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激光原理 II激光器的工作和输出特性,激光器的工作和输出特性,由于激活腔内光强分布不均匀，精确计算腔内各点光强是个复杂的问题。本节由增益饱和效应出发估算稳态工作时的腔内平均光强，并在此基础上给出粗略估算输出功率的方法。,连续激光器的输出功率,按照工作方式不同，激光器分为两类:连续激光器、脉冲激光器。以不间断方式输出激光即为连续式，每间隔一段时间才输出一次即为脉冲式,本章的内容：一、连续激光器的输出功率、振荡模式特性和模式选择二、脉冲激光器的尖峰和驰豫振荡、调Q和锁模的基本原理,激光器的工作和输出特性,如果腔内某一振荡模式的频率为nq，开始时，G(nq,Inq)Gt，腔内光强Inqh。当Inq增至一定值时，出现增益饱和效应，随Iqh，G(nq,Inq)i，直到降至G(nq,Inq)=Gt，增益和损耗达到平衡，Iq不再增加。这时，激光器建立了稳定工作状态。,连续激光器的输出功率,但是，不管激发强或弱，稳态工作时激光器的信号增益系数总是等于Gt！,当外界激发作用增强时，小信号增益系数G0(n)增大，即饱和光强增大，此时Inq必须增加到一个更大的值才能出现增益饱和效应，使G(nq,Inq)降低到Gt并建立起稳定工作状态，因此激光器的输出功率增加。,激光器的稳定输出状态是如何建立起来的?,如何增大激光器的输出功率?,激光器的工作和输出特性,均匀加宽单模激光器的输出功率,均匀加宽放大器的增益系数为：,腔内均匀加宽介质中建立起的稳态光强为：,从激光器中输出的激光束光强为：,激光器的工作和输出特性,均匀加宽单模激光器的输出功率,从激光器中输出的激光束功率为：A是输出截面积,激光器的激光输出功率与泵浦速率的关系：,激光器的工作和输出特性,非均匀加宽单模激光器的输出功率,非均匀加宽单模激光器的输出功率为：,多普勒加宽放大器的增益双烧孔效应：,腔内非均匀加宽介质中建立起的稳态光强为：,Inq分别与运动方向相反的两组原子相互作用，引起增益饱和，出现“双烧孔”。,激光器的工作和输出特性,多普勒加宽单模激光器的输出功率兰姆凹陷,当振荡模频率nqn0时,I+和I-与同一类原子相互作用，同时参与了该类原子的增益饱和，对增益饱和起作用的光强In0 I+I-=2I+。,当振荡模频率nqn0时,I+和I-两束光在增益曲线上分别烧两个孔，对每一个孔起饱和作用的分别是I+或I-，对增益饱和起作用的光强Inq I+。,激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择,激光器的纵模频谱分布,激光器的可能起振的振荡纵模数：,振荡阈值条件决定振荡频率范围Dnos,谐振腔的纵模频率：,增益曲线决定被放大光的频率范围Dn,激光器的工作和输出特性,激光器中的模竞争,激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择,增益曲线均匀饱和引起的自选模作用：多个满足阈值条件的纵模在振荡过程中互相竞争,结果总是靠近中心频率v0的一个纵模得胜,形成稳定振荡,其他纵模都被抑。,激光器的工作和输出特性,均匀加宽激光器中的模竞争,激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择,增益的空间烧孔效应：由于谐振腔内的驻波场分布，使得增益系数沿轴向呈现出不均匀分布。,若存在另一非优势纵模，其腔内光强波腹分布与优势模的波节重合，而获得较高的增益,从而形成较弱的振荡。由于轴向空间烧孔效应,不同纵模可以使用不同空间的激活粒子而同时产生振荡,这一现象叫做纵模的空间竞争。,激光器的工作和输出特性,激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择,激光器的模式选择,模式选择的目的：减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。,横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。不同的横模，光场分布不同，光束的发散角不同。基横模光强是高斯形，光场分布均匀，发散角最小。随着横模序数的增加，光场的范围加大，分布不均匀，发散角越来越大。一般激光器中有很多模式振荡，实际的光场分布是复合模。为了改善激光的方向性，必须选出基横模。,模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。,纵模：沿腔轴线方向电磁场的本征态。纵模数表示激光振荡频率数，纵模数多，单色性差。单一纵模单色性最好。,激光器的工作和输出特性,激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择,横模选择,选模原理：采取一定的办法加大基模和高阶横模衍射损耗的差别，使高阶横模的损耗大于增益不能振荡，而基模满足阈值条件，保存下来，达到选出基横模的目的。,横模选择方法：,1.在谐振腔内加置限模光阑：,小孔光栏法,聚焦光栏法,激光器的工作和输出特性,激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择,横模选择,横模选择方法：,3.腔参数选择法：利用衍射损耗来进行选模,2.腔镜微倾斜：偏折损耗和透射损耗之比大则高阶模的损耗大，对选模有利。,激光器的工作和输出特性,激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择,纵模选择技术,短腔法选纵模 原理:利用减少腔长的办法增加纵模频率间隔当DnqDnos 时，实现单模振荡。