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1、第六章 激光器单元技术,调制方式:,二.振幅调制方式,光载波的振幅分量随调制信号的规律而变化,简称调幅.激光光电场:调制信号:调制波：,频谱分布:,与载波相比较，调幅波多了两个边频分量,三、相位调制方式,光载波的相位分量随调制信号的规律变化。调相波：,调相就是光载波的总相角随着调制信号的规律而变化的振荡。,四、强度调制方式,由于起解调作用的光探测接受器一般都是平均光强直接响应（光频波段光场振幅变化太快Hz，尚不能直接探测），所以强度调制是激光调制的主要方式。,光载波的强度（功率）随调制信号的规律变化。,在激光调制的实际过程中，振幅、相位和强度调制是相互联系的，主要利用光电场振幅分量的相位差调制
2、导致的偏振态的变化或相干叠加条件实现光强度调制的效果。,五、脉冲调制方式 脉冲调制就是用一种断续的周期性脉冲序列作为载波，这种载波受到调制信号的控制，使脉冲的幅度或位置、频率等随之发生变化。脉冲调制方式具有较强的抗干扰能力，光通信中得到广泛的应用。,利用电光、声光和磁光等物理效应，通过调制器来控制和改变激光的振幅、相位、偏振态和光强以及传播方向等参量，是激光调制的主要方法。激光调制技术在能量和信息光电子领域有着广泛而重要的应用。,在外界强电场的作用下,某些本来是各向同性的介质会产生双折射现象,而本来有双折射性质的晶体,其双折射性质也会发生变化,这就是电光效应.1.一级电光效应(泡克耳斯效应)外
3、加电场引起的双折射只与电场的一次方成正比.常用电光晶体:ADP(磷酸二氢铵)KDP(磷酸二氢钾)纵向电光效应:外加电场的方向与光的传播方向(光轴Z)一致.横向电光效应:外加电场的方向(光轴Z)与光的传播方向垂直.,6.2 电光调制（Electro Optic Modulation）一、电光效应(EO Effect),2.平方电光效应(克尔效应)电光液体,二、纵向与横向电光调制器 1纵向运用：外加电场方向与入射光波矢共线平平行称为纵向方式,系统的透过率为T:,调制光强与调制信号的关系曲线如图所示,线性调制 选取T=50%处为静态工作点，在光路中插入一个1/4波片，其主轴与电光晶体的感应主轴平行，
4、相当于引入固定相移。,对于适当大小的电压信号，调制光强与其有线性关系。,2.横向的运用 外加电场方向E与入射光波矢垂直正交称为横向方式，电极在通光方向容易形成均匀电场。,3.电光相位调制,电光相位调制器由起偏器和电光晶体组成。起偏器的偏振轴平行于晶体的感应主轴，此时入射晶体的线偏振光不再分解，而是沿着一个方向偏振，故外加电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，出射光电场为：,6.3 声光调制 一、声光效应 声光调制的物理基础是声光效应。声光效应是指光波在介质中传播时，按超声波场衍射或散射的现象。由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生弹性应力或应变，这种现象称为弹光效应，介质弹性形变导致
5、介质的密度产生疏密交替的变化，从而引起介质折射率的周期变化，并形成折射率光栅。当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射光的强度、频率和方向等将随着超声场的变化而变化。声光调制就是基于这种效应来实现其光调制或偏转的。,1、弹光效应,当晶体材料受外应力的作用产生形变时，分子间的相互作用力发生改变会导致介质密度的变化，从而引起介电常数(折射率)的改变，这就是弹光效应的物理起因。,2、声波在介质中的传播,声波是一种弹性波(纵向应力波)，在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿波的传播方向振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化
6、。超声场作用的这部分介质如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距(光栅常数)等于声波波长。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。,二、声光衍射声光互作用的两种类型,当超声被频率较低，光波平行于声波面入射(即垂直于声场传播方向)时，声光互作用长度L较短，产生喇曼纳斯衍射。由于声速比光速小得多，故声光介质可视为一个静止的平面相位光栅。而是声波长比光波长大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波面，因此只受到相位调制，于是通过声光介质的平面被被阵面将出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，由出射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形成于入射方向对称
