現(xiàn)代激光應(yīng)用技術(shù)-激光束的變換

3.8激光束的變換絕大多數(shù)激光器發(fā)出的光束，在投入使用之前都要通過一定的光學(xué)系統(tǒng)變換成所需要的形式。如激光打孔——激光聚焦，激光測距——激光準(zhǔn)直，激光全息攝影——激光擴(kuò)束。多數(shù)激光器應(yīng)用時(shí)輸出的是高斯光束，因此高斯光束通過光學(xué)系統(tǒng)的變換特性是激光應(yīng)用的一個(gè)重要的基本問題。高斯光束在自由空間中的傳播與平面波和球面波不同，通過光學(xué)系統(tǒng)時(shí)存在和平面波以及球面波不同的特性。

3.8.1高斯光束通過薄透鏡時(shí)的變換1.透鏡的成像公式：，注意參數(shù)的正負(fù)。從波動光學(xué)的角度講，薄透鏡的作用是改變光波波陣面的曲率半徑。透鏡的變換（成像）特性推廣至高斯光束中去。注意：1)由于薄透鏡很薄，因此在透鏡兩邊的入射光束和出射光束具有相同的光強(qiáng)分布，即入射光的光場分布為高斯型，出射光束的光場分布也為高斯型；2)出射光束在透鏡處的截面半徑與入射光束在透鏡處的截面半徑相等；3)入射、出射的高斯光束在透鏡處的波面曲率半徑滿足以上的成像公式。

2.從光波的角度看，規(guī)定發(fā)散球面波的曲率半徑為正，會聚球面波的曲率半徑為負(fù)，則如圖3-18所示，成像公式可改寫為：圖3-18球面波通過薄透鏡的變換3.將透鏡的變換應(yīng)用到高斯光束上。如圖3-19所示，有以下關(guān)系：①②圖3-19高斯光束通過薄透鏡的變換實(shí)際問題中，通常和是已知的，此時(shí)，則入射光束在鏡面處的波陣面半徑和有效截面半徑分別為：4.由①和②式可求得出射光束在鏡面處的波陣面半徑和有效截面半徑。這樣我們可以通過入射光束的、來確定出射光束的、了。圖3-20高斯光束通過薄透鏡的變換(1)短焦距：即3.8.2高斯光束的聚焦1.高斯光束入射到短焦距透鏡時(shí)的聚焦情形(2)短焦距時(shí)(3)在滿足條件和的情況下，出射的光束聚焦于透鏡的焦點(diǎn)附近。如圖3-21所示，這與幾何光學(xué)中的平行光通過透鏡聚焦在焦點(diǎn)上的情況類似。圖3-21短焦距透鏡的聚焦(4)由前面的結(jié)論可得：(5)即縮短和加大都可以縮小聚焦點(diǎn)光斑尺寸的目的。3.8.2高斯光束的聚焦前一種方法就是要采用焦距小的透鏡后一種方法又有兩種途徑：一種是通過加大s來加大

；另一種辦法就是加大入射光的發(fā)散角從而加大

，加大入射光的發(fā)散角又可以有兩種做法，如圖3-22和圖3-23圖3-22用凹透鏡增大ω后獲得微小的ω’0圖3-23用兩個(gè)凸透鏡聚焦(6)3.8.2高斯光束的聚焦這與幾何光學(xué)中物、象的尺寸比例關(guān)系是一致的。通過以上的討論我們看到，不論是聚焦點(diǎn)的位置，還是求會聚光斑的大小，都可以在一定的條件下把高斯光束按照幾何光學(xué)的規(guī)律來處理。3.8.2高斯光束的聚焦2.入射高斯光束的腰到透鏡的距離s等于透鏡焦距f的情形(1)(2)同理有：(3)根據(jù)高斯光束的漸變性可以設(shè)想，只要和相差不大，高斯光束的聚焦特性會與幾何光學(xué)的規(guī)律迥然不同。3.8.3高斯光束的準(zhǔn)直1.高斯光束的準(zhǔn)直：改善光束的方向性，壓縮光束的發(fā)散角。2.可以看出，增大出射光束的腰粗就可以縮小光束的發(fā)散角。3.選用兩個(gè)透鏡，短焦距的凸透鏡和焦距較長的凸透鏡可以達(dá)到準(zhǔn)直的目的。圖3-24倒裝望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)壓縮光束發(fā)散角M’是高斯光束通過透鏡系統(tǒng)后光束發(fā)散角的壓縮比。M是倒置望遠(yuǎn)鏡對普通光線的傾角壓縮倍數(shù)。由于f2＞f1，所以M＞1。又由于

