ei=E0cos(2πνi

t+

i)i=1,2,3設(shè)三個(gè)振動(dòng)頻率分別為ν1、

ν2、

ν3

的三個(gè)光波沿同一方向傳播，且有關(guān)系式：ν3=3ν1，ν2=2ν1,E1=E2=E3=E0

輸出的光強(qiáng)只在平均光強(qiáng)3E02/2級(jí)基礎(chǔ)上有一個(gè)小的起伏擾動(dòng)。3E02/2但若設(shè)法使

1=

2=

3=0時(shí)，有

E1=E0cos(2πν1t)E2=E0cos(4πν1t)E3=E0cos(6πν1t)當(dāng)t=0時(shí),E=3E0,E2=9E02;t=1/(3ν1)時(shí),E

=0;

當(dāng)各光波振幅同時(shí)達(dá)到最大值處時(shí)，由于“建設(shè)性”的干涉作用，就周期性地出現(xiàn)了極大值（I=E2=9E02）。當(dāng)然,對(duì)于諧振腔內(nèi)存在多個(gè)縱模的情況，同樣有類似的結(jié)果。3E02/2激光器各模的相位己按照q+1-q=常數(shù)的關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應(yīng)的技術(shù)稱為“鎖模技術(shù)”。要獲得窄脈寬、高峰值功率的光脈沖，只有采用鎖模的方法，就是使各縱模相鄰頻率間隔相等并固定為，并且相鄰位相差為常量。這一點(diǎn)在單橫模的激光器中是能夠?qū)崿F(xiàn)的。ω-5ω-1ω0ω1ω5ω

N=5,2N+1=11式中，q為腔內(nèi)振蕩縱模的序數(shù)。設(shè)多模激光器的所有振蕩模均具有相等的振幅E0，超過(guò)閾值的縱模共有2N十1個(gè)，處在介質(zhì)增益曲線中心的模，其角頻率為ω0，初相位為0，其模序數(shù)q=0，即以中心模作為參考，各相鄰模的相位差為α，模頻率間隔為Δω，假定第q個(gè)振蕩模為激光器輸出總光場(chǎng)是2N+1個(gè)縱模相干的結(jié)果：(a）2N+1個(gè)模式經(jīng)過(guò)鎖定以后，總的光波場(chǎng)變?yōu)轭l率為 的單色調(diào)幅波，振幅A(t)－即總光波場(chǎng)受到振幅調(diào)制。(b)光強(qiáng) 是時(shí)間的函數(shù)。(c)光波電場(chǎng)調(diào)幅波按傅立葉分析是由2N+1個(gè)縱模頻率 組成，因此光波的脈沖包括2N+1個(gè)縱模的光波。由上面分析可知，只要知道振幅A(t)的變化情況，即可了解輸出激光的持性。假定α=0上式分子、分母均為周期函數(shù)，因此A(t)也是周期函數(shù)。只要得到它的周期、零點(diǎn)，即可以得到A(t)的變化規(guī)律?？汕蟪鯝(t)的周期為在t=0和t=2L/c時(shí)，A(t)取得極大值，因A(t)分子、分母同時(shí)為零，利用羅彼塔法則可求得此時(shí)振幅（2N+1)E0。令分母→等；因?yàn)椤鳓?2△υ=c/L,所以，，在一個(gè)周期內(nèi)2N個(gè)零值點(diǎn)及2N+1個(gè)極值點(diǎn)。頻率間隔△υ=c/2L倒數(shù)(2)每個(gè)脈沖的寬度可見增益線寬愈寬，愈可能得到窄的鎖模脈寬.0，t1

由于光強(qiáng)正比于A2(t)，所以在t=0和t=2L/c時(shí)的極大值，稱為主脈沖。在兩個(gè)相鄰主脈沖之間，共有2N個(gè)零點(diǎn)，并有2N-1個(gè)次極大值，稱為次脈沖。所以鎖模振蕩也可以理解為只有一個(gè)光脈沖在腔內(nèi)來(lái)回傳播。(1)激光器的輸出是間隔為τ=2L/c的規(guī)則脈沖序列。通過(guò)分析可知以下性質(zhì)：(4)多模(ω0+q△ωq)激光器相位鎖定的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了q+1-

