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1、第五章 激光器特性的控制与改善,简单激光器发射的激光束，性能往往不能满足应用的需要，因此不断地发展控制与改善激光器输出特性的各种单元技术。模式选择、稳频注入锁定技术改善激光器输出光的时间相干性或空间相干性调制、锁模、增益开关及腔倒空等技术可获得窄脉冲高峰值功率的激光束。激光放大提高激光束的功率与能量。本章介绍以上控制与改善激光器特性的各种技术的原理及其理论。,5.l 模式选择,理想激光器的输出光束应只具有一个模式。然而若不采取选模措施，多数激光器的工作状态往往是多模的。含有高阶横模的激光束光强分布不均匀，光束发散角较大。含有多纵模及多横模的激光束单色性及相干性差。激光准直、激光加工、非线性光学
2、研究、激光中、远程测距等应用均需基横模激光束。而在精密干涉计量、光通信及大面积全息照相等应用中不仅要求激光是单横模的，同时要求光束仅含有一个纵模。因此，如何设计与改进激光器的谐振腔以获得单模输出是一个重要课题。,一、横模选择,谐振腔中不同横模具有不同的损耗是横模选择的物理基础。在稳定腔中，基模的衍射损耗最低，随着横模阶次的增高，衍射损耗将迅速增加。 激光器以TEM00模单模运转的充分条件是：TEM00模的单程增益至少应能补偿它在腔内的单程损耗，即,在各个横模的增益大体相同的条件下，衍射损耗的差别是进行横模选择的根据。必须尽量增大高阶横模与基模的衍射损耗比。同时还应使衍射损耗在总损耗中占有足够的
3、比例。,衍射损耗的大小及模鉴别力的高低与谐振腔的腔型和菲涅耳数有关。衍射损耗随菲涅耳数的增大而减小，模鉴别力却随之提高。当N不太小时共焦腔和半共焦腔的衍射损耗很低，与其他损耗相比，往往可以忽略，因而无法利用它的模鉴别力高的优点实现选模。此外，共焦腔及半共焦腔基模体积甚小，因而其单模振荡功率也低。平面腔与共心腔虽然模式鉴别力低。但由于衍射损耗的绝对值较大，反而容易利用模式间的损耗差实现横模选择。而且它们的模体积较大，可获得高功串单模振荡。,图5.1.1对称稳定腔的两个低次模的单程损耗比,图5.1.2平凹稳定腔的两个低次模的单程损耗比,1小孔光阑选模,在谐振腔内设置小孔光阑或限制工作物质横截面积可
4、降低谐振腔的费涅耳数，增加衍射损耗，从而使激光器实现基横模运行。这一方法的实质是使光斑尺寸较小的基棋无阻挡地通过小孔光阑，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。由于在谐振腔的不同位置，光斑尺寸不同，所以小孔光阑的大小因其位置而异，为了扩大基横模体积充分利用激光工作物质，常采用聚焦光光阑法选模。,图5.1.3 小孔光阑选模,图5.1.4聚焦光阑选模,2谐振腔参数g、N选择法 适当选择谐振腔的类型和腔参数g,N值，使谐振腔的衍射损耗满足激光器单基横模输出。,3.非稳腔选模 非稳腔是高损耗腔，不同横模的损耗有很大差异。利用非稳腔可在高增益激光器中选择横模。,4微调谐振腔 对于平面腔，当
5、腔镜倾斜时基模损耗增加最显著，腔的偏调有利于高阶模的优先振荡。对于稳定腔，由于基模体积最小而高阶模的体积较大，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，因而仍可继续维持振荡。这样，适当将腔镜倾斜就可以抑制高阶横模。,二、纵模选择,在激光工作物质中，往往存在多对激光振荡能级，可以利用窄带介质膜反射镜、光栅或棱镜等组成色散腔获得特定波长跃迁的振荡。,一般谐振腔中不同纵模有相同的损耗但由于频率的差异而具有不同的小信号增益系数。因此扩大和充分利用相邻纵横间的增益差，成人为引入损耗差是进行纵模选择的有效途径。,1短腔法,缩短谐振腔长度，可增大相邻纵横间隔，以致在荧光谱线有效宽度内，只存