＞

0，因此有M’M＞13.8.4高斯光束的擴(kuò)束

擴(kuò)束：擴(kuò)大光束光斑的尺寸。通常有兩種方法：1.擴(kuò)大發(fā)散角進(jìn)而擴(kuò)大光斑尺寸，可用凹、凸透鏡實(shí)現(xiàn)。要求在焦點(diǎn)處產(chǎn)生一個(gè)極小的束腰半徑，得到發(fā)散角大的高斯光束，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束。2.擴(kuò)大光斑尺寸，但保持較小的發(fā)散角，可用倒置望遠(yuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。1.造成線寬的原因(1)能級的有限壽命造成了譜線的自然寬度(2)發(fā)光粒子之間的碰撞造成了譜線的碰撞寬度(或壓力寬度)。(3)發(fā)光粒子的熱運(yùn)動造成了譜線的多普勒寬度。實(shí)際的譜線線型是以上三者共同作用的結(jié)果，我們把這樣的譜線叫做發(fā)光物質(zhì)的熒光譜線，其線寬叫做熒光線寬。2.激光器的線寬對一個(gè)激光器來說，當(dāng)它在穩(wěn)定工作時(shí)，其增益正好等于總損耗。這時(shí)的理想情況是：損耗的能量在腔內(nèi)的受激過程中得到了補(bǔ)充，而且在受激過程中產(chǎn)生的光波與原來光波有相同的位相，所以新產(chǎn)生的光波與原來的光波相干疊加，使腔內(nèi)光波的振幅始終保持恒定，相應(yīng)的就有無限長的波列，故線寬應(yīng)為“0”。如果激光器是單模輸出的話，那么它輸出的譜線應(yīng)該是落在熒光線寬范圍內(nèi)的一條“線”(見圖(3-16))。圖(3-16)熒光譜線與理想的單色激光譜線3.9激光器的線寬極限3.造成激光器線寬的原因另一方面，腔內(nèi)自發(fā)輻射又產(chǎn)生一列一列前后位相無關(guān)的波列，這些波列和相干的波列的光強(qiáng)相疊加，使腔內(nèi)的光強(qiáng)保持穩(wěn)定。而這樣一些一段一段的互相獨(dú)立的自發(fā)輻射的波列也要造成一定的線寬。首先是內(nèi)部的原因：在理想的激光器中完全忽略了激活介質(zhì)的自發(fā)輻射，而一個(gè)實(shí)際的激光器盡管它的自發(fā)輻射相對于受激輻射來說是極其微弱的，但它畢竟還是不可避免地存在著，而且在激光器的輸出功率中也貢獻(xiàn)它極其微小的一個(gè)份額。這樣，激光器的增益就應(yīng)該包括受激過程和自發(fā)過程兩部分的貢獻(xiàn)。在振蕩達(dá)到平衡時(shí)，激光器內(nèi)的能量平衡，應(yīng)該是介質(zhì)的受激輻射增益與自發(fā)輻射增益之和等于腔的總損耗，因而受激輻射的增益應(yīng)略小于總損耗。這樣，對于受激輻射的相干光來說，每一個(gè)波列都存在一定的衰減率，正是這種衰減造成了一定的線寬，這是問題的一面。以上兩方面的因素就造成了由于存在自發(fā)輻射而引起的激光線寬。如圖(3-17)所示，曲線1是衰減的相干光的譜線，曲線2是自發(fā)輻射本身的譜線，曲線3是總的譜線。圖(3-17)激光的極限線寬4.激光線寬與激光器輸出功率成反比增加激光器的輸出功率可以減小由于自發(fā)輻射引起的激光線寬。理論計(jì)算表明激光線寬是和激光器輸出功率成反比的。理論計(jì)算還指出，單純由于腔內(nèi)自發(fā)輻射而引起的激光譜線寬度遠(yuǎn)小于lHz。而實(shí)驗(yàn)測得的激光線寬卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值。這說明造成激光線寬還有其他的較自發(fā)輻射影響更大的因素。盡管如此，對于自發(fā)輻射造成激光線寬的分析還是十分有意義的。因?yàn)樽园l(fā)輻射是在任何激光器中都存在的，所以這種因素造成的激光線寬是無法排除的。也就是說這種線寬是消除了其他各種使激光線寬增加的因素后，最終可以達(dá)到的最小線寬，所以叫做線寬極限。第四章激光器的基本技術(shù)4.1激光模式的選取

從一臺簡單激光器出射的激光束，其性能往往不能滿足應(yīng)用的需要，因此不斷地發(fā)展了旨在控制與改善激光器輸出特件的各種單元技術(shù)。為了改善激光器輸出光的時(shí)間相干性或空間相干性，發(fā)展了模式選擇、穩(wěn)頻及注入鎖定技術(shù)。為了獲得窄脈沖高峰值功率的激光束，發(fā)展了Q調(diào)制、鎖模、增益開關(guān)等技術(shù)。4.1激光模式的選取

16理想激光器的輸出光束應(yīng)只具有一個(gè)模式，但不采取選模措施時(shí)，多數(shù)激光器的工作狀態(tài)是多模的。選模的意義：基橫模(TEM00)——發(fā)散角小，空間相干性好單縱?！獑紊院茫瑫r(shí)間相干性好激光準(zhǔn)直、激光加工、非線性光學(xué)研究、激光中遠(yuǎn)程測距等應(yīng)用均需基橫模激光束。而在精密干涉計(jì)量、光通信及大面積全息照相等應(yīng)用中不僅要求激光是單橫模的，同時(shí)要求光束僅含有一個(gè)縱模。4.1.1激光單縱模的選取

