第七章激光器特性的控制與改善

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Q/鎖模/放大穩(wěn)頻LD直接調制/增益開關DFB,調Q/鎖模諧振腔理論高斯光束頻率變換技術輸出頻率模式選擇激光器穩(wěn)頻調Q技術鎖模原理鎖模脈沖特性

峰值功率、脈沖間隔，脈寬、鎖模方法

主動鎖模：振幅調制、相位調制被動鎖模：染料鎖模第七章激光器特性的控制與改善7.1模式選擇

選模意義：

基橫模（TEM00）～發(fā)散角小～空間相干性

單縱?！珕紊院谩珪r間相干性1.橫模選擇

橫模選擇的物理基礎：不同橫模有不同的衍射損耗

橫模選擇原則

盡量加大高階模和基模之間的衍射損耗比

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

橫模選擇方法

諧振腔設計

小孔光闌

非穩(wěn)腔

微調諧振腔合理選擇腔型及腔結構參數(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：方法簡單不易獲得大功率輸出小孔光闌選模聚焦光闌選模非穩(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

微調諧振腔高損耗腔，相鄰橫模間衍射損耗差異大，模體積大雙凸平凹平凸單程放大率往返一周放大率雙凸腔本征函數(shù)本征值2.縱模選擇－提高時間相干性

－在特定躍遷譜線范圍內獲得單縱模的方法

縱模選擇原則

擴大相鄰縱模的增益差或人為引入損耗差

選縱模方法

短腔法－縮短腔長，增大縱模間隔適用于熒光線寬窄的激光器

單模YAG：例：He-Ne

腔內插入

F-P標準具F-P標準具的設計考慮L激光工作物質插入FP后自由光譜區(qū)透射寬度1、諧振腔的銳度：品質因數(shù)Q和精細度F

F-P腔中的平面波為例，兩反射鏡反射率分別為R1R2波阻抗E0-E0E1E2E3IinIoutT1,R1T2,R2I0F-P

腔透過率曲線縱坐標可由或

表示透過率T定義品質因數(shù)Q，表示腔的銳度，或者頻率敏感程度定義：精細度(Finesse)F=自由光譜區(qū)寬度半高全寬度F-P腔內平面波傳輸時例：L=1m，

0=632.8nm

R1=R2=0.99,=c/0=4.74×1014Hz,

1/2=480kHz;Q=9.88×108,F=313結論：精細度與腔長、

波長無關，由F-P腔端面反射率決定

組合腔LD

分布反饋(DFB)半導體激光器

（DistributedFeedback）p-TYPEn-TYPEGRATINGP-TYPEn-TYPEDBRDBR

分布布喇格反射(DBR)

外腔半導體激光器隔離器激光工作物質抑制空間燒孔效應

行波環(huán)形腔§7.2穩(wěn)頻激光器一、外界因素對頻率穩(wěn)定性的影響

縱模頻率：頻率穩(wěn)定性：

諧振腔幾何長度變化：溫度、振動10-3/oC

折射率變化：溫度，D

起伏（放電電流、驅動電流等），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

二、穩(wěn)頻基本原理：－穩(wěn)定諧振腔光學長度

選擇標準參考頻率

獲取誤差信號驅動電子伺服系統(tǒng)自動調節(jié)腔長三、穩(wěn)頻方法

*蘭姆凹陷

*飽和吸收

塞曼吸收

F-P標準具穩(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：改變腔長直流:

調節(jié)激光器輸出頻率交流信號:

搜索信號，判斷+,-正向電壓外(+)，內(-)反向電壓外(-)，內(+)

n>n0

同相

反向壓電陶瓷

腔長

q

拉回n0n<n0

反相

正向壓電陶瓷

腔長

q

拉回n0n=n02f

0電壓壓電陶瓷不變

n=n0頻率復現(xiàn)性差10-7

要求蘭姆凹陷對稱,窄且深

飽和吸收穩(wěn)頻－反蘭姆凹陷壓電陶瓷吸收管內充氣壓:1~10Pa

多普勒加寬為主

低壓氣體吸收峰頻率穩(wěn)定性好燒孔寬度吸收曲線燒孔效應b(n1)吸收飽和>增益飽和+放置吸收管的諧振腔單程損耗輸出功率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)光電接收半導體激光器F-P