6、在一个纵模，从而实现单纵模振荡。适用于荧光谱线较窄的激光器,2行波腔法,在均匀加宽工作物质组成的激光器中，虽然增益饱和过程中的模竞争效应有助于形成单纵模振荡，但由于驻波腔中空间烧孔的存在当激励足够强时，激光器仍然出现多纵模振荡。若采用环行腔，并在腔内插入一个只允许光单向通过的隔离器，则可形成无空间烧孔的行波腔，从而实现单纵模振荡。,图5.1.5环形行波腔激光器,图5.1.6腔内插入法珀标准具,3选择性损耗法,若在腔内插入标准具或构成组合腔则由于多光束干涉效应，谐振腔具有与频率有关的选择性损耗，损耗小的纵模形成振荡，损耗大的纵模则被抑制。由于多光束干涉，只有某些特定频率的光能透过标准具在腔内往返
7、传播，因而具有较小的损耗。其他频率的光因不能透过标准具而具有很大的损耗。由物理光学可知，标准具透射率峰对应的频率为,j为正整数小，为标准具二镜间介质的折射率，d为标准具长度，为标准具内光线与法线的夹角。,透射谱线宽度,则可获得单纵模输出。可求出所需标准具长度d及镜面反射率r,若调整角，使vj对准靠近增益曲线中心频率的纵模频率，条件尚可放宽,图5.1.7 含法珀标准具腔选模原理图(a)小信号增益曲线，(b)纵模谱(c)法珀具透射率曲线,图7.1.8福克斯史密斯干涉仪选模装置,图7.1.9 外胶半导体激光器选模装置,福克斯史密斯型复合腔中，由分束镜M和全反射镜射M2和M3组成的福克斯史密斯干涉仪取
8、代谐振腔的一个反射镜，从而形成选择性反射。频率等于干涉仪反射峰频率的模式因具有最小损耗而起振，其他模式则被抑制。,外腔半导体激光器中，激光二极管(LD)的两个解理面M1、M2和外反射镜M3组成复合腔，适当选择反射率并调节M3的位置可选出单长腔模。,5.2 频率稳定,激光的特点之一是单色性好，即其线宽与频率的比值很小。自发辐射噪声引起的激光线宽极限确实很小，但由于各种不稳定因素的影响，实际激光频率的漂移远远大于线宽极限。在精密干涉测量、光频标、光通信、激光陀螺及精密光谱研究等应用领域中，需要频率稳定的激光。,环境温度的起伏，激光管的发热及机械振动都会引起谐振腔几何长度的改变。温度的变化、介质中反
9、转集居数的起伏以及大气的气压、湿度变化都会影响激光工作物质及谐振腔裸露于大气部分的折射率。,频率稳定性,为了改善频率稳定性通常采用电子伺服控制稳频技术，当激光频率偏离标准频率时鉴频器给出误差信号控制腔长，使激光频率自动回到标准频率上。将介绍兰姆凹陷稳频、塞曼稳频、饱和吸收稳频及无源腔稳频等四种稳颇方法的原理。 频率稳定特性包含着频率稳定性及频率复现性两个问题。频率稳定性描述激光领率在参考标准频率、附近的漂移，而频率复现性则是指参考标准频率本身的变化。,一、兰姆凹陷稳频,兰姆凹陷法以增益曲线中心频率v0为参考标准频率，电子伺服系统通过压电陶瓷控制激光器的腔长，使频率稳定于v0 。,图5.2.1
10、兰姆下陷稳频系统,图5.2.2说明兰姆下陷稳频原理示意图,为了改善频率稳定性，希望微弱的频率漂移就能产生足以将频率拉回的信号，要求兰姆凹陷窄而深。使激光器工作于最佳电流并降低损耗可以增加凹陷深度。凹陷宽度则正比于 L，因而正比于气压，故降低气压可使凹陷变窄，但气压过低会使激光器功率降低甚至使激光不能产生。,图5.2.3输出功率曲线(a)单一同位素Ne20；（b)普通氖气,二.塞曼稳频,用塞曼效应稳频的方法可分为纵向塞曼稳频(外磁场方向与激光管轴线平行)、横向塞曼稳频及塞曼吸收稳频(利用腔内吸收介质的塞曼效应稳频)等三种。,图5.2.4 双频激光器稳频示意图,图5.2.5 双频激光管的增益、色散
