激光原理与技术.docx

激光原理与技术目录1.激光技术2?激光器模式2?实际应用的需求2?选横模要遵循两条原则3?影响衍射损耗的因素3?横模选择方法5?例题6?元件选模法6?小孔光栏法6?聚焦光栏法：透镜+小孔光栏7?准介稳腔选模8?提高仅措施9?非稳腔选模9?其他选模方法10?可饱和染料选模10?棱镜选模10?纵模选择技术10?色散腔粗选频率10?棱镜11?光栅11?短腔法选纵模12?法布里-珀罗准具选纵模13?选模原理14?行波腔选纵模（适用于加宽工作物质）15?可饱和染料选纵模17?纵模测量19?稳频技术20?当兰姆凹陷稳频系统工作原理21?调幅波的频谱分析26?频率和相位调制28?脉冲调制29?编码调制29?电光调制物理基础：晶体电光效应31?电光强度调制原理31?晶体运用方式32?声光调制物理基础32?调Q技术34?总结6127.激光器技术之选模、稳频、品质调整及锁模64?选模64?稳频65?品质调整（调Q）65?锁模661 .激光技术1 .改善激光器输出光时间相干性或空间相干性2 .获得窄脉冲高峰值功率的激光束选模目的：减少激光模式数，改善方向性，提高单色性激光器模式模式：在腔内可能存在稳定光场的本征态模式纵模：沿腔轴线方向电磁场本征态横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态改善激光方向性提高单色性原因?.实际应用的需求激光打孔：需要激光发散角小，利用激光经过打孔聚焦到物体上，使物体烧出孔来，光斑尺寸越小,功率密度越高，易于打孔激光全息，精密干涉计量需求激光单色性好，提高激光相干长度,横模选择理论基本原理：不同横模衍射损耗不同两条原则：腔的总损耗是：=d+i激光振荡条件使G>即G>d+i?.选横模要遵循两条原则影响衍射损耗的因素衍射损耗大小是选横模的关键衍射损耗与哪些因素有关1.与腔型，g参数有关，不同腔型，衍射损耗不同稳定腔：阴影区，8,最小，中心区域最小远离中心衍射损耗变大准稳腔：g=0两轴，glg2=l两双曲线非稳腔：其余区域，8d最大?.影响衍射损耗的因素衍射损耗大小是选横模的关键，衍射算好与咖些因素有关与腔型，g参数有关不同腔型，衍射损耗不同广场在谐振腔中每次返回遵循菲涅尔基尔霍夫衍射积分方程f(x)=(1.,4)E(x,y)dsE(x,y)本征函数，光场在腔镜上的稳态振幅分布K(1.,R)本征方程的核函数，与腔参数有关y的本征值，横模振幅单程相对变化与模序数有关，同一个腔型不同横模，衍射损耗不同与菲涅尔数有关，同一个腔型不同N,衍射损耗不同基膜体积模体积:表示某一个模式在腔内所扩展的有一个模式日记大小表示了对输出功率大小基膜体积与腔型有关增大腔镜的曲率半径，基膜体积增大基模光束半径变化:疗(Z)(z+)=1-双曲线束腰半径:(Rl+R2-21.2对称腔图斯光束回)=AT/T模体积T;Rf8,即平行平面腔，模体积最大。(2)R一定时,1.有最佳值，1.=K时(共焦腔)模体积最大T121可证明，共焦腔匕O=U=1.A加大=1.加党22其中Qs=巨-腔镜上光斑半径，A=/=等V1111在选模中不但选出单一基膜，而且应尽可能选择腔型，增大体积.输出功率增大?.横模选择方法稳定腔的选模腔参数g,N选择法，利用衍射损耗来进行选模理论基础：前面选模过程)理论基础：前面讨论的小N和汨0、九的关系。在设计激光器时，通过选择不同g、N达到选模目的。选模过程：a,先画出缶O和九的曲线，由此查出不同g、N时，丸和质的大小。b.画出凸oo和N的曲线。a.在g一定时见而Aot这说明/比40减小地慢。b.在N一定时，gT0T而九。O1.这说明/比»增加地慢。工说明：在Mg变化时.小比砺的变化小。在N,g变化时，80比600变化小方法选尺寸选尺寸N大一九/匹）大,但不能太大使正0小九小选腔型g大一正O大加大,但不能太大使九/九小?.1.