第六章 激光特性控制和改善.doc

第六章 激光器特性 控制与改善 第一节 模式选择技术 高阶横模激光束光强分布不均匀，光束发散角大，空间相干性差 多纵模激光器光束单色性差，时间相干性差 一、横模选择的基础 谐振腔种不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础。 TEM00模单横模运转的充分条件 同时相邻横模TEM10模满足 增大高阶横模与基模的衍射损耗比，并提高衍射损耗在总损耗中所占的比例，有利于横模选择。 二、横模选择的具体方法 N增大，增大 N增大，减小 N相同时， g越小，模的鉴别力越高（大），但是越小 属于哪类共焦腔？ 属于哪类共焦腔？ 选模方法1：选择稳定腔的光腔参数 选模方法2： 腔镜倾斜选模 选模方法3：非稳腔选模 选模方法4：小孔光阑选模 对于的稳定腔（利用图7.1.1） 加小孔前 N=2 ，，，假设其他损耗为，总的损耗比 加小孔后 N=1 ，，，假设其他损耗为， 在稳定腔中，可以较大，但是衍射损耗在总损耗中所占的比例较小，可以增加小孔光阑(降低腔的菲涅耳数)来提高衍射损耗所占的比例。这是虽然取决于衍射损耗的模鉴别力下降，但是总的损耗比却增加。在实际使用中，加小孔往往将腔的菲涅耳数降低几十到上百倍。 三、纵模选择 通过窄带滤波器和色散元件选择振荡能级。 在同一个谱线振荡线宽内选择纵模： 短腔法 扩大相邻纵模增益差 增益带宽 纵模频率间隔： 当时，实现单纵模振荡 适用于气体激光器等荧光线宽较窄的激光器 例如：泵浦强度为2倍阈值时， 对于He-Ne激光器， 对于CO2激光器， 对于红宝石激光器， 2.行波腔法 消除驻波效应 3．选择性损耗 在腔内插入标准具或利用复合腔，利用多光束干涉，是谐振腔具有与频率相关的选择性损耗。 插入标准具时，标准具的透射率对应峰值： 相邻透射峰间隔 透射谱线宽度 当，且时，可得单纵模振荡。 其他组合腔 福克斯—史密斯干涉仪选模装置 外腔半导体激光器选模装置 第二节 Q调制 弛豫振荡的概念（同学复习） Q调制激光器的工作原理 0—t1时刻：在泵浦源激励的作用下迅速增加，但是，N的数值很小，不能产生激光。t—t1时，。 t１—t２时刻：t1时，损耗突然下降至，由于，光子数密度N迅速增加，导致被迅速消耗，t２时刻，，达到最大值。 t２—t３时刻：，N开始减小，至t３时刻，N减小到Ni，光脉冲消失。 基本原理：通过某种方法使谐振腔损耗因子按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始时，粒子数可以积累到较高水平，在适当的时刻，腔的损耗因子突然降低到，阈值也随之降低，此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射迅速增强，在极短的时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转换为激光能量，形成很强的激光脉冲输出。 采用调Q技术可以获得峰值功率高于兆瓦，脉宽几十纳秒的脉冲。 二、调Q激光器特性 １．峰值功率 在忽略开关时间，以及脉冲持续过程中自发辐射和泵浦激励的影响，有速率方程组出发，可以得到三能级系统最大光子数密度 工作物质截面积S，一个反射镜透过率T，另一个反射镜透射率为零时，激光器峰值功率Pm为 Nm和Pm都随增加而增大，取决于下列因素： １）越大，则允许达到的越大，越小，越小，应提高数值； ２）泵浦源功率越高，越大； ３）激光上能级寿命越长，越大 一般气体激光器上能级寿命较短，不适合作调Q器件（He-Ne上能级寿命仅为２０ns），气体激光器中仅CO2激光器上能级寿命较长（１ms），可采用调Q技术。 二、巨脉冲能量 巨脉冲开始时，工作物质中可能转变为激光的初始能量，储能 熄灭时，剩余能量　 腔内巨脉冲的能量　 输出巨脉冲能量 能量利用率 储能越大，巨脉冲能量越大，越小，越大，巨脉冲能量越大。 3．时间特性 N由Nm/2上升至Nm的时间，tr N由Nm下降至Nm/2的时间，te 1）增大时，脉冲前沿和后沿同时变窄，相对来说，前沿变窄更显著。因为越大，腔内净增益系数越大，腔内光子数的增长及反转粒子数的衰减越迅速，脉冲的建立和熄灭过程越短。 2）脉冲宽度正比于，又和腔长呈正比，与损耗成反比，因此宜用短腔、低损耗结构。 影响脉冲宽度的因素：光泵激励在截面内不均匀；Q开关时间 三、Q调制方法 1．电光调Q 电光效应：某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体的不同偏振方向的光产生位相差，使光的偏振状态发生变化的现象称为电光效应 普克尔效应；克尔效应 常用电光晶体KDP,KD*P,LiNbO3及BSO 特点开关时间短，可获得脉冲宽度窄，峰值功率高的巨脉冲。 工作原理：电光晶体上施加电压时,从偏振器出射的偏振光经过电光晶体后，其偏振方向旋转450再次穿过时，又旋转450，往返传播，偏振方向旋转900，无法穿过偏振片。 说明电光调Q工作过程。 2．声光调Q 声波在某些介质中传播时，介质会产生与声波信号相应的，随时间和空间变化的弹性形变，