11、曲线及振荡模谱(末加磁场时),图5.2.6 双频激光管的增益、色散曲线及振荡模谱(加纵向磁场),在未加磁场时，腔长足够短时只有频率为vq的纵模振荡。如果vq=v0，则频率牵引为零。此时折射率（0）01 加磁场后，光谱线发生塞曼分裂，沿着磁场方向观察时，谱线分裂右旋和左旋圆偏振光 。,磁场强度H003T，则v0 1100MHz。,随着光谱线的分裂，增益曲线和色散曲线也发生分裂，考虑频率牵引,加上纵向磁场时，激光器产生左旋圆偏振及右旋圆偏振的双频激光，频差v约为塞曼分裂值v0 千分之几。 v的值和谐振腔的损耗及腔内光强有关，当损耗及放电条件变化时， v也随之改变。,双频激光器稳频方法之一：测出二圆
12、偏振光输出功率之差值，以此作为鉴额的误差信号，再通过伺服控制系统控制激光器腔长。之二： 左、右旋圆偏振光的频率差与振荡模无源腔频率有关。利用拍频方法测出左、右旋圆偏振光的频差也可以提供鉴频的误差信号。,三、饱和吸收稳频,上述两种稳频方法都是以增益曲线中心频率v0作为参考标准频率，但v0易受放电条件的影响而发生变化，因此频率复现性差。为了提高稳频精度，希望降低气压以提高兰姆下陷的锐度，但激光管不能在过低的气压下工作，因此频率稳定性的进一步减少也受到限制。为了提高频率复现性及稳频精度，可采用饱和吸收稳频法。,吸收管内的气体在激光振荡频率处有强吸收峰，吸收管内气压很低，通常只有110Pa低压气体吸收
13、峰的频率很稳定，因此频率复现性好。,图5. 2.7 饱和吸收稳频示意图,当入射光足够强时，由于下能级粒子数的减少和上能级粒子数的增加，吸收管内物质的吸收系数将随入射光强之增加而减小，这就是吸收饱和现象。吸收饱和现象和前面讨论的增益饱和现象是完全类似的若把吸收看成负增益，则关于增益饱和的全部理论均可用于吸收饱和。由于吸收管内气压很低，吸收谱线主要是多普勒加宽如有一频率为1，光强为I1的强光入射，则吸收曲线出现烧孔，烧孔的宽度为,图6.2.8 吸收曲线,如果把吸收管放在谐振腔内，并且腔内有一频率为1的模式振荡，若1 0，购正向传播的行波及反向传播的行坡分别在吸收曲线的形成两个烧孔。若1 0 ，刚正
14、反向传播的行波共同在吸收曲线的中心频率处烧一个孔。 若作出光强一定时吸收系数和振荡频率的关系曲线，则曲线出现凹陷，激光器输出功率出现一个尖锐的尖峰，称为反兰姆凹陷。利用反兰姆凹陷，可使激光器的频率稳定在0其稳频系统与兰姆凹陷法类似。,图6.2.9 反兰姆凹陷的形成(a)光强一定时物质对振荡模的吸收系数和振荡模频率的关系曲线(b)激光器输出功率曲线。,通常利用分子的基态与振转能级间的饱和吸收进行稳频。由于其吸收较强，所以可在低气压下工作，碰撞线宽较小。并且由于分子的振转跃迁寿命长，自然线宽也小。因此可得到尖锐的反兰姆凹陷。同时，因为利用自基态的吸收跃迁，无须放电激励，所以频率复现性好。,四、无源
15、腔稳频,外界无源腔的特征频率也可用作稳频的参考频率。激光频率的变化将引起透过法珀干涉仪光功率的变化。利用与兰姆凹陷稳频类似的鉴频方法得到的误差信号控制激光器的有效腔长可使激光频率稳定于无源腔的最佳透过频率，它可用作频分复用光通信的发射光源。,图6.2.10 无源腔稳频示意图,7.3 Q 调 制,一、Q调制激光器工作原理,在泵浦激励过程中，当工作物质中反转集居数密度增加到阈值时就产生激光。超过阈值l时，随着受激辐射的增强，上能级粒子数大量消耗，反转集居数迅速下降，直到低于阈值时，激光振荡迅速衰减。然后泵浦的抽运又使上能级逐渐积累粒子而形成第二个激光尖蜂。如此不断重复，便产生一系列小的尖场脉冲。由
