1、第十讲,第七章 激光器特性的控制与改善 模式选择: 选横模 选纵模 稳频激光器: 兰姆凹陷 饱和吸收 获得巨脉冲的方法（调Q，锁模）: Q调制原理 Q调制方法 锁模原理,锁模脉冲特性,锁模方法 均匀加宽激光器主动锁模的自洽理论,第七章 激光器特性的控制与改善,简单激光器出射的激光束，往往不能满足应用需求 因此，激光器特性的控制与改善技术不断发展 模式选择、稳频、注入锁定-改善时间相干性、空间相干性 Q调制、锁模、增益开关、腔倒空等-获得窄脉冲高峰值功率激光,7.1 模式选择, 选模意义：基横模，单纵模空间相干性，时间相干性好1. 横模选择 横模选择的物理基础：不同的横模有不同的衍射损耗 横模选
2、择原则 尽量加大高阶模和基模之间的衍射损耗差仅使TEM00模满足振荡阈值条件，TEM10受抑制 尽可能减少除衍射损耗外的其它损耗，加大衍射损 耗在总损耗中的比例, 横模选择方法 谐振腔设计 小孔光阑 非稳腔 微调谐振腔, 小孔光阑选横模,小孔,小孔, 非稳腔选横模 适用于高增益激光器选横模,微调谐振腔,腔镜倾斜： 平面腔：基模损耗增加，选择高阶模 稳定腔：高阶模损耗增大，选择基横模,2. 纵模选择 在特定跃迁谱线范围内获得单纵模的方法 纵模选择原则：扩大相邻纵模的增益差或人为引入损耗差 选纵模方法： 短腔法： 缩短腔长，增大纵模间隔,适用于荧光线宽窄的激光器，如氦氖激光器,由 决定的振荡带宽,
3、L, 行波腔法,隔离器,激光工作物质,激光工作物质,F-P标准具的设计要求,插入FP后, 选择性损耗法 F-P标准具,组合腔,分布反馈半导体激光器 （Distributed Feedback -DFB）,p-TYPE,n-TYPE,GRATING,Distributed Bragg Reflector- DBR,外腔半导体激光器,7.2 稳频激光器 一、外界因素对频率稳定性的影响 纵模频率： 频率稳定性：谐振腔几何长度L变化：温度、振动 10-3/oC折射率变化：温度，D起伏（放电电流、驱动电流等）气压、湿度一般单模氦氖激光器频率稳定性：10-4-10-5（Dn=1010Hz）采取恒温、防震、
4、隔声、稳压、稳流措施：10-7 精密干涉测量、光频标、光通信、激光陀螺、精密光谱等研究中，需要频率稳定的激光器,二、稳频基本原理：稳定谐振腔光学长度,选择标准参考频率 获取误差信号驱动电子伺服系统自动调节腔长,三、稳频方法 兰姆凹陷稳频 塞曼稳频 饱和吸收稳频 无源腔稳频,压电陶瓷：改变腔长 直流: 调节单模激光器输出频率 交流信号: 搜索信号， 判断 +,-,正向电压（外表面、内表面）：压电陶瓷 腔长q 反向电压（外表面、内表面） ：压电陶瓷 腔长q,频率稳定性：（1）激光频率在参考频率附近的漂移（频率稳定性）；（2）参考频率本身的变化（频率复现性）,要求兰姆凹陷对称, 窄且深 (低气压)
5、频率复现性差 10-7,nn0 D点 同相 反向电压 压电陶瓷 腔长q 拉回n0 nn0 B点 反相 正向电压 压电陶瓷 腔长q 拉回n0 n=n0 C点 2f 0 电压 压电陶瓷不变 n= n0,D,B,C,n,频率稳定性：10-9,兰姆凹陷稳频,塞曼稳频,稳频系统,光 电 接 收,磁场H,右旋光,左旋光,q,q右,q左,0右,0左,右旋,左旋,塞曼分裂,磁场H,若q= 0， 左旋光和右旋光具有相同的输出光强 若q 0，左旋光和右旋光的输出光强不同及频率差变化 由此，提供鉴频误差，用于稳频。稳定性可达10101011,饱和吸收稳频反兰姆凹陷,压电陶瓷,吸收管内充气压: 110 Pa 多普勒加
