第11讲ppt-上海理工大学—光电信息与计算机工程学院

1第4章激光的基本技术(3)4.5激光偏转技术4.6激光调Q技术4.7激光锁模技术24.5激光偏转技术概述使激光束相对于原始位置作一定规律的偏转扫描根据使用目的不同分为两类：模拟式偏转：能使激光束连续的位移，主要用于激光显示技术数字式偏转：能使激光束离散地投射到空间中某些特定的位置上，主要用于光存储设计或评价一个光偏转器的主要指标：偏转角的大小要达到激光扫描的范围是扫描速度要满足快速记录和显示的要求偏转效率：偏转光强与入射光强之比，反映了光偏转器的光能损失分辨率或在扫描范围内可分辨的点数（是光束的发散角）目前激光技术中最常用的是以下三种偏转方法：机械式偏转、电光偏转、声光偏转34.5.1机械偏转机械偏转是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动，改变反射光或折射光的方向，从而获得光束偏转的方法优点：扫描角度大，通常可大于300，可分辨象素多，光学损失小等下图所示的旋转多面反射镜鼓是一种典型的机械偏转方法这种机械偏转法的缺点是受电机转速的限制，扫描速度较低。44.5.2电光偏转电光偏转：利用泡克耳斯效应，通过施加在电光晶体上的电场来改变晶体的折射率。偏转角：假设置于空气中的棱镜０，激光入射角为，则由折射定律可以得到在电光晶体上施加电场后，晶体折射率的改变量为。由于泡克耳斯效应引起的折射率变化极小(10-4量级)，所以出射光偏转角的相应改变量为因此出射光偏转角的改变量与折射率变化成线性关系！从而可以利用外加电压控制光线的前进方向0sin()sin0arcsin(sin)00{arcsin[()sin]}[arcsin(sin)]5电光偏转(续)实际的电光晶体偏转器是由两个晶体棱镜(如KDP棱镜)所组成。棱镜各边分别沿x’、y’和z’轴，该二晶体的光轴(z轴)反向。外加电场沿图示z轴方向，光的传播方向沿y’轴的方向，它的偏振沿x’轴施加电压后，上、下层棱镜中传播时光的折射率为总光束偏转角显示平面上可分辨的光斑数目:图4-24实际的电光晶体偏转器30630()zEm远场zBAE6330zAE633002zBE6330023063zE下下上上6电光偏转(续)一个电光偏转器所能获得的偏转角很小,很难满足实际应用的要求例如:,时,为增加偏转角，而外加电压又不太高，常将若干个KDP棱镜串接下图的结构。1Ldhcm1000zEVd73510rad其中的棱镜2、3、……11、12均为等腰直角棱镜，可以把其中每个棱镜等效地看成由两个光楔拼合而成。306312Vd总＝＝12由于光束宽度和棱镜尺寸的限制，光楔的个数不能太多74.5.3声光偏转声光效应:由于声波是纵波又是疏密波，因此声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）周期性的变化，可将此声波视为一种条纹光栅，光栅的栅距等于声波的波长，当光波入射于声光栅时，发生光的衍射。驻波的振幅按照正弦规律变化，所以介质的折射率以空间周期s在空间呈正弦变化。图(4－25)所示为一块均匀的透明介质如熔融石英，其一端为超声发生器(作正弦振动)。只有满足布拉格条件的入射光对应的衍射光才最强图(4-25)超声波在透明介质中的传播sin2s8声光偏转（续)如图(4－26)所示，当光线在满足布拉格条件的衍射角入射到光栅上时，衍射光也与衍射体光栅的等折射率面成出射由于,可以近似得到:声光偏转角式中s为声波的频率，vs为声波在器件中的传播速率。图(4-26)布拉格条件下的衍射ss2sssss294.6激光调Q技术一般脉冲激光器输出的脉冲激光都不是单一的光滑脉冲，而是如图所示的一群宽度只有几微秒量级、间隔是几微秒到几十微秒、强度随机不等的小尖蜂脉冲序列，有时称为尖峰序列。那么改善脉冲性能?调Q技术可以产生脉宽为(10-7～10-9)秒量级、峰值功率高达千兆瓦的巨脉冲;锁模技术则可产生出(10-12～10-15)秒量级的超短光脉冲，峰值功率达到T瓦量级。即调Q技术是将一般输出的连续或脉冲激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。104.6.1激光谐振腔的品质因数Q1.每振荡周期损耗的能量谐振腔内储存的能量2Q4.体积为V的腔内存储的能量为：0)(VhνtNW5.每振荡周期损耗的能量为：caVhtNνWPc总)(06.品质因子与谐振腔的单程总损耗的关系为总aPWQ222.光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为00exp()expacIIazIt总总3.上式可以改写为光子数密度的形式00()expexpcactNtNtN总chtNtI0)()(114.6.2调Q原理回顾一下激光器的工作过程:产生激光的过程中阈值并不改变公式(4-71)表明，谐振腔的损耗越大，Q值越小；损耗越小，Q值越高。调Q技术的基本思想:当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制激光器阈值，使其很高，抑制激光振荡的产生。在这种情况下，由于光束的激励，激光上能级将不断地积累粒子数。当反转粒子数达到最大数量时，突然降低激光器的阈值。此时亚稳态上的粒子的能量很快转换为光子能力，光子像雪崩一样以极高的速率增长，输出峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。