例题?.元件选模法?.1.小孔光栏法在谐振腔中加一个小孔光栏原理：在稳定腔中，高阶模体积（模斑大）基膜横模小，加入小孔光栏目的是增大510,600虽也增大，但增加的少，结果810/600增大，从而使TEMlO模的损耗大于增益，不能振荡，而TEMOO模的损耗小于增益，能振荡可选择小孔光栏孔径外和基模光斑尺寸大致相等，使的o/厢最大。z1/2对称腔：0(z)=6>(z)=¾1+方形共焦腔：O（Z）=1+1+其中/=2焦距，=11府镜面上光斑半径（基模），睢=ETTTGOS等相位面曲率半径：（z）=/（+£=%+J一般稳定球面腔：&=一-1+Zl>R1=其中.-一）5一（丁飞）+（八&），-1.(RI-1.)山一（人居）+"Aj1.(R必生山区+&7(KI)+(>_&)注意：光栏在不同的位置，选模效果不同，应该放到高斯光束的束腰处，小孔孔径越小，越有利于选单横模，基膜体积减少，输出功率降低，同时由于衍射增大光束的发散角，在保证选出单横模，尽量增大小孔孔径，使输出功率增大结构简单，调整方便，大部分固体激光器采用?.2.聚焦光栏法：透镜+小孔光栏原理：为了克服小孔光栏的缺点，在腔汇总加入聚焦透镜，在焦点处放了一个小孔光栏，基膜聚焦后光斑小，高阶模光斑大，损耗大，抑制了高阶模，只有平行光束经过聚焦后才能通过小孔往返振荡平行平面腔平凹腔（M2变凹面镜）缺点：2个透镜，增加损耗且调1个透镜；还可不加透镜将工作整困难物质一端面加工成凸面使激活介质能量充分利用，介质各处基膜光束能够在腔内振荡改进：正+负透镜=望远镜对光栏材料要求有所降低长腔法增加腔长（适当），能改善激光模式因为N=M（1.）,对一些高阶模有抑制作用。元件选模法，长腔法，小孔光栏法，适用于稳定腔，一般在N较小，a较小，此时衍射效应比较明显，光束衍射损耗比较大，损耗以衍射损耗为主，这样利用改变各膜的衍射损耗办法，可以选出基膜横模般介稳腔和非稳腔中利用光束偏折损耗进行选模?.准介稳腔选模以平行平面腔为例：R,=R2=00gl=g2=lglg2=l介稳腔原理：TEMOO模的光束沿轴向传播，无偏折损耗，只有透射损耗，而TEMIO以上的模偏离轴向传播，有偏折损耗和透射损耗设光束与腔轴夹角是仇则光束往返一次偏折量I1.tg21.11.1.laa设腔镜直径是2a,光往返一次能量损耗率是ITEMoO模无偏振损耗，其往返一次的能量损耗率：b00=7+5,Tjx5分别为«、&的透过率ITEMol模往返一次的能量损耗率：%=（+式+”相对损耗Aj=逛二匣=_1_"-偏折损耗/透射损耗%1+Q越大偏折损耗越大，高阶模损耗越大，对选模越有利，越大越好?.1.提高At措施a. M和TT域反比，使'+AJajT,增加了偏折损耗在总损耗中占的比例作用。b. 和6成正比，,但。是高阶模本身的特性来决定，人为不能改变，mn.c. 和/./成正比，1.a,可以1.T和J（或在腔内插入小孔光栏），实际上是减小菲涅尔数N。在平平腔中利用和。T，提高通方法进行选模。基膜体积比稳定腔大，输出功率高?.非稳腔选模原理非稳腔是指满足glg2<0或glg2>l的谐振腔，在这种腔中任何傍轴光线经过有限次住返传播后必将逸出腔外，即所有模都有偏折损耗，但TEMo模的损耗最小。分析因为非稳腔N大，衍射损耗小可以忽略，主要表现横向逸出腔外，利用共飘象点发出自再现球面波在腔内来回反射，横向尺寸不断扩大，即求出光束半径往返一次扩大倍数-非稳腔放大率特点各个模损耗差异大（M越大差别越大），选模能力强，l大500大且l大很容易抑制高阶模的振荡，选出单一基横模基膜体积大，近似均匀分布，输出功率能量大非稳腔一般适用于高增益，大尺寸的激光器其他选模方法画可饱和染料选模原理：在腔中放入有机染料，利用它的可饱和吸收特性选模TEMoO模功率密度高，染料易于饱和,损耗小，能振荡。