yz第七章-激光器特性的控制與改善解析

第七章激光器特性的掌握與改善7.1模式選擇7.2頻率穩(wěn)定7.3Q調(diào)制7.4注入鎖定7.5鎖模模式選擇、穩(wěn)頻及注入鎖定技術(shù)：改善激光器輸出光的時(shí)間相性或空間相干性。Q調(diào)制、鎖模、增益開關(guān)及腔倒空技術(shù)：獲得窄脈沖頂峰值功率的激光束。本章介紹以上掌握與改善激光器特性的各種技術(shù)的原理及其理論。17.1模式選擇7.1模式選擇一、橫模選擇諧振腔中不同橫模具有不同的損耗是橫模選擇的物理根底。激光器以TEM00模單模運(yùn)轉(zhuǎn)的充分條件是:

TEM00模的單程增益至少應(yīng)能補(bǔ)償它在腔內(nèi)的單程損耗，即應(yīng)有：而損耗高于基模的相鄰橫模(如TEM10模)，卻應(yīng)同時(shí)滿足在各個(gè)橫模的增益大體一樣的條件下，不同橫模間衍射損耗的差異就是進(jìn)展橫模選擇的依據(jù)。因此，必需盡量增大高階橫模與基模的衍射損耗比，δ10/δ00越大，則橫模鑒別力越高。同時(shí)還應(yīng)使衍射損耗在總損耗中占有足夠的比例。27.1模式選擇衍射損耗的大小及模鑒別力的凹凸與諧振腔的腔型和菲涅耳數(shù)有關(guān)。如圖和圖橫模選擇的幾種具體方法：1.小孔光闌選模：實(shí)質(zhì)是使光斑尺寸較小的基模無(wú)阻擋地通過(guò)小孔光闌，而光斑尺寸較大的高階橫模卻受到阻攔而患病較大的損耗。常承受聚焦光闌法。37.1模式選擇2.諧振腔參數(shù)g、N選擇法：適中選擇諧振腔的類型和腔參數(shù)g、N值，使諧振腔的衍射損耗滿足式(7.1.1)與式(7.1.2)，可使激光器輸出基橫模激光束。3.非穩(wěn)腔選模：非穩(wěn)腔是高損耗腔，不同橫模的損耗有很大差異，利用非穩(wěn)腔在高增益激光器中選擇橫模的方法被廣泛承受。4.微調(diào)諧振腔：對(duì)于平面腔，當(dāng)腔鏡傾斜時(shí)基模損耗增加最顯著，腔的偏調(diào)有利于高階模的優(yōu)先振蕩。對(duì)于穩(wěn)定腔，由于基模體積最小而高階模的體積較大，當(dāng)腔鏡發(fā)生傾斜時(shí)，高階橫模損耗顯著增大，基模受到的影響較小，因而仍可連續(xù)維持振蕩。這樣，適當(dāng)將腔鏡傾斜就可以抑制高階橫。47.1模式選擇二、縱模選擇諧振腔中不同縱模有著一樣的損耗，但由于頻率的差異而具有不同的小信號(hào)增益系數(shù)。擴(kuò)大和充分利用相鄰縱模間的增益差，或人為引人損耗差是進(jìn)展縱模選擇的有效途徑。具體方法如下:1.短腔法式中為由g0(ν)>δ/l條件打算的振蕩帶寬。這一方法適用熒光譜線較窄的激光?？s短諧振腔長(zhǎng)度，可增大相鄰縱模間隔，以致在熒光譜線有效寬度內(nèi)，只存在一個(gè)縱模，從而實(shí)現(xiàn)單縱模振蕩。57.1

模式選擇2.行波腔法駐波腔中空間燒孔的存在，當(dāng)鼓勵(lì)足夠強(qiáng)時(shí)，激光器消失多縱模振蕩。假設(shè)承受環(huán)行腔，并在腔內(nèi)插入一個(gè)只允許光單向通過(guò)的隔離器，如下圖，則可形成無(wú)空間燒孔的行波腔，從而實(shí)現(xiàn)單縱模振蕩。3.選擇性損耗法〔圖〕假設(shè)在腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具或構(gòu)成組合腔，則由于多光束干預(yù)效應(yīng)，諧振腔具有與頻率有關(guān)的選擇性損耗，損耗小的縱模形成振蕩，損耗大的縱模則被抑制。67.1模式選擇77.2

