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1、激光技术总结,2007.11,第一章激光调制与偏转技术,一、基本概念1.激光调制：利用要传递的信息作为调制讯号去改变激 光的某一参数，使其参数按调制信号的规律变化的过程。参数：振幅、强度、相位、频率等。2.强度调制(1).定义：利用调制信号去改变激光强度，使光强按调制 信号的规律变化。,(2)强度调制方法 电光调制：利用晶体的电光效应和偏光的干涉原理使变化 一般情况下，和不是线性关系。只有在 处近似线性，选择工作点，加 波片半波电压： 信号弱时：线性关系,在调制信号比较强时含有高次谐波成分为防此失真，消除高次谐波。综合考虑以上因素，选 在 之间,纵向运用横向运用，（）加场向通光声光调制 1.声
2、光效应：当光在建立起超生场的介质中传播时，由于光弹效应，光被介质中的超声波衍射或散射的现象。超声波的传播 行波折射率变化频率 驻波 折射率变化频率2结构：换能器、声光介质、吸收器（行波）、反射器（驻波） 设计：换能器：厚度： 声光介质：光波的衍射类型 尺寸,声光介质 声光效应 弹性应变 正弦相位光栅入射光 衍射光 衍射光强相应地变化（强度调制）喇曼奈斯衍射 多级光平面相位光栅,布拉格衍射空间相位光栅调制效率,相位调制利用调制信号去改变激光的相位，使激光相位按调制信号的规律变化。光通过晶体时得到一附加相位，根据电光效应，附加相位按调制信号的规律变化只能有一束偏振光通过晶体纵向运用，向加电场，偏振
3、，方向通光相位调制的频谱发生变化，出现边频,第二章小结一.调Q技术的基本概念和基本理论1.调Q 的目的，Q的物理意义，如何实现调Q一.调Q技术的基本概念和基本理论调Q的目的：压缩脉冲宽度，提高峰值功率 Q描述腔质量的品质因数,2.基本理论（1）利用速率方程分析调Q的过程速率方程两个阶段。a.第一阶 ，积累 阶段目的：使氙灯能量转成工作物质的能量（即粒子从基态激发到高能态粒子后具有的能量）-延迟时间。,b.第二阶段 ，激光形成和输出过程短，忽略自发辐射和泵浦： 要求 比值大,（2）峰值功率和脉冲宽度 （3）开关效率,（4）开关时间二、实现调Q的方法电光晶体调Q(1)反射式Q开关原理，利用晶体的电
4、光效应，在晶体上加一阶跃式电压，改变Q值。 带偏振器的Q开关，KDP纵向运用，LN的横向运用，YAG- , 线偏振光。 (2)透射式Q开关，三阶段：a.粒子积累，b.激光产生，c.激光输出。,2.声光调Q利用布拉格衍射，行波，如加一阶跃式声功率，使 当 是第一阶段， 是第二阶段3. 可饱和吸收体调Q(1) 染料可饱和吸收特性 染料吸收率是光强的函数，初时的吸收率很大，光强增大，吸收率减少，吸收率为0，染料饱和。,假定染料是二能级系统。(2) 染料Q开关激光器第一阶段 ：粒子积累:初始阶段荧光弱，染料吸收率下降慢，损耗在下降第二阶段：激光形成与输出阶段a.腔内的损耗不断下降，当下降到激光到达阈值
5、，开始振荡Q开关打开。b.腔内激光密度u很强，染料很快达到饱和，Q开关完全打开输出一巨脉冲第三阶段：.Q开关关闭,(3)影响的因素染料的选择：中心波长、稳定、提高开关效率等染料的浓度，最佳浓度。输入能量，一定的输入能量对应一最佳浓度。染料合，薄。镜的反射率。,第三章小结一、锁模的原理1.纵模锁定：当相邻两个纵模的相位固定 即 常数，各模相干，总光波场振幅受到调制输出特性：脉冲间隔 固定的脉冲序列。相当于腔内只有一个脉冲在振荡。, 锁模的结果使各模不再独立，发生功率耦合。,锁模方法：,锁模方法：主动锁模：AM调制：腔内加一振幅调制器，结果使腔内的损耗周期性变化 ，调制器的频率 ，振幅受到调制（时
6、间域） 激发边频，直到所有的模式被耦合。FM调制：利用电光相位调制器，在晶体上加调制信号，使晶体的折射率变化，位相变频率变，相位调制器相当于移频器，调制器的频率,被动锁模：在腔中加染料（上能级寿命 ）涨落理论： 线性放大阶段 染料 增益未饱和 频谱宽窄 非线性吸收 ： 强脉冲使染料饱和 非线性放大锁模激光器的设计：1.标准具效应。 2.调制器的位置和尺寸。3.失谐,第四章小结：一、放大器的目的及被放大的光的特点： 目的：入射信号能量和功率的放大。保持入射信号的原有特点。 特点： 能量和功率得到放大。 保持入射信号的特点。二、输出光的能量、功率、脉宽与那些因素有关。,、二、脉冲放大器理论：,1.