高阶模功率密度低，染料不能饱和，损耗大，不能振荡国棱镜选模原理临界角附近光束的反射率随入射角的变化而迅速变化，可以将棱镜如此放置：使之对轴向附近很窄范围（1'）内的光线有高的反射率，偏离此范围反射率迅速下降，从而可以滤去高阶横模（其发散角大）而选出基横模。画纵模选择技术选单纵模，选出单一频率，单频振荡单色性好采用横模选择方法选出基膜后，在此基础上采用一定的纵模选择方法可以实现单频振荡色散腔粗选频率激光介质谱不止一条，选支：从多条谱线中选出一条谱线叫选支窄带介质膜反射镜选支选出一条谱线，但反射镜带宽最窄100A左右利用色散腔法选支，谱线宽度可以达到10A,很窄，但非单一频率原理：在腔中加入一色散元件（棱镜，光栅），使不同波长光发生分离，其中只有较窄波长范围广振荡，其他波长光偏离腔外画棱镜原理腔中放色散棱镜，使光的出射角，和入射角相等的光在腔内损耗最小，能够振荡。偏离的光损耗加大。如果偏离太多，由于损耗太大不能振荡。只有在，附近的光才能振荡。能够振荡光在附近有一角度范围日。光通过棱镜时，不同的光出射角不同，则损耗不同，只有一定波长范围入内的光，在必附近角度范围内能振荡一选支。Zu的计算（简单的方法）折射率出射光相对入射光的偏角-最小偏向角sinsina2-7=Bsinsin22=>Zr(p-2arcsin11sinI2棱镜顶角一夕Y，称为材料的角色散率。(U折射率的波长变化率（材料色散）。若6=Imrad,对玻璃材料棱镜来说UlX0常用于氮离子激光器。画光栅原理：闪耀光栅方程：2dsina0=m入d是光栅常数，a是闪耀角（光栅平面的法线NO与每条缝的平面法线N2之间的夹角只有满足上式的光才能在腔中振荡，偏离a光损耗增大，偏离的多，。光不能振荡，光沿槽法线方向入射，出射光沿此方向光栅角色散率：O=华=等包<12选出的波长范围：2=上=一夕D2。为腔内容许的偏离角。若4=30°、外1毫弧度，A4几AzS比棱镜高得多。色散腔粗选法特点，只能选出具有一定宽度的谱线，不能选出单一的频率短腔法选纵模原理：利用减少的腔长增加纵模频率间隔当AvqMvg时，实现单模振荡。激光器的纵模间隔：M=募结构简单无插入损耗，只需要缩短腔长即可实现单纵模例子例：HeNe激光器：Ne的AVg=1.5x109HZ当1.=IIn时,A%=1.5xl8Hz,在腔内有10个模振荡。当1.=O.1m时=15x1()9Hz,AVQ=NVg实现单模运转。一般He-Ne激光器，在小尺寸时都是单模运转。例：YAG激光器：A=2xlO11Hz当上=0.4mm时，实现单模运转。这样短的激光器，无法加工，不会产生激光，无实用价值。短腔法实际上是利用减少输出功率实现选模的，如果既不减少输出功率又选纵模，通常采用在腔内加入一元件一此元件相当于短腔。人短腔法实际上是利用减少输出功率实现选模的，如果既不减少输出功率又选模，通常采用在腔内加入一元件-这个元件相当于短腔法布里珀罗准具选纵模F-P：标准具有由一堆一定反射率平行板构成，由于光束在平板间多次反射，形成多光束干涉，结果使标准具的透过率和反射率均是频率的周期函数TV)=1X1+sin2mlcos1+sin21%)S其中。=cos。-相邻先方位相差、-折射率-厚度，。-折射角。-yJ称为精细度系数，与精细度的关系：5=（l-/?y2I-R精细度与标准具透射峰的锐度有关，S越大，越细锐。反射率K越高,S越大，A=I时，So当忽略标准具损耗，反射光，透射光是互补的Ir+It=Ii当=号dcos。=2k11时，（丸）=1,透射极大值=乙峰值透射频率：vk=-7A=。