1.均勻增寬型譜線的縱模競爭(1)當(dāng)強(qiáng)度很大的光通過均勻增益型介質(zhì)時(shí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布值下降，增益系數(shù)相應(yīng)下降，但光譜的線型并不改變。(2)多縱模的情況下，如圖4-1所示，設(shè)有q-1，q，q+1三個(gè)縱模滿足振蕩條件。隨著腔內(nèi)光強(qiáng)逐步增強(qiáng)，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的光強(qiáng)繼續(xù)增長，最后變?yōu)榍€3的情形。圖4-1均勻增寬型譜線縱模競爭(3)若此時(shí)的光強(qiáng)為Iq，則有，于是振蕩達(dá)到穩(wěn)定，使激光器的內(nèi)部只剩下q縱模的振蕩。這種現(xiàn)象叫做“縱模的競爭”，競爭的結(jié)果總是最靠近譜線中心頻率的那個(gè)縱模被保持下來。(4)在均勻增寬的穩(wěn)定態(tài)激光器中，當(dāng)激發(fā)比較強(qiáng)時(shí)，也可能有比較弱的其他縱模出現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱為模的“空間競爭”。4.1.1激光單縱模的選取

2.非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩(1)非均勻增寬激光器的輸出一般都具有多個(gè)縱模。

3.單縱模的選取(1)短腔法：

兩相鄰縱模間的頻率差，要想得到單一縱模的輸出，只要縮短腔長，使的寬度大于增益曲線閾值以上所對應(yīng)的寬度。如：He-Ne激光器中，熒光譜線寬度約為1500MHz，若激光器的腔長為10cm，則縱模間隔約為1500MHz，因此，對He-Ne激光器，只要將腔長做到小于10cm就可獲得單縱模輸出。缺點(diǎn)：腔長短，則激活介質(zhì)的長度將受到限制，影響激光器的輸出功率，對于大功率激光器不適用；另外，有些激光器的熒光譜線很寬，若要得到足夠?qū)挼目v模間距，則需要腔長縮到很短，激活介質(zhì)也被縮短，難以獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如：Nd：YAG激光器的熒光譜線寬度約為200GHz，這就要求單縱模的腔長約為4mm，不可取。4.1.1激光單縱模的選取

(2)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法：

如圖4-2所示，在外腔激光器的諧振腔內(nèi)，沿幾乎垂直于腔軸方向插入一個(gè)法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具圖(4-2)法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具法示意圖由于多光束干涉的結(jié)果，對于滿足下列條件的光具有極高的透射率產(chǎn)生激光振蕩的頻率不僅要滿足諧振條件，還需要對標(biāo)準(zhǔn)具有最大的透射率能獲得最大透射率的兩個(gè)相鄰的頻率間隔為與比較，可知當(dāng)選擇d遠(yuǎn)小于L時(shí)，便可使

vm遠(yuǎn)大于vq，從而獲得頻率為vm的單縱模輸出。特點(diǎn)：插入標(biāo)準(zhǔn)具將引入損耗，對小功率激光器不適合，但對于高增益的激光器（如CO2激光器）則十分有效。4.1.1激光單縱模的選取

(3)三反射鏡法：

如圖4-3所示，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。這個(gè)組合相當(dāng)于兩個(gè)諧振腔的耦合圖4-3三反射鏡法兩個(gè)諧振腔的縱模頻率間隔分別為：c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)，只有同時(shí)滿足這兩個(gè)諧振條件的光才能形成振蕩。所以，只要L2+L3足夠小，就可獲得單縱模輸出。4.1.2激光單橫模的選取

激光振蕩條件：增益系數(shù)大于損耗系數(shù)。損耗分類：選擇性損耗、非選擇性損耗。選模的實(shí)質(zhì)：使基橫模達(dá)到振蕩條件，使高階橫模振蕩受到限制?？刂聘唠A橫模的損耗，達(dá)到選取橫模的目的。一般只要能夠抑制比基橫模高一階的TEM10和TEM01模的振蕩，就能抑制其他高階模的振蕩。1.衍射損耗和菲涅耳數(shù)4.1.2激光單橫模的選取

(1)

由于衍射效應(yīng)形成的光能量損失稱為衍射損耗。

(2)如圖4-4所示的球面共焦腔，鏡面上的基橫模高斯光束光強(qiáng)分布可以表示為

(3)單程衍射損耗為射到鏡面外而損耗掉的光功率

與射向鏡面的總光功率

之比圖4-4腔的衍射損耗1.反射鏡面越大，衍射損耗越低，實(shí)際激光器中，反射鏡面尺寸相對于光束足夠大；2.鏡面光斑尺寸越小，衍射損耗越小。橫模階次越高，光斑尺寸越大，損耗越高。(4)分析衍射損耗時(shí)為了方便，經(jīng)常引入一個(gè)所謂“菲涅爾數(shù)”的參量，它定義為