16、于每个激光脉冲都是在阈值附近产生的，所以输出脉冲的峰值功率较低，一般为几十千瓦数量级。增大输入能量时，能使尖蜂脉冲的数目增多，而不能有效地提高功率水平。,Q调制技术：为了得到高的峰值功率和窄的单个脉冲，它的基本原理是通过某种方法使谐振损耗按照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始时，先使光腔具有高损耗，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平。然后在适当的时刻，使腔的损耗突然降低，阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转变为激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。很容易获得峰值功
17、率高于兆瓦，脉宽为几十毫微秒的激光巨脉冲。,图6.3.1 调Q过程反转粒子数密度及光子数密度随时间的变化,二、Q调制方法,凡能使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作Q开关。常用的调Q方法有转镜调Q、电光调Q声光调Q与染料调Q等。前三种方法中谐振腔损耗由外部驱动源控制，称为主动调Q。后一种方法中，谐振腔损耗取决于腔内激光光强，因此称为被动调Q，转镜调Q是最早发展的一种调Q方法，但目前已很少使用。,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之间产生位相差，从而使光的偏振面旋转的现象。其中折射率的变化和电场成正比的效应称为普克尔效应，折射率的变化和电场
18、强度平方成正比的效应称为克尔效应,电光调Q：利用晶体的普克尔效应来实现突变的方法。,图6.3.2 电光调Q激光器示意图,电光Q开关是目前使用广泛的一种Q开关，适用于脉冲激光器。其主要特点是开关时间短(约10-9s)，为快开关类型。电光调Q激光器可以获得脉宽窄、峰值功率高的巨脉冲。例如典型的Nd：YAG电光调Q激光器的输出光脉冲脉宽为10一20ns，峰值功率可达数兆瓦一数十兆瓦，而对于钕玻璃调Q激光器，不难获得数百兆瓦的峰值功率。常用电光晶体有KDP、KD*P、LiNiO3、及BSO等。,当声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的
19、周期变化形成等效的位相光栅，其光栅常数等于声波波长入。光束射经此介质时发生衍射一部分光偏离原来方向。,2声光调Q,声光Q开关由一块声光介质及换能器组成，常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。声光介质表面粘接有由铌酸锂、石英等压电材料薄片制成的换能器，换能器的作用是将高频信号转换为超声波。,声光开关置于激光器中。在超声场作用下发生衍射，由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加，从而使激光振荡难以形成，激光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场，则衍射效应即刻消失，谐振腔损耗突然下降，激光巨脉冲遂即形成。,声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间，属快开关类型。由于开关的调制电压只需100