,±1,i2,2ndcos峰值频率间隔（自由光谱区）：A=新除最大透过率外，其他频率处的透过率与K有关一透过率曲线图5.3-5F-P标准具的透过率特点:>透射峰频率间隔相等>R越大，峰越细锐选模原理原理通过适当选择标准具d和R,透射峰值频率间隔AVm与激光器的荧光线宽相当，从而使得在有效增益线宽内，只能通过一个纵模，而其余纵模均被标准具滤掉，从而达到选取单纵模目的实现单纵模两个条件标准具是一个最大透过率频宽落在介质增益线宽Ag之内,b.最大透过率的谱宽（标准具的带宽）A女A%要求Ai7越小越好V=,NVT=-1.jdTvr,【旦"Ta匕nJ7In1.T211nd尿m此条件要靠改变反射率火来实现。气体激光器增益线宽较窄，一个标准具即可固体激光器增益线宽较宽，1.大使纵模间隔小，精细度受工艺限制，需要双标准器选模所以实现单纵模的条件是： %要求"小匕大 %WA匕，小a.入射角（标准具倾角）0要适当。0=0易产生寄生振荡，太大，则反射损耗等插入损耗大，均对选模不利。一般取1。、2°.b.改变腔长，使选出的频率为激光器的中心频率V。这样可使选模条件降低为AVm>AVg2和Vt<Vq,而且V的增益最大，输出功率最大。4.特点输出功率比较大，因为没有改变1.,对激光器输出功率影响不大通过改变标准具参数d,R,Vg,AVq不同激光器都可以使用，因此适用于各类激光器选模行波腔选纵模（适用于加宽工作物质）原理：理论上均匀加宽工作物质激光器可以自发实现单纵模振荡。但若腔内是驻波场，空间烧孔效应（空间非均匀效应）造成腔内光强不均匀一反转粒子不均匀一增益不均匀，破坏了模式的竞争，产生多模振荡。如果采用行波腔，只允许光束在腔内单方向通过，因此消除了光束在腔内形成的驻波场，消除了空间非均匀效应，模式的竞争的结果可自发实现单纵模振荡。激光晶体图5.3-10环形行波腔激光器示意图复合腔选模a.要求A/Nd小b.反射带宽和透射带宽互补。要求以A%,满足两条件，可选出单纵模，但在R很小时，反射带宽还是比较大，这种结构选模效果差，光损耗大，选出的模功率小复合腔复合腔选纵模示意图腔内光束必须同时满足多个标准具的选频条件，达到选模的目的可饱和染料选纵模原理：因为染料吸收率是光频率的函数，有些频率光由于强烈的吸收而损耗大，不能振荡，相当于窄带滤光片是否选出单纵模，决定于反射率极大值之间频率间隔和极大值的频谱宽度。注意的问题光泵要均匀固体工作物质光学均匀性好腔镜调整光学表面清洁动态比静态困难破坏问题1 .光泵要均匀：使和温度分布均匀，否则，影响各模式增益，不易得到单一模式。2 .固体工作物质的光学均匀性好：影响线宽，也影响小丽和模式。3 .腔镜调整：尽量对称，使轴线重合，否则模式畸变，影响损耗。4 .光学表面清洁：影响模式的选择，如光束中心的尘埃颗粒或破坏斑，将阻碍TEMOO模的振荡，因此可能引起TEMOI模的产生。5 .动态比静态困难：特别是加上Q开关或倍频器件以及热应力引起的双折射效应，使光路畸变，并引入额外的损耗。6 .破坏问题：TEMOO模的功率密度比多模的高，因此易于使腔内某些元件破坏。另外还有插入损耗等。人横模测量直接测量直接观测：因为不同横模广场分布不同，因此对于可见光的激光器，可以在光路上放一光屏，直接观测光斑花样，根据花样的形状来粗略的判定什么模式，不可见激光器，可通过烧蚀法，上转换材料等方法奸恶及观察照相照相：照出光斑花样的照片，然后到黑密度计上扫描得一曲线，根据曲线的形状判定什么模式。（适合连续、脉冲激光器）观测远场图观测远场图：对于脉冲激光器，时间短，无法直接进行观察，利用在相纸上打点的办法，观察远场图，判定模式。采用摄像管或电荷耦合器件来测量采用摄像管或电荷耦合器件（CCD）来测量：目前广泛应用的方法，能测出光斑大小及发散角的大小。光电扫描法把输出激光光强的x、y方向上逐点扫描在示波器上显示出来，或用函数记录仪把光强的分布直接接收下来画出曲线，根据曲线的形状，判定模式。适用于连续激光器的横模测量。