F-P標準具穩(wěn)頻§7.3Q調制

一、Q調制激光器工作原理1.調Q意義

壓窄光脈沖寬度,使有限的激光能量在極短的時間內輸出以提高脈沖峰值功率2.調Q基本思路：

抑制弛豫振蕩,使激光在Dn達到最大時的極短時間內發(fā)生

通過某種方法使腔內損耗按規(guī)定的程序變化3.調Q基本術語

調Q

－調腔內損耗

Q開關－執(zhí)行調Q功能的器件；

巨脈沖－調Q產生的激光脈沖什么是規(guī)定程序？

泵浦激勵期間(激光產生之前)：高損耗,(低Q),Dnt

高反轉粒子數(shù)積累

在適當時刻(?)：低損耗,(高Q),Dnt

低受激輻射放大形成巨脈沖在腔內加入階躍變化的損耗機制適當時刻?泵浦Q開關打開延遲時間：反轉粒子數(shù)積累最多～激光上能級壽命～熒光壽命Q開關關閉Q開關打開HighlossDelaytimeLowloss二、調Q方法

轉鏡調Q：反射損耗慢開關

聲光調Q衍射損耗

電光調Q：反射損耗快開關

染料調Q吸收損耗工作物質反射鏡轉鏡

慢開關開關時間>脈沖建立時間如轉鏡調Q

快開關開關時間<脈沖建立時間主動調Q：外加驅動源調節(jié)腔內損耗如電光、聲光調Q被動調Q：由腔內光強調節(jié)損耗如染料調Q電光調Qd激光工作物質Q開關關閉Dn積累ddQ開關打開振蕩形成巨脈沖思考：是否可以只用一個偏振控制器，V=?Q開關關閉？工作物質反射鏡反射鏡驅動源聲光介質工作物質反射鏡染料盒全反射鏡1102I/IsT0.40.60.81.0染料調Q（被動調Q）聲光調Q：低增益連續(xù)激光器Bragg衍射染料吸收峰與激光輻射中心波長吻合但也不能過小三、脈沖透射式調Q（腔倒空cavitydepletion）脈沖反射式調Q能量儲存在介質

2nL’/c幾十ns脈沖透射式調Q能量儲存在腔內

2L’/c幾ns調Q方式特點建立時間脈寬PTM－PulseTransmissionModulationPRM－PulseReflectionModulation振蕩次數(shù)泵浦激勵時，V＝0諧振腔處于低Q狀態(tài)，積累DnV=Vp

兩全反鏡構成高Q腔，光子能量儲存在腔內，不能輸出

V＝0腔內光脈沖從格蘭棱鏡2輸出三、調Q激光器的基本理論

用速率方程方法討論調Q脈沖形成，研究Q突變過程中Dn和N的變化規(guī)律，脈沖峰值功率(Pm)及脈沖寬度(Dt)與Dn的關聯(lián)性

特點:

Q開關時間極短幾ns量級

討論前提：三能級系統(tǒng)激光器（為什么？）

L＝l,hF=1,f1=f2

及各模式振幅相等

Dni0t0NNi1.調Q速率方程及其解

理想階躍開關；忽略泵浦及自發(fā)輻射引起的Dn的變化兩式相除積分Ni－

t=0時光子數(shù)密度Dni－t=0時反轉粒子數(shù)密度(7-3-5)四能級系統(tǒng)在Q開關時間(ns)內E1E0的粒子數(shù)很少，n1不能忽略（習題7-9）2.脈沖峰值功率(Pm)當兩反射鏡透過率分別為T和0，光束截面＝工作物質截面(S)調Q激光器輸出峰值功率Dni0tPNi(7.3.5)(L=l)習題7-6熒光壽命紅寶石釹玻璃YAGCO2He-Ne染料3ms0.7ms0.23ms1ms20ns~ns工作介質其中Q開關插入損耗小

Q開關“關死”結論：－開關比;如何使大（1）（2）（3）相同泵浦功率下為什么？3.調Q脈沖能量（E）

前提：hF=1腔內脈沖總能量E’輸出脈沖能量能量利用率Ei

－儲藏在工作物質中可以轉變?yōu)檎{Q脈沖的初始能量Ef

－巨脈沖熄滅后剩余的能量（通過自發(fā)輻射逐漸消耗）注意公式條件

P.174腔內一光子往返一周因輸出而損耗的能量百分數(shù)腔內一光子往返一周損耗能量的百分數(shù)思考：如果R2也較小，上式應如何修正？結論：熄滅時調Q激光器能量利用率能量利用率4.調Q脈沖寬度DtrDte積分(7-3-5)代入上升沿下降沿(7-3-4)＋Dt

＝理論計算與實際測量脈寬產生誤差的原因：

Dn

分布不均勻(泵浦、激勵不均勻，中心大，邊緣小)