6、宽为主 低压气体吸收峰频率 稳定性好,烧孔宽度,吸收曲线 烧孔效应,b(n1),吸收饱和 增益饱和,兰姆凹陷稳频和塞曼稳频的频率复现性差（参考频率变化），饱和吸收稳频可提高频率复现性及稳频精度,放置吸收管的谐振腔单程损耗,输出功率,Pn1曲线上形成反兰姆凹陷,频率稳定性: 10-1110-12 频率复现性 10-11,632.8nm: 碘同位素蒸汽 3.39mm: 甲烷,无源腔稳频,半导体激光器,光电接收,稳频系统,FP标准具,FP滤波器用于鉴频,7.3 Q 调制 一、Q调制激光器工作原理,1. 调Q意义压窄光脉冲宽度, 使有限的激光能量在极短的时间内输出以提高脉冲峰值功率 2. 调Q基本思路
7、： 抑制弛豫振荡,使激光在Dn达到最大时的极短时间内发生 通过某种方法使腔内损耗按规定的程序变化 3. 调Q基本术语,调Q 调腔内损耗 Q开关 执行调Q功能的器件；巨脉冲调Q产生的激光脉冲,什么是规定程序 ？ 泵浦激励期间 (激光产生之前)：高损耗, (低Q), Dnt 高 反转粒子数积累 在适当时刻(?) ：低损耗, (高Q), Dnt 低 受激辐射放大形成巨脉冲,在腔内加入阶跃变化的损耗机制 适当时刻 ? 泵浦 Q开关打开 延迟时间：反转粒子数积累最多,激光上能级寿命荧光寿命,Q开关关闭,Q开关打开,二、调Q方法 转镜调Q：反射损耗 慢开关 声光调Q 衍射损耗 电光调Q：反射损耗 快开关
8、染料调Q 吸收损耗,工作物质,反射镜,转镜,慢开关 开关时间 脉冲建立时间 如转镜调Q快开关 开关时间 脉冲建立时间,主动调Q：外加驱动源调节腔内损耗 如电光、声光调Q 被动调Q：由腔内光强调节损耗 如染料调Q,电光调Q,d,激光工作物质,Q开关关闭 Dn积累,d,d,Q开关打开 振荡形成巨脉冲,思考：是否可以只用一个偏振控制器，V=? Q开关关闭？,工作物质,反射镜,反射镜,驱动源,声光介质,工作物质,反射镜,染料盒,全反射镜,1,102,I/Is,T,0.4,0.6,0.8,1.0,染料调Q（被动调Q）,声光调Q：低增益连续激光器,Bragg衍射,三、脉冲透射式调Q （腔倒空 cavity
9、 depletion）,泵浦激励时， V=Vp 两全反镜构成高Q腔，光子能量储存在腔内，不能输出V0 腔内光脉冲从格兰棱镜2 输出,PTMPulse Transmission Modulation PRMPulse Reflection Modulation,振荡次数,工作物质储能,输出激光脉冲,谐振腔储能,输出激光脉冲,工作物质储能,输出激光脉冲,谐振腔储能,脉冲反射式调Q,脉冲透射式调Q,脉冲反射投射式调Q,四、调Q激光器的基本理论速率方程方法研究Q突变过程中Dn和N的变化规律， 推 导脉冲峰值功率 Pm Dn 及脉冲宽度 Dt Dn 特点: Q开关时间极短 几ns量级, 看作阶跃式突变
10、讨论前提：三能级系统Ll, hF=1, f1=f2谱线线型为矩形，各模式振幅相等,Dni,0,t0,Ni,1. 调Q速率方程及其解 理想阶跃开关；忽略泵浦及自发辐射引起的Dn的变化,两式相除,积分,Ni t=0时光子数密度 Dnit=0时反转粒子数密度,(7-3-5),2. 巨脉冲的峰值功率（Pm),Dni,0,tP,Ni,若输出镜透过率为T；另一反射镜透过率为0，光束截面工作物质截面,调Q激光器输出峰值功率,荧光寿命,红宝石,钕玻璃,YAG,CO2,He-Ne,染料,3ms,0.7ms,0.23ms,1ms,20ns,ns,工作介质,其中,Q开关插入损耗小,氦氖激光器与染料激光器不适合采用调