因为一般激光模式频率间隔较小，采用普通的分光光度计和光谱分析法辨别不出激光的频率，只有采用扫描干涉仪测量（稍后详述）。纵模测量分光计测频谱用狭缝分光计(衍射光栅或棱镜)，或者干涉分光计，能大致观察到振荡光谱，分辨率W公10。有局限性，要求纵模频率间隔大。扫描干涉仪分辨率可达2.5x109。可用于连续的激光器，主要测纵模，也可以判定横模扫描干涉仪主要由一个无源腔构成，腔的频率匕呷=三+-(H+11+l)cS1.1.1.71国内多采用共焦腔，R=1.->g=g2=0,所以C.V=>41.=S41.工作原理在无源腔的一个反射镜加上一个压电陶瓷，利用示波器上锯齿波点压控制压电陶瓷，则无源腔的腔长做周期性的变化-无源腔频率做周期性的扫描，当待测光束通过无源腔时，满足无源腔的谐振频率的激光通过无源腔，在示波器显示出来，只要待测光束频率都在无源腔扫描周期范围内，则激光的模式都可以在示波器上显示出来测纵模加小孔选出TEMOO模，当1.变VOOq变，激光在频率在示波器扫描存在高阶横模，频率间隔不同，在示波器上量处间隔，计算出m图像清晰F-P照相法根据干涉条纹来判定激光模式根据FP标准具的透射特性:T(4)=l1÷Fsin2不但能测定模式数，而且可以测出激光谱宽适用于连续脉冲激光器稳频技术频率稳定性频率稳定度和复现性稳定度：激光器连续工作期间其频率改变量V，在振荡频率V中所占的比例V复现性;同一台激光器在不同时间地点，环境下使用时,频率偏差v”在振荡频率V中所占比例"v影响频率稳定因素腔长1.：环境温度起伏，激光管发热，机械振动折射率n：环境温度变化，大气气压，温度变化Nn1.频率漂移量：NV=-V(+)1n1.激光频率稳定问题，归结为保持腔长的折射率稳定问题稳频方法选取一个稳定参考标准频率把原子谱线中心频率作为标准频率，兰姆凹陷法被动稳频技术，利用兰姆凹陷稳频Q)e)附近频率微笑变化会引起输出功率显著变化兰姆凹陷稳频系统组成压电陶瓷可以根据加在其上电压做线性伸缩，通过加在陶瓷上电压来控制腔长当兰姆凹陷稳频系统工作原理以中心频率V。作为参考标准，当激光振荡频率偏离V。时，输出一误差信号，通过同服系统鉴别出频率偏离的大小和方向，输出一直流电压调节压电陶瓷的伸缩来控制腔长，从而将激光振荡频率自动地锁定在兰姆凹陷中心处。塞曼稳频正常：一个发光原子系统置于磁场时，原子谱线在磁场作用下发生分裂Vq=%左旋光强=右旋光强V(I<vll左旋光强<右旋光强V1>V0左旋光强>右旋光强测出圆偏振光功率差值，作为鉴频误差信号，再通过伺服控制系统控制激光器腔长塞曼稳频系统组成测出两圆偏振光输出功率之差值，以此作为鉴频误差信号，再通过伺服控制系统控制激光器饱和吸收稳频低气压气体吸收峰很稳定，频率复现性好激光调制技术调制目的举例：手机通信I信息:摄像头'电信号丝f高频载波-电磁波目的：将低频信号加载高频载波以上以利于信息传输调制定义：调制信号去改变载波某一参数，使其按调制信号规律变化的过程调制信号：需要传递信息转化电信号载波：信息载体某一参数：载波有许多参数，调制过程只能改变一个参数按调制信号规律变化：激光调制激光调制：利用激光作为载波调制激光具有很高的频率(10131015Hz),因此可供利用的频带很宽，是一种传递信息的理想载体。调制器要用激光来实现通信，就必须把信息加载到激光上，完成这一个过程装置称为调制器激光调制分类按调制器与激光器相对关系分类内调制：在激光形成过程，以调制信号改变激光振荡的某一个参数，调制信号控制着激光形成，用调制信号控制激光器的泵浦电流。如光通信中1.D的调制-直接调制A在谐振腔内放置调制器。100%50%/激光优点：调制器需要激励功率小，调制效率高。缺点：有附加损耗，降低输出功率；调制器带宽受谐振腔通带的限制。外调制激光调制：利用调制信号去改变激光的某二叁数，使其按调制信号规律变化的过程。