4.1.2激光單橫模的選取

2.衍射損耗曲線(1)圖4-5給出了圓截面共焦腔和圓截面平行平面腔的衍射損耗—菲涅爾數(shù)曲線。圖4-5不同腔的衍射損耗曲線1.N越大，損耗越??；2.N一定，橫模序數(shù)m，n越大，損耗越大；3.由于凹面鏡的匯聚作用，共焦腔比平行平面腔損耗小，4.1.2激光單橫模的選取

3.光闌法選取單橫模思想：利用小孔光闌選取基橫模(1)基本做法是在諧振腔內(nèi)插入一個(gè)適當(dāng)大小的小孔光闌。

基模具有最小的光束半徑，其他高階橫模的光束半徑隨模數(shù)的增加而增大。若光闌的半徑與基模光束半徑相當(dāng)，基?？梢皂樌ㄟ^，而高階模大部分被阻擋，不能順利通過，從而達(dá)到選橫模的目的。對于氣體激光器（利用毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)），可適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)毛細(xì)管的粗度實(shí)現(xiàn)光闌的功能，而對于固體激光器則需要在諧振腔內(nèi)另設(shè)置光闌。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便。但是，受小孔限制，工作物質(zhì)的體積不能得到充分利用，輸出激光功率比較低，并且由于腔內(nèi)功率密度高，小孔容易損壞。4.聚焦光闌法和腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法選橫模(1)聚焦光闌法：如圖4-6所示，在腔內(nèi)插入一組透鏡組，使光束在腔內(nèi)傳播時(shí)盡量經(jīng)歷較大的空間，以提高輸出功率。(2)腔內(nèi)加望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的選橫模方法，其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。圖4-6聚焦光闌法圖4-7腔內(nèi)望遠(yuǎn)鏡法特點(diǎn)：該方法能夠充分利用激光工作物質(zhì)，獲得較大功率輸出；輸出光斑大小適當(dāng)，不會損傷光學(xué)元件。4.2激光器的穩(wěn)頻穩(wěn)定度是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)性是激光器在不同地點(diǎn)、時(shí)間、環(huán)境下使用時(shí)頻率的相對變化量

為什么穩(wěn)頻：由于內(nèi)部和外部環(huán)境的變化，諧振頻率會發(fā)生移動，該現(xiàn)象為“頻率漂移”，導(dǎo)致激光器頻率穩(wěn)定性的問題。穩(wěn)頻意義：設(shè)法控制可控制的因素，使其對振蕩頻率的干擾減值最小值，提高頻率的穩(wěn)定性，減小頻率的漂移。頻率穩(wěn)定性的描述：

根據(jù)實(shí)際需求與現(xiàn)實(shí)水平，一般希望穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)度能在10-8以上。目前穩(wěn)定度一般在10-9左右，較高的可達(dá)10-13；復(fù)現(xiàn)度一般可達(dá)10-7，最高可達(dá)10-12。以He-Ne激光器為例，介紹穩(wěn)頻技術(shù)（這些方法對其他激光器也適用）1.腔長變化的影響(1)溫度變化：一般選用熱膨脹系數(shù)小的材料做為諧振腔的的支架(2)機(jī)械振動：采取減震措施2.折射率變化的影響(1)內(nèi)腔激光器:諧振腔封閉在放電管內(nèi)，溫度T、氣壓P、濕度h的變化很小，可以忽略。(2)外腔和半內(nèi)腔激光器:腔的一部分處于大氣之中，溫度T、氣壓P、濕度h的變化較放電管內(nèi)顯著。