20、多伏，所以可用于低增益的连续激光器，可获得峰值功率几百千瓦、脉宽约为几十毫微秒的高重复串巨脉冲。但是声光开关对高能量激光器的开关能力差。不宜用于高能调Q激光器。,图5.3.3声光布喇格衍射示意图,图5.3.4 染料盒透过率随光强变化曲线,3染料调Q,在谐振腔中设置一染料盒，利用染料的饱和吸收效应可以控制谐振腔的损耗。,谐振腔中有染料盒，泵浦过程开始时，由于染料吸收系数大，谐振腔损耗很大，激光器不能起振。随着反转集居数的积累，放大的自发辐射逐渐增加，当光强与染料的Is可比拟时，吸收系数显著减少。当单程增益等于单程损耗，激光器开始起振。随着激光强度的增加，染料的吸收系数又继续下降，而这又促使激光更
21、迅速地增加，于是产生了受激辐射不断增长的雪崩过程。当激光光强增加至可与增益介质的饱和光强可比拟时，增益系数显著下降，最终导致激光熄灭。,由上述巨脉冲发展过程可知，用作被动Q开关的染料应具备下列特性： (1)吸收峰中心波长应与激光器激光波长吻合；(2)饱和光强Is要适当。Is小于增益介质的饱和光强Is是巨脉冲产生的必要条件，Is太大还会因开关速度太慢而严重影响调Q效果。但Is太小也，工作物质的反转集居数不能充分积累。,染料调Q是一种被动式快开关，使用简单与脉冲激光器配合可获得峰值功率千兆瓦，脉宽数十纳秒的激光巨脉冲。其缺点是染料易变质，需经常更换，输出不够稳定。,三、调Q激光器基本理论结果,1调
22、Q激光器的峰值功率,(1)Q开关关闭时腔的损耗值越大，则允许达到而不致越过阈值的ni值越大。Q开关打开后腔的损耗越小，则阈值越小。希望H/值大。(2)泵浦功率越高，则ni/ nt越大。(3)在相同的泵浦功率下，激光上能级寿命越长，则ni/ nt越大。一般气体激光器的激光上能级寿命较短，如氮氖激光器的6328埃激光上能级的寿命仅20ns，不适于作调Q器件。在气体激光器中，二氧化碳激光器的激光上能级寿命较长(约为1ms)，因此可采用调Q技术。 ,2巨脉冲的能量,图6.3.5 剩余反转集居数密度及能量利用率和初始反转集居数密度的关系(a)巨脉冲熄灭时反转集居数密度与初始反转集居数密度的关系 (b)能
23、量利用率与初始反转集居数密度的关系,输出巨脉冲能量为,3巨脉冲的时间特性,在脉冲形成过程中，设腔内光子数密度N由Nm2上升至Nm所需的时间为tr由Nm下降至Nm2所需的时间为 te，则巨脉冲宽度定义为,图6.3.6 Q开关过程中反转集居数密度和光子数 密度随时间的变化,(1)当ni/ nt 增大时，脉冲的前沿和后沿同时变窄，前沿变窄更显著。腔内净增益系数越大，腔内光子数的增长及反转集居数的衰减就越迅速，因此脉冲的建立及熄灭过程也就越短。 (2)脉冲宽度正比于光子寿命，而又和腔长成正比，所以为了获得窄脉冲，腔长不宜过长，输出损耗也不能太小。,四、脉冲透射式调Q(腔倒空),以上讨论的Q调制方式属于工作物质贮能调Q，称作脉冲反射式调Q，由于振荡和输出同时进行，脉宽取决于激光增长和衰减过程，光束需要在腔内往返若干次才能完成衰减过程，所以脉宽长达数十纳秒。 谐振腔由全反射镜Ml和可控反射镜M2组成。T0时，M2镜全反射，谐振腔处于高Q值状态，激光器振荡但无输出。激光能量储存于谐振腔中。t0时，控制M2镜使其透射率达100储存于腔内的激光能量迅速透出腔外，于是输出一巨脉冲。脉冲透射式调Q或腔倒空。,图6.3.7 脉冲反射式与脉冲透射式调Q过程示意图,