頻率穩(wěn)定7.2頻率穩(wěn)定當(dāng)諧振腔內(nèi)折射率均勻時(shí)，單縱模單橫模激光器的縱模頻率νq為：頻率νq在肯定的范圍內(nèi)漂移：定義:頻率穩(wěn)定度

來(lái)描述激光器的頻率穩(wěn)定特性，它表示在某一測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)頻率的漂移量|Δν|與頻率的平均值之比。為了改善頻率穩(wěn)定性通常承受電子伺服掌握激光頻率，當(dāng)激光頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)頻率時(shí)，鑒頻器給出誤差信號(hào)掌握腔長(zhǎng)，使激光頻率自動(dòng)回到標(biāo)準(zhǔn)頻率上。本節(jié)將介紹蘭姆凹陷穩(wěn)頻、塞曼穩(wěn)頻、飽和吸取穩(wěn)頻及無(wú)源腔穩(wěn)頻等四種穩(wěn)頻方法的原理。87.2

頻率穩(wěn)定頻率穩(wěn)定特性包含：頻率穩(wěn)定性及頻率復(fù)現(xiàn)性頻率穩(wěn)定性描述激光頻率在參考標(biāo)準(zhǔn)頻率vs四周的漂移；頻率復(fù)現(xiàn)性指參考標(biāo)準(zhǔn)頻率vs本身的變化。一、蘭姆凹陷穩(wěn)頻蘭姆凹陷法以增益曲線中心頻率ν。為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，電子伺服系統(tǒng)通過(guò)壓電陶瓷掌握激光器的腔長(zhǎng)，使頻率穩(wěn)定于ν0。97.2

頻率穩(wěn)定蘭姆凹陷法穩(wěn)頻可獲優(yōu)于10-9頻率穩(wěn)定性，由于譜線中心頻率ν。隨激光器放電條件而轉(zhuǎn)變，頻率復(fù)現(xiàn)性僅達(dá)10-7~10-8。，這種激光器的輸出激光的光強(qiáng)和頻率均有微小的音頻調(diào)制。107.2

頻率穩(wěn)定二、賽曼穩(wěn)頻利用塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻的方法可分為縱向塞曼穩(wěn)頻(外磁場(chǎng)方向與激光管軸線平行)、橫向塞曼穩(wěn)頻及塞曼吸取穩(wěn)頻(利用腔內(nèi)吸取介質(zhì)的塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻)等三種。117.2

頻率穩(wěn)定加磁場(chǎng)后，光譜線發(fā)生塞曼分裂，沿著磁場(chǎng)方向觀看時(shí)，譜線分裂為中心頻率為ν0右的右旋圓偏振光以及中心頻率為ν0右的左旋圓偏振光。隨著光譜線的分裂，增益曲線和色散曲線也發(fā)生分裂，如下圖。127.2

頻率穩(wěn)定假設(shè)無(wú)源腔頻率ν0q=ν。，塞曼分裂后的有源腔頻率對(duì)稱地分布于ν0的兩側(cè)，左旋光與右旋光具有一樣的小信號(hào)增益系數(shù)，并因此具有相等的輸出光強(qiáng)。假設(shè)ν0q不等于ν。，則左旋光光強(qiáng)不等于右旋光光強(qiáng)。雙頻激光器穩(wěn)頻的方法之一，就是測(cè)出二圓偏振光輸出功率之差值，以此作為鑒頻的誤差信號(hào)，再通過(guò)伺服掌握系統(tǒng)掌握激光器腔長(zhǎng)。雙頻穩(wěn)頻激光器的頻率穩(wěn)定性可達(dá)10-10～10-11，頻率復(fù)現(xiàn)性為10-7~10-8。三、飽和吸取穩(wěn)頻137.2

頻率穩(wěn)定由于β(ν1)——ν1曲線的鋒利凹陷，激光器輸出功率在ν‘。處消失一個(gè)鋒利的尖峰，稱為反蘭姆凹陷，如圖8.2.9(b)所示。利用反蘭姆凹陷，可使激光器的頻率穩(wěn)定在ν’。，其穩(wěn)頻系統(tǒng)與蘭姆凹向法類似。147.2