應(yīng)盡量減小暴露于大氣的部分，同時(shí)還要屏蔽通風(fēng)以減小T

、P、h的脈動。4.2.1影響頻率穩(wěn)定的因素對TEM00q模來說，諧振頻率的公式可以簡化為：當(dāng)L的變化為

L，m的變化為

m時(shí)，引起的頻率相對變化為：4.2.2穩(wěn)頻方法概述1.被動式穩(wěn)頻利用熱膨脹系數(shù)低的材料制做諧振腔的間隔器；或用膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料和膨脹系數(shù)為正值的材料按一定長度配合，使熱膨脹相互抵消，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻，通常用于工程上對穩(wěn)頻精度要求不高的場合。例如：632.8nm氦氖激光器，頻率變化可以小于20Hz，穩(wěn)定度達(dá)10-13.把單頻激光器的頻率與某個(gè)穩(wěn)定的參考頻率相比較，當(dāng)振蕩頻率偏離參考頻率時(shí)，鑒別器就產(chǎn)生一個(gè)正比于偏離量的誤差信號。誤差信號經(jīng)過放大后通過反饋系統(tǒng)返回來控制腔長，是振蕩頻率回到參考頻率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻。2.主動式穩(wěn)頻(1)把激光器中原子躍遷的中心頻率做為參考頻率，把激光頻率鎖定到躍遷的中心頻率上，如蘭姆凹陷法。(2)把振蕩頻率鎖定在外界的參考頻率上，例如用分子或原子的吸收線作為參考頻率，選取的吸收物質(zhì)的吸收頻率必須與激光頻率相重合。如飽和吸收法。依據(jù)選擇參考頻率的不同：穩(wěn)頻方法可以分為兩類：一、蘭姆凹陷穩(wěn)頻1.基本原理蘭姆凹陷穩(wěn)頻法是以增益曲線中心頻率n0作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，通過電子伺服系統(tǒng)驅(qū)動壓電陶瓷環(huán)來控制激光器腔長的，它可使頻率穩(wěn)定于n0處，其穩(wěn)頻裝如圖激光管采用熱膨脹系數(shù)很小的石英做成外腔式結(jié)構(gòu)，諧振腔的兩個(gè)反射鏡安置在殷鋼架上，其中一個(gè)貼在壓電陶瓷環(huán)上。陶瓷環(huán)的長度約為幾厘米，環(huán)的內(nèi)外表面接有兩個(gè)電極，加有頻率為f的調(diào)制電壓，當(dāng)外表面為正電壓,內(nèi)表面為負(fù)電壓時(shí)陶瓷環(huán)伸長,反之則縮短。改變陶瓷環(huán)上的電壓即可調(diào)整諧振腔的長度，以補(bǔ)償外界因素所造成的腔長變化。光電接收器一般采用硅光電三極管，它能將光信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號。

2.蘭姆凹陷穩(wěn)頻的實(shí)質(zhì)譜線的中心頻率v0作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)激光振蕩頻率偏離v0時(shí)，即輸出一誤差信息通過伺服系統(tǒng)鑒別出頻率偏離的大小和方向，輸出一直流電壓調(diào)節(jié)壓電陶瓷的伸縮來控制腔長把激光振蕩頻率自動地鎖定在蘭姆凹陷中心處3.

應(yīng)用蘭姆凹陷穩(wěn)頻時(shí)應(yīng)注意的問題穩(wěn)頻激光器不僅要求是單橫模，而且還要求必須是單縱模頻率穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率有關(guān)，斜率越大，誤差信號就越大，因而靈敏度高，穩(wěn)定性就越好蘭姆凹陷線型的對稱性也影響頻率的穩(wěn)定性蘭姆凹陷穩(wěn)頻以原子躍遷譜線中心頻率v0作為參考標(biāo)準(zhǔn)二、飽和吸收穩(wěn)頻(反蘭姆凹陷穩(wěn)頻)蘭姆凹陷穩(wěn)頻是以增益曲線中心頻率v0作為參考標(biāo)準(zhǔn)頻率，v0易受放電條件的影響而變化，頻率復(fù)現(xiàn)性差提高穩(wěn)頻精度

提高蘭姆凹陷銳度，但是激光管不能在過低的氣壓下工作，頻率穩(wěn)定性的進(jìn)一步改善受到限制解決途徑：飽和吸收穩(wěn)頻飽和吸收法穩(wěn)頻的示意裝置如圖所示。

反蘭姆凹陷穩(wěn)頻優(yōu)點(diǎn)通常利用分子的基態(tài)與振轉(zhuǎn)能級間的飽和吸收進(jìn)行穩(wěn)頻，吸收較強(qiáng)，可在低氣壓下工作，碰撞線寬??；分子振轉(zhuǎn)能級壽命長，自然線寬小——可得尖銳的反蘭姆凹陷利用自基態(tài)的吸收躍遷，頻率復(fù)現(xiàn)性好國際上規(guī)定甲烷和碘吸收穩(wěn)頻的He-Ne激光波長可作為長度基準(zhǔn)和米定義4.3Q調(diào)制調(diào)Q技術(shù)是應(yīng)人們對高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應(yīng)用需求而發(fā)展起來的。調(diào)Q技術(shù)可將激光脈寬壓縮至納秒量級(峰值功率達(dá)106W以上)短脈沖技術(shù)4.3.1Q調(diào)制激光器的工作原理調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個(gè)重要突破，它是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個(gè)數(shù)量級的一種技術(shù)?，F(xiàn)在，獲得峰值功率在兆瓦級(106W)以上，脈寬為納秒級(10-9s)的激光脈沖已不困難。一、脈沖固體激光器的輸出的馳豫振蕩弛豫振蕩效應(yīng):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。37紅寶石單模激光器輸出波形弛豫振蕩的特點(diǎn)：(1)峰值功率不高，只在閾值附近(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諧振腔Q值的普遍定義為腔內(nèi)振蕩光束的體積為V，則儲存在腔內(nèi)的總能量為e=nhvV能量損耗率為品質(zhì)因數(shù)Q為三、調(diào)Q的基本原理