脉冲调制如果以脉冲激光作为载波幅度、脉宽、重复频率、位置脉冲编码调制振幅调制：以调制信号改变激光的振幅，使其按调制信号规律变化的过程调制前：(')=cos(g+o.)注:C-Carrier(载波)I调制后：e(r)=()cos(÷f)调制后的振幅："(')=+拓，。)注：4(。调制信号，即要传递的信息;K比例系数，调制灵敏度假设：(')=4wc°Kc)1：n-modulate(调制)调制后的电场：Ct)=(+KAtncos(rowr)cos(r÷)调幅系数调制后的振幅：/1(0=1+K(，)=1+K)CZG/)最大振幅：4nax=K÷kK最小振幅：4加=1.K1.振幅最大变化量：a4=4j1i-=瓦(为了表征调制前后激光振幅变化程度，定义调幅参数定义：在调幅中，振幅最大变化量与振幅平均值之比ma越大，调制前后振幅变化越大调制深度越深为了保证调制不失真，必须保证mavl调幅波的频谱分析«(')=ac÷KAmcos(4J)co§(©/+c)调幅后的电场=4口+/CO§3/)。§(%，+2)=4s(+)调制前的激光一载频*辛4。§(口。+0.)，+外激光频率和调制频率之和-上边频cos(r-w)÷J激光频率和调制频率之差-下边频T4,调幅波的频谱叫-叫n44+咻b2rH强度调制：以调制信号改变激光器光强，直接按调制信号的规律变化常数光强的定义：/(r)=e2(r)=JCOS2(ct+2)=1°COS2(ct+化)强度调制后：/(/)=l+rp()Jcos2(r÷¢>f)kp-比例系数设调制信号：。)=4ca(6V)单频余弦波贝U有：/(，)=y(l÷4COSqJkO§2(ct+0)I强度调制系数：%=kpAfn加.由幺和Afn决定.频率和相位调制定义：以调制信号去改变激光的频率，使激光频率按调制信号规律变化，称为相位调制，调频调频（相）波的统一表达式:C（，）=4COJ+M§in0"J+）频谱分析调频(相)波的统一表达式：e(r)=4co§(q7+/HSinmt+c)利用三角公式展开：e(t)=Accos(et+)cos(wsinmt)Till(3/+r)sin(11sin综，)(cos(11sintnf)1sin(11,sint)mfsintvJTTl<Jffl：.e(t)=4co§(。J+")一IIH.1/.=Accos(<¾f÷)-<ic<>(<yr+6)m)/-Acos(69rV÷)可见，在弱调制情况下出现边频4±Qw与调幅类似当m较大，就不成立了，必须用贝塞尔函数展开其他调制方式脉冲调制1.脉冲调制Illiiiilll脉冲调幅(PAM)模拟调制信号周期性电脉冲序列已调电脉冲序列电调制.激光载波强度调制Iiiiiiiiii脉冲调宽(PWM)IIHIIllllA脉冲调频(PFM)脉冲调位(PPM)实际上是以经调制信号调制的脉冲序列作为调制信号.对激光载波进行强度调制实际上是以调制信号电脉冲序列作为调制信号，对激光波强度调制编码调制对模拟调制信号进行抽样和量化，转变为数字信号对数字信号编码驱动调制器电光调制器物理基础自然双折射定义：当艺术光偏离主轴方向进入各项异性晶体中，会分解偏振方向垂直两束光，。光，e光，晶体自然双折射只有光束沿晶体光轴进入晶体才不发生自然双折射晶体电光效应定义：外加电场引起晶体折射率发生变化现象，称为晶体电光效应晶体折射率外加电场变化可用函数表示Am="0=aE+E1+Nn一加场前后折射率的变化量E一外加电场的场强o一加场前晶体的折射率一加场后晶体的折射率一线性电光系数二次电光系数普克尔效应：折射率变化与外加电场一次方成正比克尔效应：折射率变化与外加电场平方成正比电光调制利用的是晶体一次效应KDP单轴晶体，主轴z,折射率椭圆求旋转对称nx=ny=nonz=neZ向加场：感应主轴总V旋转45o,双轴晶体小=。