q=常數(shù)，導(dǎo)致輸出一個(gè)峰值功率高，脈沖寬度窄的序列沖。(3)輸出脈沖的峰值功率正比于，因此，由于鎖模，峰值功率增大了2N+1倍。q=-N注意：1.主動(dòng)鎖模：主動(dòng)鎖模采用的是周期性調(diào)制諧振腔參量的方法。7.4.2實(shí)現(xiàn)鎖模的鎖模的主要方法2.被動(dòng)鎖模：腔內(nèi)插入飽和吸收體。3.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(gè)振蕩縱模頻率的等間隔分布，并有確定的初相位關(guān)系，不需要在諧振腔內(nèi)插入任何調(diào)制元件，就可以實(shí)現(xiàn)縱模鎖定的方法。主動(dòng)鎖模是在激光腔內(nèi)插入一個(gè)調(diào)制器，調(diào)制器的調(diào)制頻率應(yīng)精確地等于縱模間隔，這樣可以得到重復(fù)頻率為f＝c/2L的鎖模脈沖序列。根據(jù)調(diào)制的原理，可分為相位調(diào)制(PM)(或頻率調(diào)制FM)鎖模及振幅調(diào)制(AM或稱為損耗調(diào)制)鎖模。7.4.3主動(dòng)鎖模原理與器件利用聲光或電光調(diào)制器均可實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模。設(shè)在某時(shí)刻t1通過(guò)調(diào)制器光信號(hào)受到的損耗為α(t1)，則在脈沖往返一周時(shí)，這個(gè)光信號(hào)將受到同樣的損耗如α(t1)≠0，則這部分信號(hào)就會(huì)消失。而在損耗α(t1)＝0時(shí)刻通過(guò)調(diào)制器的光，那么將形成脈寬很窄，周期為2L/c的脈沖序列輸出。一、振幅調(diào)制鎖模（AM)式中，Am，分別為調(diào)制信號(hào)的振幅和角頻率。設(shè)調(diào)制信號(hào)b(t)b(t)假定調(diào)制前腔內(nèi)的光場(chǎng)為:調(diào)制器的損耗調(diào)制信號(hào)透過(guò)率圖所示為時(shí)域內(nèi)損耗調(diào)制鎖模原理波形圖。圖(a)為調(diào)制信號(hào)的波形；圖(b)為腔內(nèi)損耗的波形，其頻率為調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍；圖(c)為調(diào)制器透過(guò)率波形；圖(d)為腔內(nèi)未調(diào)制的光波電場(chǎng)；圖(e)為腔內(nèi)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的光波電場(chǎng)；圖(f)為鎖模激光器輸出的光脈沖。上式說(shuō)明：一個(gè)頻率為ωc的光波，經(jīng)過(guò)外加頻率為（1/2）ωm的調(diào)制信號(hào)調(diào)制后，其頻譜包括了三個(gè)頻率，即ωc

，上邊頻(ωc+ωm)，下邊頻(ωc–ωm)，而且這三個(gè)頻率的光波的相位均相同。由此可見，損耗是以頻率fm=ωm/2π＝△υq（頻率間隔）變化的，因此，第q個(gè)振蕩模里會(huì)出現(xiàn)其他模的振蕩。損耗調(diào)制的結(jié)果把各個(gè)縱模聯(lián)系起來(lái)了，其鎖模過(guò)程如下：

從頻率域討論鎖模原理?，F(xiàn)將展開得：由調(diào)制激發(fā)的邊頻實(shí)際上是與υ0相鄰的兩個(gè)縱模頻率，這樣使得與它相鄰的兩個(gè)縱模開始振蕩，它們具有確定的振幅和與υ0相同的相位關(guān)系。假設(shè)處于增益曲線中心的縱模頻率為υ0，由于它的增益最大，首先開始振蕩，電場(chǎng)表達(dá)式為當(dāng)該光波通過(guò)腔內(nèi)的調(diào)制器時(shí)，受到損耗調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生了兩個(gè)邊頻分量υ0±υm。當(dāng)損耗變化的頻率υm和腔內(nèi)縱模的頻率間隔相等時(shí)，

E(t)=E0cosω0t相位調(diào)制是在激光腔內(nèi)插入一個(gè)電光調(diào)制器。當(dāng)調(diào)制器介質(zhì)折射率按外加調(diào)制信號(hào)而周期性改變時(shí)，光波在不同的時(shí)刻通過(guò)介質(zhì)，便有不同的相位延遲，這就是相位調(diào)制的原理。二、相位調(diào)制鎖模相位調(diào)制器的作用可理解為一種頻移，使光波的頻率發(fā)生向大(或小)的方向移動(dòng)。只有那些與相位變化的極值點(diǎn)(極大或極小