通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到或略超過閾值時(shí)，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近?！胀す馄鞣逯倒β什荒芴岣叩脑蚣す馍夏芗壸畲罅Ｗ臃崔D(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制——要使上能級積累大量的粒子，可以設(shè)法通過改變(增加)激光器的閾值來實(shí)現(xiàn)，就是當(dāng)激光器開始泵浦初期,設(shè)法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高,抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大時(shí)，再突然把閾值調(diào)到很低，此時(shí)，積累在上能級的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級，于是在極短的時(shí)間內(nèi)將能量釋放出來，就獲得峰值功率極高的巨脈沖激光輸出。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粒子數(shù)積累的有效方法調(diào)Q過程t<0時(shí)，閾值很高，激勵(lì)使反轉(zhuǎn)集居數(shù)不斷增t=0時(shí)刻，反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度增加到

ni，由于

ni<

n

t，不產(chǎn)生激光，腔內(nèi)只有自發(fā)輻射產(chǎn)生的少量光子，Ni很小t=0時(shí)刻，損耗因子突然下降，閾值相應(yīng)地下降，

ni比

nt大很多腔內(nèi)光子數(shù)密度迅速增長，同時(shí)反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度急劇下降t=tp時(shí)刻，

n=

nt腔內(nèi)光子數(shù)密度不再增長，t>tp時(shí)，

n<

nt，腔內(nèi)光子數(shù)密度迅速減少?！ぷ魑镔|(zhì)儲能調(diào)Q4.3.2Q調(diào)制方法Q開關(guān)：使諧振腔損耗發(fā)生改變的元件。常用調(diào)Q方法：

轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q電光調(diào)Q聲光調(diào)Q飽和吸收調(diào)Q1.電光調(diào)Q電光效應(yīng)：晶體在外加電場作用下，折射率發(fā)生變化，是通過晶體的不同偏振光之間產(chǎn)生相位差，從而改變光的偏振狀態(tài)的現(xiàn)象電光調(diào)Q利用了波克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)Q突變常用的電光晶體有KDP(KH2PO4)、KD*P(KD2PO4)、LiNbO3、BSO(Bi12SiO20)電光晶體調(diào)Q工作原理:在開始泵浦時(shí)，電光晶體通電，檢偏器和起偏器同向放置，沿軸向傳播的光不能通過，所以腔內(nèi)損耗很大。在泵浦一段時(shí)間后，突然撤掉電光晶體的電壓，腔內(nèi)損耗突然下降，達(dá)到調(diào)Q目的，激光振蕩迅速建立并加強(qiáng)，獲得調(diào)Q巨脈沖輸出。起偏器檢偏器電光晶體2.聲光偏轉(zhuǎn)1.圖(4－25)所示為一塊均勻的透明介質(zhì)如熔融石英，其一端為超聲發(fā)生器(作正弦振動)。當(dāng)在透明介質(zhì)的另一端為聲波的反射介質(zhì)時(shí)，滿足一定的幾何要求就會在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生駐波。駐波按照正弦規(guī)律變化，所以介質(zhì)的折射率以空間周期在空間呈正弦變化。

圖(4-25)超聲波在透明介質(zhì)中的傳播2.如圖(4－26)所示，當(dāng)光線在滿足布拉格條件的衍射角入射到光柵上時(shí)，衍射光也與衍射體光柵的等折射率面成出射

圖(4-26)布拉格條件下的衍射利用聲光介質(zhì)中超聲場產(chǎn)生衍射使損耗增加，不能形成激光振蕩當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)積累達(dá)到飽和時(shí)，突然撤掉超聲場，激光振蕩迅速建立，獲得巨脈沖輸出聲光調(diào)制器通常包括換能器聲光介質(zhì)吸聲介質(zhì)驅(qū)動器聲光調(diào)Q器件將具有飽和吸收性能的染料(溶液或固態(tài)片)置于諧振腔內(nèi)開始泵浦腔內(nèi)熒光弱吸收系數(shù)大Q值低不能形成激光繼續(xù)泵浦腔內(nèi)熒光變強(qiáng)吸收系數(shù)變小熒光達(dá)到一定值時(shí)，吸收系數(shù)飽和燃料被漂白Q值突增，形成激光脈沖激光介質(zhì)染料盒

激光全反鏡輸出鏡氙燈染料飽和吸收調(diào)Q是最早出現(xiàn)的被動調(diào)Q3.染料飽和吸收調(diào)Q染料盒內(nèi)裝有可飽和染料，這種染料對該激光器發(fā)出的光有強(qiáng)烈吸收作用，而且隨入射光的增強(qiáng)吸收系數(shù)減小。其吸收系數(shù)可以由下式表示：

選擇染料要顧及幾個(gè)方面：染料吸收峰波長與激光波長基本吻合；染料應(yīng)有適當(dāng)?shù)娘柡凸鈴?qiáng)以便得到合適的開關(guān)速度；染料應(yīng)有一定的穩(wěn)定性和保存期，以利于實(shí)用。4.4激光鎖模技術(shù)調(diào)Q技術(shù)：壓縮激光脈沖，得到脈寬毫秒量級、峰值功率千兆瓦量級激光巨脈沖。鎖模技術(shù)：對激光進(jìn)行特殊的調(diào)制，強(qiáng)迫激光器中振蕩的各縱模相位固定，使各模式相干疊加以得到超短激光脈沖。4.4.1鎖模原理1.