7、分布的多级衍射光，这就是喇曼纳斯衍射。,1、喇曼纳斯衍射,2、布喇格(Bragg)衍射 当声波频率较高，声光作用长度较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光在介质中要穿过多个声波面。故介质具有“体光栅”的性质。当入射光与声波面夹角满足一定关系时，介质内各级衍射会相互干涉。在一定条件下，各高级次衍射光将互相抵消，只出现零级和+1级(或-l级)(视入射光的方向而定)衍射光，即产生布喇格衍射。若能合理选择参数，超声足够强，可使入射光能量几乎全部转移到十1级或一1级衍射圾值上。因而光束能量可以得到充分利用，即利用布剂格衍射效应制成的声光器件可以获得较高的效率。,衍射零级和一级光强度分别为：,
8、三、声光调制器 1、声光调制器的组成,声光调制器是由声光介质、电声换能器、吸声(或反射)装置及驱动电源等所组成。,6.4 激光调Q技术,一、调Q原理什么是调Q技术?,在泵浦开始激励时，使光腔具有高损耗值，高能级上的粒子积累到较高的水平，即：使反转粒子数密度达到一定的值；在适当的时刻，使腔的损耗突 然降低，阈值随之突然下降，此时反转粒子数密度大大超过阈值，受激辐射迅速增加；在极短的时间内，强的激光巨脉冲输出。,动态损耗：Q 开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证Q 开关打开之前没有激光产生；插入损耗：Q 开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最 小，一般会引入反射及散射损耗；开关
9、时间，Q 开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间，将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭；同步性能，Q 开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步。,调Q技术关键:,调Q激光器结构示意图,机械调Q技术转镜调Q技术主动式Q开关 电光调Q技术 主动式Q开关 声光调Q技术 主动式Q开关 染料调Q技术 被动式Q开关,能够使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作Q开关,二、实现Q开关的方法,转镜调Q激光器示意图,旋转镜面的角度，以改变Q值。当旋转镜面与谐振腔的另一端面平行时，Q 值最大，产生激光脉冲输出。旋转速度：每秒10,000-60,000 转，相当与每秒1
10、66-1,000 个脉冲。,1.转镜调Q技术原理,机械调Q技术适用于连续式激光器的调Q,机械调Q技术的劣势：较低的开关转换率，即开关时间过长；,机械调Q技术的优势：,机械调Q技术的优缺点,开关元件本身无损耗；开关关闭时可以达到100的最大损耗；简单的运行机制；较高的可靠性；,利用晶体的电光效应实现Q的突变,一般来讲，电光调Q激光器的Q开关由起偏器和一个电光晶体组成：,2.电光调Q技术,Q开关开状态：,Q开关关状态：,电光调Q技术原理,若在某一时刻突然撤去电光晶体两端的电压，此时，谐振腔的损耗很低，处于高Q状态，形成巨脉冲；,激光器产生的激光，经过起偏器后，变成线偏振光，若给电光晶体一适当电压，
11、分之一波电压，则经反射镜反射回的偏振光将垂直偏振器的偏振方向，无法通过偏振器，此时，谐振腔的损耗很大，处于低Q状态，激光器不振荡；,有较高的动态损耗（）和插入损耗（）;开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到秒，典型的Nd:YAG电光调Q激光器的输出光脉冲宽度 约为-ns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦;适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损 耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器.,电光调Q技术特点,声光调Q技术原理图,声光调Q技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q任务。在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔具 有很低的Q值，Q开关处于关状态；在某一特定时间，撤去 超声，光