7、速率方程：无损耗 ：0 其解,2.放大后参数的变化：,矩形脉冲单程功率增益：脉冲前沿：脉冲后沿：弱信号： 且前后沿相同 。能量增益：,特点a.小信号的单程功率增益、能量增益、总光子数与介质长度和反转粒 子数成指数关系， 与入射信号无关。b.矩形脉冲波形不变，脉宽不变。其他的波形不同有变化 c.入射信号 弱，能量利用率不高，有可能剩余。 d.适用于波形保持不变的应用。 强信号： 无损耗：前沿：,后沿： 脉冲各部位的功率增益不同。能量增益 有损耗时特点： a. 能量增益、功率增益、总光子数与反转粒子数、介质长度和入射信号有关。 但有损耗时，L不能无限制的增加。Imax b.脉冲压缩，波形失真。 c
8、.能量利用率高。主要是充分利用。 d.适用于要求能量放大，对波形失真无要求的应用。,3.放大器的设计,a.消除端面反馈： 自激振荡，超辐射端面度增透膜、端面磨成1-2度角度。b.级间隔离： 电光、磁光、菲涅尔菱形等C.级间匹配 能级匹配、孔径匹配、泵浦时间的匹配d.消除不均匀性的影响 光泵不均匀反转粒子不均匀、温度不均匀,第五章小结：一、选模的目的：减少腔内的模式数 基横模方向性最好。纵模-单一纵模，单色性最好二、横模的选择原理和方法原则：稳定腔 要大， 使 比大 使 想办法加大高阶模的损耗。考虑到基模体积最大。准稳 非稳 N大，几何光学偏折损耗。方法：稳定腔 1.腔参数g、N选择法,设计激光
9、器时，有利于选择基横模 g大，N大一些 大 ， 大， 大 利用g、N和 关系曲线2.小孔光栏法 输出功率低。 3.聚焦光栏法输出功率提高，要求光栏材料耐高温 4.长腔法准稳腔中的模选择（利用几何光学的分析方法）平平腔基横模无偏折损耗，高阶模有偏折损耗,非稳腔：（利用几何光学的分析方法）三、纵模的选择方法1.先选横模2. 粗选的方法： 色散腔 棱镜 光栅选出一定谱宽的光束3. 短腔法：L小 大， 当 时，选出单一纵模，输出功率低。4. 法珀罗标准具：利用标准具的透射特性,当 R大 实现单模 。5. 行波腔选纵模：在均匀加宽的介质中，利用行波腔破坏空间非均匀反应。6. 复合腔选纵模：把多个标准具组
10、合在一起，使振荡的光束满足多标准具的振荡条件。,第六章总结：一、频率的稳定性和再现性。（在连续运转时，一定的时间间隔内的平均频率 与该时间内频率的变化量 之比） 指频率在平均频率（标准频率）附近的漂移。 指平均频率即标准频率本身的漂移。在不同的时间、地点等条件下频率重复或再现的精度。二、引起频率变化的因素：折射率和腔长的变化引起频率变,由外界T、机械震动、大气等变化引起的。采取恒温，防震等措施。三、稳频的原理： 电路负反馈 压电陶瓷1、以原子谱线本身做鉴频器：（1）兰姆凹陷稳频。以凹陷中心频率做标准频率，当频率偏离中心频率时，dI误差信号 dI大小表示偏离的程度， 相位表示偏离的方向 。,（2