非均勻增寬激光器中某一縱模電矢量大小可寫成

2.鎖模技術(shù)讓諧振腔中可能存在的縱模同步振蕩，讓各模的頻率間隔保持相等并使各模的初位相保持為常數(shù)，激光器輸出在時(shí)間上有規(guī)則的等間隔的短脈沖序列。則總的輸出為，各縱模為非相干疊加。3.設(shè)腔內(nèi)有q＝-N，-(N-1)，……0，……(N-1)，N共(2N+1)個(gè)模式，又設(shè)相鄰模式的圓頻率之差，則4.如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且為

q=0，則

4.4.1鎖模原理5.圖4-30是2N+1＝9個(gè)縱模經(jīng)鎖模后得到的有規(guī)則的脈沖示意圖。

當(dāng)時(shí)，m=0，1，2……光強(qiáng)最大圖4-30鎖模光強(qiáng)脈沖相鄰脈沖峰值間的時(shí)間間隔一個(gè)脈沖在腔內(nèi)往返，每當(dāng)次脈沖運(yùn)動到輸出鏡時(shí)，邊有一個(gè)脈沖輸出。

脈沖寬度，即脈沖峰值與第一個(gè)光強(qiáng)為零的谷值間的時(shí)間間隔2N+1個(gè)模式相干疊加結(jié)果光強(qiáng)峰值與(2N+1)2成正比，是未被鎖定前的2N+1倍。腔長越長，熒光線寬越寬，縱模數(shù)越多，脈沖峰值功率越高。4.4.2主動鎖模1.損耗內(nèi)調(diào)制鎖模

圖(4-31)鎖模調(diào)制示意圖圖(4-32)中心頻率及兩邊頻如圖(4-31)所示，在諧振腔中插入一個(gè)電光或聲光損耗調(diào)制器。設(shè)調(diào)制周期為，調(diào)制頻率

(恰為縱模頻率間隔)

只有通過調(diào)制器時(shí)損耗為零的光，才能不斷地被放大而增長起來，如此得到周期為T的窄脈沖輸出，如圖(4－30)所示。

從模式耦合的角度來說明損耗調(diào)制鎖模的原理。假設(shè)中心頻率處的模首先振蕩，其調(diào)制后的電矢量為：即在激光器中，一旦形成的振蕩，將同時(shí)激起兩個(gè)相鄰模式的振蕩，如圖（4－32）。兩個(gè)相鄰模式的振蕩又將產(chǎn)生新的邊頻振蕩，直到增益曲線內(nèi)所有可能的縱模都激發(fā)起來，相干疊加，最終形成超短脈沖輸出。4.4.2主動鎖模2.相位內(nèi)調(diào)制鎖模

如果在諧振腔中插入一個(gè)電光位相調(diào)制器，也可達(dá)到鎖模的目的。設(shè)光振幅不變，位相以頻率變化，即

位相調(diào)制后也能激起帶寬內(nèi)的所有邊頻光同步振蕩，實(shí)現(xiàn)鎖模。4.4.3被動鎖模被動鎖模裝置很簡單，只需在腔內(nèi)插入一個(gè)裝有飽和吸收染料的“盒”即可。某些縱模偶然地得到相干加強(qiáng)，出現(xiàn)光場較強(qiáng)的部分，其他部分較弱，被逐漸吸收，最終較強(qiáng)的光場以窄脈沖形式被選擇出來。

染料必須具備以下幾個(gè)條件：第一，染料的吸收線應(yīng)和激光波長很接近；第二，吸收線的線寬要大于或等于激光線寬；第三，其馳豫時(shí)間應(yīng)短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間，否則就成為被動調(diào)Q激光器了。

第五章典型激光器介紹5.1固體激光器固體激光器：絕緣晶體或玻璃摻雜金屬發(fā)光離子構(gòu)成工作物質(zhì)。常用固體工作物質(zhì)：紅寶石，釹玻璃，釹YAG。特點(diǎn)：輸出能量大（可達(dá)數(shù)萬焦耳），峰值功率高（連續(xù)輸出功率可達(dá)數(shù)千瓦，脈沖輸出可達(dá)太瓦量級），結(jié)構(gòu)緊湊。應(yīng)用：工業(yè)，國防，科研，醫(yī)療。如：打孔，焊接，劃片，測距，雷達(dá)，全息照相，激光存儲等。5.1.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)1.固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。圖5-1是長脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。

圖5-1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖紅寶石激光器的優(yōu)點(diǎn)和主要缺點(diǎn)