12、束则顺利通过均匀的声光介质，此时Q开关处于 开状态；,3.声光调Q技术原理,有低的动态损耗和低的插入损耗;可以实现重复连续的激光脉冲输出；,声光调Q技术特点,同步性能好；开关速度较慢，开关时间在ns以上;,利用有机材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性 来达到调Q的目的。,染料调Q技术原理图,4.染料调Q技术原理,有极高的动态损耗（）和插入损耗;与外界信号无同步特性，属被动调Q；,染料调Q技术的特点,6.5 激光器的锁模技术,调Q技术是压缩激光脉宽、提供峰值功率的有效方法，但是受到光子平均驻腔寿命的限，利用调Q技术只能获得脉宽为毫微秒量级的激光脉冲；利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉冲
13、。,无锁模激光器的输出功率与频率,锁模技术的基本原理,为什么要锁模？,瞬时输出功率是这些模式无规则的叠加，输出功率随时间无规则起伏。,无锁模激光器的输出功率与时间,经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲，这种技术称为锁模技术。,一、锁模的基本原理,通常情况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个模式的振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是互不相干的。,由于各纵模间是不相干，输出平均光强可表示为诸模光强的简单和.,假如各振荡纵模的相位被锁定，即振荡模的频率间隔保持一定，初始相位关系亦保持一定，那么激光器的输出光强由于诸模相干
14、叠加的结果将发生很大的变化。,可见锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的提高了N倍。,主动锁模 振幅调制锁模 位相调制锁模 被动锁模 同步泵浦锁模 注入锁模 对撞锁模,二、实现锁模的方法,6.6 激光器的稳频,为什么要稳频？,激光频率的自然不稳定度:,由于温度等其它条件的变化，腔长和介质折射率将发生变化，从而造成纵模频率的不稳定。,q阶纵模频率可以表达为：,单模输出功率,兰姆凹陷,方法一：兰姆凹陷法稳频,对非均匀加宽单模激光器，当输出光的频率与介质跃迁中心频率相同时，激光器输出功率下降，在输出功率对频率的关系曲线上出现一个凹陷，称为兰姆凹陷。,光电接 前置 选频 收器 放大 放大稳频激光器 音频振
15、荡 相敏检波 直流放大 I I I f f t 2f t 1 0 2 t t t f,压电陶瓷,0,f,f,音频,相敏,音频,相敏,饱和吸收法稳频的示意装置如图所示。与激光输出功率曲线的兰姆凹陷相似，在吸收介质的吸收曲线上也有一个吸收凹陷，如图所示 由于吸收管内的压强很低，碰撞增宽很小，所以吸收线中心形成的凹陷比激光管中兰姆凹陷的宽度要窄得多。,方法二：饱和吸收法稳频,激光通过激光管和吸收管时所得到的单程净增益应该是激光管中的单程增益 和吸收管中的单程吸收 的差，即 如图(a)，只有频率调到 附近激光 才能振荡。如图(b)，频率在整个线宽范围内调谐均能振荡。反转兰姆凹陷比兰姆凹陷的宽度窄，其中
16、心频率两侧的斜率比兰姆凹陷曲线两侧的斜率大，故可以减小搜索信号的幅度以提高稳定性,激光的优点在于它具有良好的单色性、方向性和相干性 理想的激光器输出光束应该只有一个模式，但是对于实际的激光器，如果不采取模式选择，它们的工作状态往往是多模的。含有高阶模式横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角大。含有多纵模及多横模的激光器单色性及相干性差。,6.7 选模技术,在激光准直、激光加工、非线性光学、激光远程测距等领域都需要基横模激光束。在精密干涉测量，光通讯及大面积全息照相等应用中更要求激光是单横模和单纵模光束。因此，设计和改进激光器的谐振腔以获得单模输出是一个重要课题。,所谓横模的选择，就是从谐振腔可
17、能产生的许多模式中，选出基模，而其他的模式被抑制，不能产生振荡 在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，随着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。谐振腔中不同的横模具有不同的衍射损耗是横模选择的物理基础。为了提高模式的鉴别能力，应该尽量增大高阶模式和基模的衍射损耗比。,6.7.1 横模的选择,选择横模的方法一：腔内加光阑,在谐振腔内设置小孔光阑和限制工作物质横截面面积可以增加高阶模衍射损耗，使激光器单模运行。这一方法实际是使光斑尺寸较小的基模无阻拦地通过小孔光阑，而光斑尺寸较大的高阶横模却受到阻拦而遭受较大的损耗。,为了扩大基模体积充分利用工作物质，通常采用聚焦光阑选模,物理基础：基模体积最小，高阶模的