一九SEZ叫，=。+/63区%，=%注意：旋转角度与E无关，折射率变化与E有关由于晶体的电光效应，当激光载波经过晶体时，不同偏振分量间会产生一定的相位差。如果用调制信号来控制加到晶体上的电场，就可以控制相位差的改变量，从而实现对载波的调制。电光调制物理基础：晶体电光效应画电光强度调制原理工作原理PlP2电光调制器的基本结构设，PI和P2间的夹角为,Pl与感应主轴M间的夹角为小相位延迟为根据偏振光干涉的原理，出射光强为：A/I=0cos2a-sin2sln2(-a)sin2-/0为经过Pl后的光强可见，I与a、口、AQ有关。利用调制信号改变a、难以实现，只能改变A。,211小，-加调制信号后晶体两感应主轴方向的折射率=(Hvx1._晶体通光方向的长度晶体两端加电压后，晶体中建立电场，由于电光效应Qg.随电压变化。电光强度工作原理：晶体电光效应+偏振光干涉电光效应干涉调制信号晶体两端的电压V>叩变化fA变化I变化通常取«=-,即Pl±P2；用=45°2/=70cos2asin2/9sin2(y9-a)sin2=，osin2-可见：只要利用调制信号控制晶体两端的电压，则输出光强就会受到调制。可见：只要利用调制信号控制晶体两端电压，则输出光强就会受到调制国晶体运用方式纵向应用：加场方向和通光方向平行利用晶体纵向电光效应，纵向电光调制器优点：结构简单，工作稳定，无自然双折射影响缺点：半波电压太高晶体运用横向应用横向电光调制器：加场方向和通光方向垂直利用晶体的横向电光效应优点：半波电压低缺点：结构复杂，加工困难。声光调制：利用声光效应将信息加载于光频载波上改变加于压电换能器上的电压可以使衍射光束的振幅从零变到最大，这种应可用于幅度调制；由于多普勒效应，衍射光束的频率随着声波的频率变化，这种效应可用于频率调制。国声光调制物理基础声光效应，超声波介质，引起介质折射率周期性，变化声波是一种纵向应力波，激起介质中各质点沿波的传播方向振动，导致介质发生相应的弹性形变，激起介质中各质点沿传播方向振动，导致介质密度发生疏密相间的变化，使得折射率也发生周期性变化超声波引起介质折射率超声行波特点：在晶体建立一移动的正弦光栅，速度VS,栅格间距入S超声驻波：由两列相同的超声波反向传输叠加而成XE1."()=2lcos(s.v)sin(/)=>(x)=2sin(Asx)sin(69)半波长整数倍处振幅最大半波长技术倍振幅最小波幅，。波节空间位置固定形成光栅在空间也是固定的波幅/波节间距s2光栅变化频率也是超声频、频率的2倍声光互作用两种类型拉曼纳斯衍射条件超声波频率is比较低光波平行于声波面入射声光互作用长度1.较短衍射光强分布设声波宽度1.,波长s（角频率WS）博士k指向X方向，光波波矢kl指向y方向由于光速要比声速假设y=-1.2处垂直入射的平面波光场为:E加=%exp('')V光通过介质后的附加相位为：N-h(x)£=cny)1.c从y=+1.2处出射的光场为：J=Ze邛iB""(x)”c)可见，出射光不再是单色平面波，且相位调制,特点各级光的光强正比与Jm2(v)对称分布在零级衍射光两侧拉曼纳斯衍射产生多级衍射光各级光强不等，m越大，光强越小如果忽略介质损耗，各级光强之和等于1调Q技术普通脉冲激光器光脉冲宽度：ms(103)s峰值功率：kW(IO3)IT调Q激光器ns(10-9)sMW(IO6)FF将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中，使峰值功率提高几个数量级振荡效应激光脉冲宽度很宽激光脉冲不够平滑光泵激励：反转粒子数密度增加受激辐射：反转粒子数密度减少图21-1脉冲微光器输出的尖峰结构激光谐振腔损耗不变，一旦光泵使粒子数反转超过阈值，便产生激光调Q基本原理既然激光上能级最大反转粒子数受激光器阈值限制在泵浦初期，提高阔值，反转粒子数积累。