：優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度高，容易生長大尺寸晶體，獲得大能量的單模輸出，紅色激光適用于硅探測器進(jìn)行探測；缺點(diǎn)：閾值高，溫度效應(yīng)嚴(yán)重。5.1固體激光器紅寶石是在三氧化二鋁(A12O3)中摻入少量的氧化鉻(Cr2O3)生長成的晶體。它的吸收光譜特性主要取決于鉻離子(Cr3＋)，如圖5-2所示。它屬于三能級系統(tǒng)，相應(yīng)于圖5-3的簡化能級模型。激發(fā)態(tài)、激光上下能級。兩條熒光譜線，R1，R2。R1>R2，紅寶石激光器產(chǎn)生激光譜線均為R1線（694.3nm）。2.紅寶石激光器圖(5-2)紅寶石中鉻離子的吸收光譜圖(5-3)紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)5.1.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)3.摻釹釔鋁石榴石(Nd3＋：YAG)工作物質(zhì):將一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在單晶爐中進(jìn)行熔化結(jié)晶而成的，呈淡紫色。它的激活粒子是釹離子(Nd3＋)，其吸收光譜如圖(5-4)所示圖(5-4)Nd3＋:YAG晶體的吸收光譜圖(5-5)Nd3＋:YAG的能級結(jié)構(gòu)YAG中Nd3＋與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級結(jié)構(gòu)如圖(5-5)所示。它屬于四能級系統(tǒng)。

釹離子激光器特點(diǎn)：閾值低，熱學(xué)性質(zhì)優(yōu)良。5.1.2

固體激光器的泵浦系統(tǒng)1.

固體激光工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵(lì)。目前的泵浦光源多為工作于弧光放電狀態(tài)的惰性氣體放電燈。泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個(gè)基本條件：效率與發(fā)射波長。2.常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，因而固體工作物質(zhì)一般都加工成圓柱棒形狀，所以為了將泵浦燈發(fā)出的光能完全聚到工作物質(zhì)上，必須采用聚光腔。

3.圖(5-6)所示的橢圓柱聚光腔是小型固體激光器中最常采用的聚光腔，它的內(nèi)表面被拋光成鏡面，其橫截面是一個(gè)橢圓。

圖(5-6)橢圓柱聚光腔4.固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。

5.2氣體激光器氣體激光器：氣體或蒸汽為工作物質(zhì)。氣體原子，分子，離子能級豐富，譜線范圍寬，激光波長遍布紫外至遠(yuǎn)紅外。特點(diǎn)：光束質(zhì)量好，在工業(yè)，國防，科學(xué)研究中廣泛使用。5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器1.He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機(jī)理

圖(5-9)He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式

He-Ne激光器可以分為內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式三種，如圖(5-9)所示。

圖(5-10)與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級圖1.He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)機(jī)理

He-Ne激光器是典型的四能級系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條

:3S

2P0.6328

2S

2P1.15

3S

3P3.39

5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器圖(5-10)是與產(chǎn)生激光有關(guān)的Ne原子的部分能級圖，Ne原子的激光上能級是3S和2S能級，激光下能級是3P和2P能級。

2.He-Ne激光器的輸出特性

(1)譜線競爭:

He-Ne激光器三條強(qiáng)的激光譜線(0.6328

m，1.15

m，3.39

m)中哪一條譜線起振完全取決于諧振腔介質(zhì)膜反射鏡的波長選擇。見圖(5-10)

(2)輸出功率特性

:

He-Ne激光器的放電電流對輸出功率影響很大。圖(5-11)是實(shí)驗(yàn)測得的輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線

圖(5-11)輸出功率與放電電流的關(guān)系曲線在最佳充氣條件下，使輸出功率最大的放電電流叫最佳放電電流

He-Ne激光器存在著最佳混合比和最佳充氣總壓強(qiáng)，即存在最佳充氣條件。

若放電毛細(xì)管的直徑為d，充氣壓強(qiáng)為p，則存在一個(gè)使輸出功率最大的最佳pd值。在最佳放電條件下，工作物質(zhì)的增益系數(shù)和毛細(xì)管直徑d成反比。

5.2.1氦-氖(He-Ne)激光器He-Ne激光器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，光束質(zhì)量好，制造工藝簡單。1.CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程

圖(5-12)封離式CO2激光器結(jié)構(gòu)示意圖5.2.2二氧化碳激光器圖(5-12)是一種典型的結(jié)構(gòu)示意圖。構(gòu)成CO2激光器諧振腔的兩個(gè)反射鏡放置在可供調(diào)節(jié)的腔片架上，最簡單的方法是將反射鏡直接貼在放電管的兩端。

1.CO2激光器的結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程

5.2.2二氧化碳激光器CO2激光器中與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖如圖(5-13)所示。

圖(5-13)與產(chǎn)生激光有關(guān)的CO2分子能級圖1.CO2激光器的輸出特性5.2.2二氧化碳激光器相應(yīng)于CO2激光器的輸出功率，其放電電流有一個(gè)最佳值。CO2激光器的最佳放電電流與放電管的直徑，管內(nèi)總氣壓，以及氣體混合比有關(guān)。

(1)放電特性

CO2激光器的轉(zhuǎn)換效率是很高的，但最高也不會超過40％，這就是說，將有60％以上的能量轉(zhuǎn)換為氣體的熱能，使溫度升高。而氣體溫