,特点：结构简单，无插入损耗，只需缩短腔长即可实现单模。输出功率减小，L小，工作物质尺寸小，模体积小，输出功率小。只适用于增益介质线宽Dng窄的气体激光器中。,激光器的工作和输出特性,激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择,纵模选择技术-法布里珀罗标准具选纵模,F-P透射带宽:,选模原理：实现单一纵模的条件,a.标准具只有一个透射峰落在介质的增益线宽之内Dnm0.5Dnos b.标准具一个透射峰内只包含一个纵模，Dnq 0.5dn,激光器的工作和输出特性,激光器的工作和输出特性激光器的振荡模式和模式选择,纵模选择技术-复合腔选纵模,利用干涉仪的反射特性进行选模,干涉仪既作选模又作激光器输出镜。干涉仪的反射率是频率的函数，不同频率的光反射率不同。,激光器的工作和输出特性,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,1.腔外调制：光开关或调制器置于连续激光器输出端，使光在短时间间隔内通过；效率低、脉冲光的峰值功率低于连续激光器本身的稳定值2.腔内调制：光开关或调制器置于激光器腔内，调节能量的存储与输出，能够获得 极高的峰值功率。,脉冲激光器,脉冲激光器可以获得窄脉宽、高峰值功率的激光束。,锁模：将同时振荡的多个纵模相互间实现相位锁定并相互耦合,四种腔内调制脉冲激光器：,增益开关：通过开关泵浦源控制增益,Q开关：腔内放置被调制的吸收体来控制腔内损耗，能量存储在反转原子中,腔倒空：通过改变输出镜透射率控制腔内损耗，能量存储在腔内,获得脉冲激光束的方法：,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,一个短脉冲的生成过程可以分成四个阶段。如图所示:,激光尖峰形成的物理过程,t=t4,Dn(t)的消耗速率与累积速率平衡，达到极小值,t=t1，激光开始产生,tt1,累积腔内光子数,t=t2,Dn(t)的累积速率与消耗速率平衡，达到极大值,tt2,增益饱和，Dn(t)i,t=t3,腔内光子数达到极大值,tt3,腔内光子数纯消耗，急剧减少,tt4,光子数逐渐消耗至最小，反转粒子数开始累积,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,调Q激光器的工作原理分析,调Q原理：泵浦开始时，增大损耗，使振荡难以形成，从而使上能级的反转粒子数密度增大，当积累达到最大值时，突然使谐振腔损耗变小，于是Q值突增，在腔内以极快的速度建立极强的振荡，输出极强的激光脉冲，称为激光巨脉冲或调Q脉冲。,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,调Q技术的过程,a.激活介质贮能 满足条件Gld。由于d很大,振荡阈值很高，不能产生激光振荡能量贮存在激活介质,b.激活介质谐振腔组合贮能先使反转粒子数达到最大值，但满足Gmaxld，产生激光振荡，能量以光子的形式贮存在腔内。,条件：Gld,d减小到dmin,因为增益最大，所以dmin小时，激光迅速建立，在极短的时间内，工作物质贮能通过光子的受激辐射过程释放出来，形成巨脉冲。,能量贮存过程,激光产生与输出过程,调Q的过程：调节d，相当于Q是一个门，关上门，Q低贮能，打开门产生激光。,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,实现调Q的方法电光调,反射式Q开关原理：利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，改变Q值。,第一阶段:在晶体上加Vl/2,偏振光通过KDP晶体后振动方向旋转90度，不能通过P，称为“关门”状态。,P1/P2,第二阶段：在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值时，突然退去晶体上的电压，光在腔内形成振荡。,由于激光的形成和输出同时进行，因此脉冲宽度的压缩受了限制。,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,实现调Q的方法电光调,透射式Q开关,当工作物质储能达到最大值时，在晶体上加Vl/2，输出端无透射，光振荡迅速形成,KDP晶体上不加电压，输出端无反射，反转粒子数累积,撤去晶体上所加电压，光能瞬间输出。,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,实现调Q的方法声光调,晶体的声光原理：声光介质在超声波的作用下，折射率发生周期性的变化，使介质变成正弦相位光栅，当光束通过声光介质时会产生布喇格衍射，衍射光相对于级光有q角的偏离。,声光调Q原理,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,Q开关激光器一般脉宽达10-8s-10-9s量级短脉冲,锁模技术一般脉宽达10-12s-10-13s量级超短脉冲,想要更短的脉冲,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,多模激光器的输出特性,各振荡模的振幅和相位无规则分布,输出的光强是各个纵模无规叠加,总光强的平均值是各纵模光强之和的1/2。,Eq-中心频率处的振幅大，远离中心频率处的振幅小，且它们之间变化无规律。fq-各模的初相位，在-p到p之间分布。对于不同的时间，每个模的振幅和相位也有变化，fq随时间漂移。,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,锁模原理,锁模:使各相邻模之间的相位固定，使各模变成时间相干波。