脈沖建立時間不同(中心部分先建立，邊緣后建立）

輸出脈沖為從中心到邊緣多個脈沖的疊加的結果，故變寬。

Q開關時間（非理想階躍）

Pm的粗略估算數(shù)值求解(1)脈寬變窄,且前沿更陡

(2)調Q激光器設計,L和T要折衷考慮§7-5鎖模(ModeLocking)－超短脈沖(ps-fs

)一、引言

自由運轉（非鎖模）多模激光器的輸出特性

每個縱模的電場表達式相鄰縱模間的頻率間隔

總輸出tE二、鎖模原理多縱模相位鎖定鎖模物理機制：采取措施使腔內各個縱模的初始相位保持一致或各縱模間有確定的相位關系,輸出為等間隔短脈沖序列各縱模建立時間不同，Eq,

wq,jq不同，輸出為多個縱模無規(guī)疊加的結果舉例:

三個縱模鎖定后的光波疊加n1,n2,n3n2=2n1,n3=3n1

E1=E2=E3=E0

,j1=j2=j3=0（振幅相等）（初始相位為0）n11/3n12/3n10E(t)0極大值極大值極小值極小值I(t)引伸:

假設2N+1個模振蕩,振幅相同

(E0)相鄰縱模間相位差相鄰縱模角頻率間隔鎖定時............振幅調制包絡振幅三、鎖模脈沖特性

(1)峰值功率Im

(光強極大值)

有極大值鎖模后脈沖峰值功率是未鎖模時的（2N＋1）倍模式個數(shù)多有利于鎖模脈沖峰值功率的提高振蕩模式增多的途徑：模式個數(shù)未鎖定時(2)鎖模脈沖間隔－相鄰脈沖極大值之間間隔(T0)

L

q

F（熒光線寬寬）(3)脈沖寬度(t)通過DnF

可估算鎖模脈寬釹玻璃DnF

＝7.5×1012HZ~ps鈦寶石(900nm)~1014fs四、鎖模方法

主動鎖模(Activelymodelocked)*

腔內插入調制元件，強迫各縱模初相位相同

*

振幅調制

相位調制

被動鎖模(Passivemodelocking)

腔內放入可飽和吸收體，吸收系數(shù)

與光強有關使各縱模相位鎖定損耗調制器工作物質E1(t)E2(t)E3(t)(1)振幅調制(AM)法鎖模（損耗調制鎖模）從時域角度解釋AM鎖模損耗調制頻率損耗調制周期

周期為T0,寬度極窄的光開關t1時刻光信號可無損通過，經t1＋nT0，此信號將再次無損通過；t2時刻光信號每次經過調制器則損失一部分能量；結果：的光信號

,能形成光振蕩,其余光信號損耗調制器（光開關）工作物質從頻域角度......脈沖在時域上被壓窄的同時，在頻域上被加寬其中(調幅系數(shù))(2)相位調制鎖模

(頻率調制)－h(huán)隨外加電壓變化相位調制函數(shù)－相位調制幅度頻率偏移相位調制器工作物質t=t0,t1,t2,t3

….t=t0,t1,t2,t3..每經過調制器一次會產生頻移,使頻移增大，最終導致光頻移出增益曲線外，不再被放大。相位調制器的作用類似損耗調制器，縱模鎖定機制與幅度調制時相似。（3）可飽和吸收體被動鎖模Saturableabsorber脈沖壓縮機制：脈沖兩翼較脈沖中部經歷更多損耗，足夠強的脈沖中部光強可使吸收飽和最終使兩翼光強越來越低，脈沖頂部越來越高，脈沖被壓窄1102I/IsT0.40.60.81.0吸收體上能級壽命上能級壽命飽和吸收體－自啟動光開關（強光打開，弱光關閉）強光尖峰脈沖－透過率大，損耗小，形成穩(wěn)定振蕩弱光信號－透過率小，損耗大，衰減殆盡(開關速度)問題1：最初的光尖峰脈沖如何形成？問題2：如何自啟動(self-starting)？問題3：實際應用的快速飽和吸收體(<1ps)有機染料：若丹明6G，隱化青等半導體吸收介質：單層或許多量子阱層堆疊；超晶格結構；飽和Bragg光柵；半導體光放大器

光纖或半導體材料的非線性光學效應問題4：被動鎖模激光器輸出脈沖周期（或頻率）？Saturableabsorber問題5：鎖模激光器中的關鍵器件？orLiNbO3主動鎖模光纖環(huán)形激光器SOA—半導體光放大器EAM－電吸收調制器腔長－20米輸出脈沖寬度：10ps

利用法拉第偏振旋轉效應的被動鎖模光纖環(huán)形激光器腔長：幾十米輸出脈沖寬度：幾十飛秒(fs)orEDFA考察短脈沖在腔內經

增益介質

損耗調制器

反射鏡

反射后回到起始點是否正好能映射自身五、均勻加寬激光器主動鎖模(AM)自洽理論自洽理