頻率穩(wěn)定四、無(wú)源腔穩(wěn)頻圖是利用法-布羅干預(yù)儀穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器運(yùn)行頻率的示意圖。激光頻率的變化將引起透過(guò)法-布羅干預(yù)儀光功率的變化。利用與蘭姆凹陷穩(wěn)頻類似的鑒頻方法得到的誤差信號(hào)，掌握激光二極管的溫度、鼓勵(lì)電流或外腔激光器的腔長(zhǎng)可使激光頻率穩(wěn)定于法-躪干預(yù)儀的最正確透過(guò)頻率。將多個(gè)激光器穩(wěn)定于不同級(jí)次的透過(guò)峰頻率上，可得到頻率間隔固定的多路激光，它可用作頻分復(fù)用光通信的放射光源。157.3Q調(diào)制7.3Q調(diào)制一、Q調(diào)制激光器根本工作原理想想脈沖激光器輸出尖峰序列的過(guò)程？Q調(diào)制技術(shù)根本原理：通過(guò)某種方法使諧振腔的損耗δ(或Q值)依據(jù)規(guī)定的程序變化,在泵浦鼓勵(lì)剛開頭時(shí),先使光腔具有高損耗δH,激光器由于閾值高而不能產(chǎn)生激光振蕩,于是亞穩(wěn)態(tài)上的粒子數(shù)便可以積存到較高的水平。然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻,使腔的損耗突然降低到δ,閾值也隨之突然降低,此時(shí)反轉(zhuǎn)集居數(shù)大大超過(guò)閾值,受激輻射極為快速地增加。于是在極短時(shí)間內(nèi),上能級(jí)儲(chǔ)存的大局部粒子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榧す饽芰?在輸出端有一個(gè)強(qiáng)的激光巨脈沖輸出。承受調(diào)Q技術(shù)很簡(jiǎn)潔獲得峰值功率高于兆瓦和脈寬為幾十毫秒的窄激光脈沖，脈寬為幾十毫微秒的激光巨脈沖。167.3Q調(diào)制凡能使諧振腔損耗發(fā)生突變的元件都能用作Q開關(guān)，常用的調(diào)Q方法:轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q與飽和吸取調(diào)Q等。前三種方法中諧振腔損耗由外部驅(qū)動(dòng)源掌握制，稱為主動(dòng)調(diào)Q；后一種諧振腔損耗取決于腔內(nèi)激光光強(qiáng)，因此稱為被動(dòng)調(diào)Q。二、Q調(diào)制方法某些晶體在外加電場(chǎng)作用下，其折射率發(fā)生變化，使通過(guò)晶體的不同偏振方向的光之間產(chǎn)生位相差，從而使光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)。其中折射率的變化和電場(chǎng)成正比的效應(yīng)稱為普克爾效應(yīng)；折射率的變化和電場(chǎng)強(qiáng)度平方成正比的效應(yīng)稱為克爾效應(yīng)。電光調(diào)Q就是利用晶體的普克爾效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)Q突變的方法。

1.電光調(diào)Q177.3Q調(diào)制假設(shè)在某一時(shí)刻,突然撤去電光晶體兩端的電壓,則諧振腔突變至低損耗、高Q值狀態(tài),于是形成巨脈沖激光。

2.聲光調(diào)Q當(dāng)聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí)，該介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與聲波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變，從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期變化，形成等效的位相光柵，其光柵常數(shù)等于聲波波長(zhǎng)λs，光束射經(jīng)此介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射，一局部光偏離原來(lái)方向。187.3Q調(diào)制聲光開關(guān)置于激光器中，在超聲場(chǎng)作用下發(fā)生衍射，由于一級(jí)衍射光偏離諧振腔而導(dǎo)致?lián)p耗增加，從而使激光振蕩難形成，激光高能級(jí)大量積存粒子。假設(shè)這時(shí)突然撤除超聲場(chǎng)，則衍射效應(yīng)即刻消逝，諧振腔損耗突然下降，激光巨脈沖遂即形成。