,各纵模频率间隔相等并固定Dnq=c/2L各模振动方向或方式相同-激光器的固有性质设法使各模之间的相差固定fq+1-fq=常数,多纵模锁定后的激光输出：,定义中心频率的纵模q0，在腔内参与振荡的模式个数共2N1个,各模间隔相同，锁模后有fq+1-fqb,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,设各纵模的振幅相等，则激光器输出的总光波场是2N1个纵模相干迭加的结果：,多纵模锁定后的激光输出：,(a)2N+1个模式经过锁定以后，总的光波场变为频率为w0的单色调幅波，振幅A(t)是随时间变化的周期函数，即总光波场受到振幅调制。,(b)光强I(t)正比于A(t)2,是时间的函数，光强受到调制。,(c)光脉冲包括2N+1个纵模。,锁模输出的光强,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,锁模输出的光强,A(t)的变化规律:只要得到A(t)的周期、极值、零点。,变化周期为T=2L/c，在一个周期内有2N个零点和2N+1个极值点,2N-2个介于Amax与Amin之间的次极大值。,t=0 和t=2L/c时，Amax=(2N+1)E0,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,锁模激光器的输出特性,激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。2L/c 光在腔内往返一次的时间,相当于在腔内只有一个脉冲在振荡,每个脉冲宽度近似等于振荡线宽的倒数，增益线宽越宽，锁模脉宽越窄。被锁定的纵模数越多2N1t,脉冲的峰值功率 输出脉冲的峰值功率P正比于(2N+1)2E02,在锁模过程中，各模之间发生功率耦合，不再独立。锁模的结果是输出序列的脉冲，脉宽窄，峰值功率高，脉冲的能量是所有相位固定的纵模提供的.,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,纵模锁定的方法主要有主动锁模，被动锁模，自锁模,锁模的方法,主动锁模：在激光腔内插入一个调制器，用一定的调制频率周期性地改变谐振腔内振荡模的振幅或相位。当调制器的调制频率精确地等于纵模间隔时，对各个模的调制会产生边频，其频率与两个相邻纵模的频率一致。,以声光调制器的振幅调制锁模为例：,设调制信号：,损耗变化的频率为调制信号频率的两倍,调制器的透过率：,假定调制前腔内光场,通过调制器后的光场变为,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,锁模的方法,中心频率调制的结果是使与它相邻的两个纵模振荡。,锁模的关键，必须使腔内损耗的变化频率和腔内纵模频率间隔相等。,调制频率W等于激光振荡纵模的频率间隔,调制的过程继续下去，直到在激光线宽内所有纵模振荡为止。这些模式的相位相同符合锁模条件。,激光器的工作和输出特性脉冲激光器的特性,锁模的方法,锁模的关键，必须使腔内损耗的变化频率和腔内纵模频率间隔相等。,激光器的分类,按工作物质分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子激光器。,按运转方式分类：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、稳频激光器、可调谐激光器、单模激光器、多模激光器、锁模激光器、Q开关激光器。,按激光波长分类：红外光激光器、可见光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器、X射线激光器、g射线激光器。,按泵浦方式分类：电激励激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、光参量激光器、热能激励激光器、化学激光器、拉曼自旋反转激光器。,按谐振腔结构分类：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器、折叠腔激光器、光栅腔激光器、光纤激光器、波导激光器、分布反馈激光器。,He-Ne激光器（1960年）,工作物质：He原子和Ne原子(5:1)混合组成的中性原子气体,He原子与电子碰撞，形成激发态原子He*由于He He*原子间无法形成光辐射跃迁，所以He*处于亚稳态，不断累积能量。激发态He*原子与基态Ne原子碰撞，将能量转移给Ne原子形成激发态Ne*原子。Ne*原子形成粒子布居反转。1s22s22p55s1 2p53p1，输出激光 632.8nm,气体激光器,工作原理（632.8nm谱线）：,2p55s1、2p54s1含有4个子能级，2p54p1、2p53p1含有10个子能级，辐射谱线有一定带宽，He-Ne激光器的输出谱线：632.8nm，1.15um，3.39um,工作原理：,a.电子碰撞直接激发,b.激发态He原子的能量共振转移,b过程的激发速率是a过程80倍,从2p53s1 态无法通过光辐射形式回到原子基态，只能通过与管壁碰撞来放出能量回到基态，所以要求放电管很细，一般是毛细管。,主要特点：光束质量好，发散角可小于1mrad；单色性好，带宽可小于20Hz；输出功率和频率稳定度高；结构简单紧凑。,He-Ne激光器,气体激光器,光纤放大器Erbium Doped Fiber Amplifier(EDFA),Er3+（铒离子）注入光纤纤芯区域，其工作波段恰好落在光纤通信的最佳波长区（.mm）,固体激光器,光纤放大器Erbium Doped Fiber Amplifier(EDFA),EDFA的工作原理,