11、Q技术,3. 巨脉冲能量（E） 讨论前提：hF=1,腔内脉冲总能量 E,输出脉冲能量,能量利用率,Ei 储藏在工作物质中可以转变为激光脉冲的初始能量 Ef 巨脉冲熄灭后剩余的能量（将通过自发辐射逐渐消耗）,注意公式条件P.174,腔内一光子往返一周因输出而损耗的能量百分数,腔内一光子往返一周损耗能量的百分数,？,结论：,熄灭时,调Q激光器 能量利用率,能量利用率,4. 巨脉冲的时间特性（Dt）调Q脉冲宽度,Dtr,Dte,积 分,(7-3-5)代入,上升沿,下降沿,(7-3-4),Dt ,理论计算与实际测量脉宽产生误差的原因： Dn 分布不均匀（泵浦、激励不均匀，中心大，边缘小） 脉冲建立时间
12、不同 （中心部分先建立，边缘后建立） 输出脉冲为从中心到边缘多个脉冲的叠加的结果，故变宽。 Q 开关时间 （非理想阶跃）,Pm的粗略估算,数值求解 (1) 脉宽变窄, 且前沿更陡 (2) 调Q激光器设计, L和 T 要折衷考虑,一般为10-9量级,更窄脉冲的获得,锁模,7.4 注入锁定,注入锁定：弱信号注入一自由运转的振荡器中产生锁定振荡器振荡特性的现象。 注入锁定现象存在于机械、电子、激光等系统中 利用注入锁定现象，可用一束弱的、性能优良的激光束控制一个强激光器输出光束的光谱、模式相位及空间特性。,类型：连续激光器的注入锁定；脉冲激光器的注入锁定,一、连续激光器的注入锁定,O,1,I0,自由
13、振荡输出,再生放大输出,对于注入锁定，激光器相当于一个再生放大器,再生放大器输出光强：,(7.4.1),稳定工作时，,有：,O,1,I0,自由振荡输出,再生放大输出,注入光与自由振荡模式竞争高能级粒子，由于注入信号强度远远超过自发辐射噪声，因此在竞争中占有优势,注入锁定条件：,锁定频率范围：,注入信号越强，锁定频率范围越大,注入锁定时的激光输出光强：,未考虑饱和效应,饱和效应使得：,二、脉冲激光器的注入锁定（自学、了解）,三、注入锁定的应用,控制高功率激光器的光束质量，获得窄线宽、单模、频率稳定的高功率激光 对半导体激光器阵列进行注入锁定，使各个激光器的模式锁定，经相干叠加，可生成空间相干性好
14、，发散角小、高功率输出的激光 .,实例：无色光接口,WDM-PON接入技术,自由运转的FP-LD,注入锁定的FP-LD,接入网： 关键问题：价格！价格！价格！ 环境复杂，要求光接口无色化,7.5 锁模 (Mode Locking)超短脉冲( ps-fs )技术,一、概述自由运转（非锁模）多模激光器的输出特性 每个纵模的电场表达式相邻纵模间的频率间隔,总的输出,各纵模建立时间不同，Eq, wq, jq不同，输出为多个纵模无规叠加的结果,二、锁模原理 多纵模相位锁定,锁模物理机制：采取措施使腔内各个纵模的初始相位保持一致或各纵模间有确定的相位关系, 则激光输出为等间隔超短脉冲序列锁模激光器,举例:
15、 三个纵模锁定后的光波叠加,n1 , n2 , n3 n2 = 2n1, n3 = 3n1 E1 = E2 = E3 = E0 , j1 = j2 = j3 = 0,（振幅相等）,（初始相位为0）,n1,1/3n1,2/3n1,0,I(t),E(t),0,极大值,极大值,极小值,极小值,讨论: 假设 2N+1 个模振荡, 振幅相同 (E0),相邻纵模间相位差,相邻纵模角频率间隔,锁定时,.,.,.,.,其中，振幅,三、锁模脉冲特性(1) 峰值功率 Im (光强极大值),有极大值,锁模后脉冲峰值功率是未锁模时的（2N1）倍模式个数多有利于锁模脉冲峰值功率的提高振荡模式增多的途径：Lq F（荧光线
16、宽宽）,模式个数,(2) 锁模脉冲间隔相邻脉冲极大值之间间隔 (T0),未锁定时,(3) 脉冲宽度 (t),可通过DnF 估算锁模脉宽 钕玻璃 DnF 7.51012 ps,钛宝石 (900nm) 1014,fs,四、锁模方法主动锁模(Actively mode locked)* 振幅调制 相位调制 被动锁模(Passive mode locking) 染料 (1) 振幅调制 (AM)法锁模 （损耗调制锁模）,其中,(调幅系数),-调制角频率,从时域角度解释AM锁模 损耗调制频率 损耗调制周期,周期为T0的光开关,此刻光信号可无损通过，经腔内往返一周后 t1NT0，此信号将再次无损通过；,而对
17、于t2时刻光信号 ，每次经过调制器则损失一部分能量； 结果： 的光信号，能形成光振荡，其余光信号 ,损耗调制器（光开关）,工作物质,如果：,从频域角度,(2) 相位调制锁模 (频率调制)h随外加电压变化,相位调制函数, 相位调制幅度,.,.,脉冲在时域上被压窄的同时， 在频域上被加宽,t= t0 , t1, t2, t3 .,t= t0 , t1, t2, t3 每经过调制器一次会 产生频移, 使频移增大，最终导致光频移出增益曲线外，不再被放大.,频率偏移,故相位调制器的作用类似损耗调制器。,饱和吸收体（染料）被动锁模（自学）任何锁模激光器对光学元件、腔长、调制频率的要求极高,相位调制器,工作
18、物质,典型的锁模光纤激光器,考察短脉冲在腔内经 增益介质 损耗调制器 反射镜 反射后回到起始点是否正好能映射自身,光脉冲：高斯脉冲,五、均匀加宽激光器主动锁模（AM）自洽理论,自洽理论要点：考察腔内某一点，脉冲在腔内往返一周后能自再现, 即E1(t) = E3(t),物理意义？,a决定高斯脉冲包络形状 b锁模系统的线性啁啾 啁啾频率,光脉冲E(t) 增益介质 E(w) 反射镜 损耗调制器 E(t),脉冲频谱：,频率宽度： （谱宽）,脉冲宽度：,锁模脉冲的谱宽脉宽乘积,谱宽脉宽乘积衡量锁模激光器水平的标志,调制器,反射镜 反射系数,1.B点频谱,2.C点时域特性,(调制深度）,均匀加宽工作物质：
19、,？,（小信号情况）,对 进行处理,(高斯脉冲频谱),式中,傅立叶变换得,代入,高斯脉冲经过增益介质2次后,对损耗调制器作些处理：T(t),自洽条件：,（b为实数）,求得,损耗调制锁模的自洽条件，即b0，系统无啁啾 (chirp),由于脉冲总是在透过率峰值附近的时刻通过调制器,所以,相邻纵模间隔,脉宽,谱宽,相位调制锁模：根据脉冲自洽条件，可得， 0意味着输出脉冲频率随时间线性变化（频率啁啾）,高斯脉冲傅立叶变换极限,孤子 (Soliton) 脉冲 双曲正割,实际大多数激光器都偏离变换极限值，这是由于调制频率与纵模间隔失配或工作物质内的非线性效应造成频率啁啾等,振幅调制锁模,完全锁模的标志，谱宽脉宽乘积衡量锁模激光器水平,作业： 7-6、7、8、12,