11、）塞曼效应稳频。加磁场光谱线分裂两条： 频率偏离中心频率的大小和方向影响 和 的光强，影响总光强的大小和相位。 2、以外界的某一频率做标准频率。 饱和吸收稳频：（1）反兰姆凹陷，（2）塞曼效应吸收稳频 以吸收曲线中心频率标准。,第二章调Q（Q开关）技术,一、基本概念 Q 值、Q开关、开关时间、延迟时间二、 Q开关的基本原理 两个阶段（速率方程、各参数的变化等） 1.储能（激活介质，激活介质-谐振腔组合储能） 2.激光产生与输出三、调Q方法 1.电光调Q-原理和结构（一般结构） KDP类纵向运用 LN的横向运用，要求与调制器对比 2.声光调Q-原理和结构(行波）,要求与调制器对比 3.被动式可饱
12、和吸收调Q原理，影响调Q的因素：染料的选择：中心波长、稳定、提高开关效率等染料的浓度，最佳浓度。输入能量，一定的输入能量对应一最佳浓度。染料合，薄。镜的反射率。,第三章超短脉冲技术,一基本概念 锁模二、锁模的基本原理 锁模激光器的输出特性：脉冲间隔、脉宽、功率、模式耦合特性三、锁模方法 1.主动锁模 振幅调制-结构，调制器的频率 注意：L-光学长度，光振动方向的设置 相位调制-结构，调制器的频率,2.被动锁模 三个阶段锁模激光器的设计标准具效应。 2.调制器的位置和尺寸。3.失谐 四、二阶相关测量方法,第四章激光放大技术,一、放大器的特点二、脉冲放大器理论 1无损耗时脉冲放大后参数的变化 单程
13、功率增益，能量增益，脉冲宽度等 弱信号满足的条件： 强信号放大情况 2.有损耗时脉冲放大后参数的变化 弱信号、强信号,三、设计激光放大器应考虑的问题三、设计考虑： 1.消除端面反馈。 原因：自激振荡 增益下降 办法：放大器两个端面磨成一定角度。 2.级间隔离。 原因：超辐射 影响振荡级的稳定性 降低放大器的效果。 办法： 级间隔离：只允许单方向的光通过。 磁光隔离。 电光隔离。 菲涅尔菱体隔离。3.级间匹配。 能级匹配。 孔径匹配。 泵浦匹配。4.消除不均匀的影响。 原因：光泵不均匀 粒子反转和折射率不均匀造成光束的方向性差，波形畸变。 办法：做成片状，多根棒的激光器。,第五章模式选择技术,一
14、、基本概念 激光模式、纵模、横模二、横模选择技术 1.横模选择的两条原则 2.横模选择方法 稳定腔中横模选择方法：gN参数法，小孔光栏法 平平腔横模选择法，非稳腔横模选择法三、纵模选择技术 1 色散腔粗选频率， 2 F-P标准具法 3 短腔法,四模式测量1、直接观测法 打点，CCD2、扫描干涉仪3. F-P照相法,第六章稳频技术,一、基本概念 频率的稳定性，复现性频率的稳定性和再现性。（在连续运转时，一定的时间间隔内的平均频率与该时间内频率的变化量之比） 频率的稳定性：指频率在平均频率（标准频率）附近的漂移。 再现性：指平均频率即标准频率本身的漂移。在不同的时间、地点等条件下频率重复或再现的精度。二、稳频的基本原理 鉴频器：任务、要求、类型三、稳频的方法 兰姆凹陷，塞曼效应、饱和吸收,