3.被動(dòng)調(diào)Q將飽和吸取體放在諧振腔中，泵浦過(guò)程開頭時(shí)，由于其吸取系數(shù)大，諧振腔損耗很大激光器不能起振。隨著激光工作物質(zhì)中反轉(zhuǎn)集居數(shù)的積存，放大的自發(fā)輻射漸漸增加，當(dāng)光強(qiáng)與飽和吸取體的I‘s可比較時(shí)，吸取系數(shù)顯著削減。當(dāng)這一過(guò)程進(jìn)展到肯定程度時(shí)單程增益等于單程損耗，激光器開頭起振。隨著激光強(qiáng)度的增加，飽和吸取體的吸取系數(shù)又連續(xù)下降，而這又促使激光更快速地增加，于是產(chǎn)生了受激輻射不斷增長(zhǎng)的雪崩過(guò)程，當(dāng)激光光強(qiáng)增加至可與增益介質(zhì)的飽和光強(qiáng)可比較時(shí)，增益系數(shù)顯著下降，最終導(dǎo)致激光熄滅。197.3

Q調(diào)制三、調(diào)Q激光器根本理論1.調(diào)Q激光器的峰值功率〔〕2.巨脈沖能量〔〕、〔〕3.巨脈沖的時(shí)間特性四、脈沖透射式調(diào)Q〔腔倒空〕以上爭(zhēng)論的Q調(diào)制方式屬于工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q，即在低Q值狀態(tài)下激光工作物質(zhì)的上能級(jí)積存粒子，當(dāng)Q值突然上升時(shí)形成巨脈沖振蕩，同時(shí)輸出光脈沖，如圖7.3.7(a)所示，上述方式稱作脈沖反射式調(diào)Q。207.3

Q調(diào)制圖8.3.7(b)示出另一種諧振腔儲(chǔ)能調(diào)Q過(guò)程。諧振腔由全反射鏡M1和可控反射鏡M2組成。t<0時(shí)，M2鏡全反射，諧振腔處于高Q值狀態(tài)，激光器振蕩但無(wú)輸出，激光能量?jī)?chǔ)存于諧振腔中。t=0時(shí)，掌握M2鏡使其透射率達(dá)100%，儲(chǔ)存于腔內(nèi)的激光能量快速逸出腔外，于是輸出一巨脈沖。這種調(diào)Q方式稱作脈沖透射式調(diào)Q或腔倒空。217.4

注入鎖定7.4注入鎖定用一束弱的、性能優(yōu)良的激光束掌握一個(gè)強(qiáng)激光器輸出光束的光譜特性、模式相位特性及空間特性，即激光注入鎖定技術(shù)。注入鎖定現(xiàn)象可分為兩類:①連續(xù)激光器的注入鎖定:在一連續(xù)激光振蕩器中注入一弱的單色激光信號(hào)，假設(shè)注入光信號(hào)頻率ν1足夠接近激光器的自由振蕩頻率ν，則激光振蕩可完全為注入信號(hào)掌握，激光器振蕩模式的頻率躍變?yōu)棣?，相位與注入信號(hào)同步。②脈沖激光器的注入鎖定:在調(diào)Q或增益開關(guān)激光器啟動(dòng)過(guò)程中注人一弱信號(hào)，可使頻率與注入信號(hào)頻率最接近的模式優(yōu)先起振，其他模式被抑制，實(shí)際上激光振蕩并未被注入信號(hào)真正鎖定，激光頻率仍為激光器自由振蕩的頻率。227.4

注入鎖定注入鎖定的實(shí)際意義：利用注入鎖定，可由一個(gè)功率較小、但窄線寬、單模運(yùn)轉(zhuǎn)、頻率穩(wěn)定的激光器來(lái)掌握一個(gè)高功率或動(dòng)態(tài)調(diào)治激光器的光束質(zhì)量。與可到達(dá)同樣目的的光放大技術(shù)相比，具有功率轉(zhuǎn)換效率高、裝置小等優(yōu)點(diǎn)。注入鎖定不僅能影響激光器的頻域特性，也可用于掌握激光器模式的相位特性或空間特性。237.4

注入鎖定7.5鎖模用鎖模技術(shù)可以得到更窄的脈沖。一、鎖模原理使各振蕩模式的頻率間隔保持肯定,并具有確定的相位關(guān)系,則激光器將輸出一列時(shí)間間隔肯定的超短脈沖，這種激光器稱為鎖模激光器。