反转粒子数积累到最大时，突然降低阙值，上能级粒子雪崩式跃迁到低能级，输出巨脉冲。Q值定义谐振腔内存储的总能量与单位时间损耗能量之比腔内储存的能量单位时间内损耗的能量调Q途径l11111.Itcvg27rv4lTr4l(2Q值与激光介质折射率n,激光器腔长1.,以及腔的损耗有关，但在激光形成过程中n和1.不易改变，所以=只能改变损耗6损耗大，Q值低，激光振荡阈值高，不易起振损耗低，Q值高，激光振荡阈值低，容易起振技术原理调Q技术就是通过某种方法控制腔的损耗，使谐振腔Q值按照一定的程序变化技术O泵浦初期，使腔处于高损耗（低Q值）状态，即提高振荡阈值，使激光难以起振，上能级反转粒子数得以大量积累；（2）当上能级粒子数积累到最大值时，突然降低腔的损耗（个Q值），激光振荡迅速建立，上能级粒子数雪崩式的跃迁到低能级，形成巨脉冲输出调Q技术过程读簪i策以幽如期案时间Q开关激光脉冲建立过程（1）能量储存过程=max,低Q值损耗增益，n工作物质储能工作物质谐振腔组合储能（2）激光产生与输出过程5=min,高Q值增益损耗，AnJQ值相当于一个开关Q值低，开关关闭，储能Q值高，开关打开，输出Q调制器，又称为Q开关泵浦初期将阈值调高，抑制激光振荡产生，使激光上能级积累反转粒子数反转粒子数积累到最大时，突然调低阈值，上能级大量粒子雪崩式跃迁到低能级，获得巨脉冲调Q技术分类I机械转镜调Q,电光调Q人/射+射+收+1染料可饱和吸收调Q声光调Q技术实现调Q激光器的基本要求工作物质抗损伤阈值高，上能级粒子寿命长光泵速度必须快于激光上能级自发辐射速率谐振腔Q值改变要快，一般应与激光器振荡建立时间相比拟谐振腔损耗由外部驱动源控制谐振腔损耗取决于腔内激光光强电光调Q声光调Q染料调Q电光调Q利用某些晶体电光效应起到延时作用，做成电光Q开关电光效应：某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体不同偏振方向光之间产生相位差，使光的偏振状态发生变化电光Q开关电光Q开关声光调Q声光效应：当介质中有超声波传播，超声波使介质产生弹性应力或应变，因而介质中的折射率发生变化，光束通过这种介质就会发生衍射，使光束产生偏转染料调Q（可以饱和吸收染料调Q）利用某种材料对光吸收系数会随光强变化特性可饱和吸收染料：某些有机染料是非线性吸收介质，吸收系数不是常数，在较强激光作用下，吸收系数随光强增加而减小直到饱和，对光呈现透明特性染料对光束变为透明染料选择染料吸收峰中心波长和激光波长基本吻合1'具有合适的数值，以的到合适的开关速度具有一定稳定核保存期，以利于实用调Q激光器基本理论速率方程：描述调Q激光器腔内光子数和工作物质中反转粒子数随时间变化规律分析调Q巨脉冲形成过程分析器件多种参量对巨脉冲影响巨脉冲的峰值功率，脉宽等参数与反转粒子之间的关系调Q速率方程建立dn/、R=2(陷=速率方程四能级系统类似调Q情况下速率方程简化存储能过程(1)储能过程=<v11axdfn只有微弱ASE,光子密度4艮小，泵浦作用下/W=23激光产生过程由于激光建立时间极短(ns量级)，所以泵浦和自发辐射的影响可以忽略=>=-2nuvdt,调Q激光振荡的速率方程调Q激光振荡的速率方程竺=-211dt21=(n2xv-)速率方程一阶ODE方程速率方程为一阶ODE方程组，一般用数值方法求解。为了求解调Q的速率方程，必须知道Q开关的函数形式，即8(t)实际的Q开关函数往往很复杂，甚至无法用简单的函数形式表示为了求解方便，一般假定Q开关为阶跃开关、线性开关或抛物线开关等阶跃式Q开关是最理想的Q开关，着重讨论这种开关阶跃Q突变情况下，调Q脉冲建立过程即使理想阶跃Q开关，脉冲并非立刻形成，而是需要一个过程调Q脉冲峰值功率即使理想的阶跃Q开关