18、体积较大，当腔镜发生倾斜时，高阶横模损耗显著增大，基模受到的影响较小。,缺点：腔镜的倾斜导致激光的总功率输出显著降低,选择横模的方法二：倾斜腔镜法,选择横模的方法三：正确选择腔的结构形式,衍射损耗的大小及模鉴别能力的值与谐振腔的腔型有关，可适当选择腔的结构，增大高阶模式和基模的衍射损耗比,提高模式的鉴别能力。,激光器的振荡频率范围和频谱：由工作物质增益曲线的频率宽度来决定。,6.7.2 纵模的选择,激光纵模形成条件：,满足谐振条件；落在工作物质的荧光谱线宽度内；满足阈值条件。,所谓激光纵模选择，就是通过使激光器只允许有一种频率振荡，二其余的频率则均被抑制。,缺点：腔长太短，输出功率低。,选择纵
19、模的方法一：缩短腔的长度(短腔法),相邻两个纵模的频率差：,物理基础：F-P只能对某些特定频率的光通过。产生振荡的频率不仅要符合谐振腔共振条件，还要对标准具有最大的透过率,选择纵模的方法二：腔内插入F-P标准具法,法布里帕罗标准具透过光的频率为获得最大透射率的两相邻频率间隔适当的调整 角，就可以达到选频的目的,激光器一端的反射镜被三块反射镜的组合所代替，其中M3和M4为全反射镜，M2是具有适当透射率的部分透射部分反射镜这相当于两个谐振腔的耦合，一个是由M1、M3组成，其腔长为L1+L2；另一个由M3、M4组成，其腔长为L2+L3，两个谐振腔的纵模频率间隔分别为：c/2(L1+L2)和c/2(L
20、2+L3)只有同时满足两个谐振条件的光才能形成振荡，故只要L2+L3足够小就可以获得单纵模输出,选择纵模的方法三：三反射镜法,6.8 激光束的变换,激光从激光器里输出以后都要经过一定的光束变换以后才会被用到各种应用场合光束变换的基本工具是透镜,薄透镜对高斯光束的作用与平常的成象作用有一定的不同,需要进行研究本节从薄透镜的光束变换特性出发讨论高斯光束通过薄透镜时的变换,继而研究高斯光束的聚焦高斯光束的准直,激光切割,长度测量,6.8.1 高斯光束通过薄透镜时的变换,透镜的变换应用到高斯光束上，如下图所示，有以下关系前式是薄透镜假设：透镜足够薄至使入射高度和出射高度不变实际问题中，通常 和 是已知
21、的，此时，则可以根据高斯光束的性质计算出入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径，利用上述透镜的变换公式进一步计算出由透镜出射的波阵面半径和有效截面半径就可以得到出射光束的束腰位置和束腰半径，因而可以确定变换后得到的出射高斯光束,高斯光束通过薄透镜时的计算,入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径分别计算出出射光束的波阵面半径和有效截面半径利用出射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径计算出其束腰半径和束腰位置,6.8.2 高斯光束的聚焦,短焦距：即短焦距时在满足条件 和 的情况下，出射的光束聚焦于透镜的焦点附近。如图所示，这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。,短焦距透镜
22、的聚焦,1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形,由前面的结论可得聚焦点光斑尺寸：,即缩短 和加大 都可以缩小聚焦点光斑尺寸。前一种方法就是要采用焦距小的透镜 后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大；另一种办法就是加大入射光的发散角从而加大，加大入射光的发散角又可以有两种做法，如图(a)和图(b),图(a)用凹透镜增大后获得微小的0,图(b)用两个凸透镜聚焦,这与几何光学中物、象的尺寸比例关系是一致的。通过以上的讨论我们看到，不论是聚焦点的位置，还是求会聚光斑的大小，都可以在一定的条件下把高斯光束按照几何光学的规律来处理,2.入射高斯光束的腰到透镜的距离s等于透镜焦距f的情形,(1)(2)同理有：,(3)根据高斯光束的渐变性可以设想，只要 和 相差不大，高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。,倒装望远镜系统压缩光束发散角,6.8.3 高斯光束的准直,高斯光束的准直：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。可以看出，增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角。选用两个透镜，短焦距的凸透镜和焦距较长的凸透镜可以达到准直的目的。,M是高斯光束通过透镜系统后光束发散角的压缩比。M是倒置望远镜对普通光线的倾角压缩倍数。由于f2f1，所以M1。又由于0，因此有M M 1,