调Q方法:控制不同类型的损耗，就形成了不同的调Q技术总aPWQ22radstaaaaaa总控制反射损耗------电光调Q技术控制吸收损耗------可饱和吸收染料调Q技术控制衍射损耗------声光调Q技术124.6.3电光调Q电光调Q装置如图4-27，激光腔中插入起偏振片及作为Q开关的KD*P晶体。原理:晶体在z轴方向加电压后,产生感应双折射,进入晶体的x方向振动的线偏振光分解为x’和y’振动的二线偏振光。加有半波电压时,损耗非常大,Q值很低;去掉半波电压时,损耗小,Q值很大.图4-27电光调Q装置示意图''2xyVEE与相位相差往返一次两者相位相差134.6.4声光调Q图4-28是一个声光调Q的YAG激光器的示意图。腔内插入的声光调Q器件由声光互作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成的。原理:当光通过介质中的超声场时,由于衍射造成光的偏折,偏离腔轴,此时损耗大,Q值小.一定时间后,撤去超声场,光束不发生偏折,Q值升高.声光调Q与电光调Q相比，后者电压较高(103~104V)，前者电压较低(102V)。声光调Q技术是应用较广泛的一种技术。图4-28声光调Q装置示意图144.6.5染料调Q图4-29就是染料调Q激光器的示意图。它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。染料盒内装有可饱和染料，这种染料对该激光器发出的光有强烈吸收作用，而且随入射光的增强吸收系数减小。其吸收系数可以由下式表示：腔内光强很弱时,染料对光有强烈的吸收,腔内损耗大,Q值小.随着腔内的光强逐步增强,吸收逐步减小,损耗小,Q值大.选择染料要顾及几个方面：染料吸收峰的中心波长与激光波长基本吻合；染料应有合适的饱和光强，确保得到合适的“开关”速度；染料溶液应具有一定的稳定性和保存期，以利于实用。图(4-29)染料调Q装置示意图011sII154.7激光锁模技术1964年后，又发展起一门新的脉冲压缩技术——锁模技术,这种技术把瞬间即逝的世界展现到了人们面前。首先回顾一下自由运转多模激光器的输出特性自由运转激光器通常包含有多个纵模，纵模频率为=2qqqccqLL假设每个纵模的电场表示为0()cos()qqqqEtEt则自由运转多模激光器的输出为()()qqEtEt由于自由运转多模激光器的各个振荡模式的振幅和相位是彼此独立的、随机的，所以总光场是各个模式光场的非相干选加。输出总光强是各个振荡模式光强之和，即qqII164.7.1锁模原理核心思想：锁模技术让谐振腔中存在的纵模同步振荡，让各模的频率间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。设腔内有q＝-N，-(N-1)，……0，……(N-1)，N共(2N+1)个模式，又设相邻模式的角频率之差，则如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0，则0qqNNqqtqΩiEtE])(exp[)(0Lc0001sin(21)()2()1sin()2NititiqtqNNtEtEeeEet2202sin(21)2()sin2tNItEt17锁模原理（续)图4-30是2N+1＝9个纵模经锁模后得到的有规则的脉冲示意图。当时，m=0，1，2……光强最大图4-30锁模光强脉冲2tm22022022sin(21)2()lim(21)sin2tmtENItNEt相邻脉冲峰值间的时间间隔22LTc脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔21(21)21TNN)12(20)2sin(0]2)12sin[(NnmtttN但18tνtνMEtνtνEEtEmmm00002cos)2cos1(2cos)2cos()(4.7.2主动锁模损耗内调制锁模图(4-31)锁模调制示意图从频率域模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心频率处的模首先振荡，其振幅调制后的电矢量为：0νtννMEtννMEtνEtEmm)(2cos2)(2cos22cos)(000000图(4-32)中心频率及两边频即在激光器中，一旦形成的振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡，如图（4－32）。0ν腔内传播的不仅为原有的频率，还包括频率为的两个边带。这两个边带频率与中心频率的间隔恰好等于激光器的纵模间隔.由于边带与中心频率的振荡同相位，所以使得新激发起来的纵模与的振荡也同相位。0νmν019损耗内调制锁模(续)这两个边带(纵模)通过调制器的作用，还将继续激发起另外相邻的两个边带(纵模)…。这样继续下去，可将多模激光器的所有纵模都激发成有相同相位的纵模振荡．其情况如图所示。mν0mν2020相位内调制锁模如果在谐振腔中插入一个电光位相调制器，也可达到锁模的目的。设光振幅不变，位相以频率变化，即mν)2sin2cos()(00tνtνEtEm])4(2cos)()4(2cos)()3(2cos)()3(2cos)()2(2cos)()2(2cos)()(2cos)()(2cos)(2cos)([)(0404030302020101000tννJtννJtννJtννJtννJtννJtννJtννJtνJEtEmmmmmmmm位相调制后也能激起带宽内的所有边频光同步振荡，实现锁模。214.7.3被动锁模被动锁模装置很简单，只需在腔内插入一个装有饱和吸收染料的“盒”即可;原理：当某些纵模偶然得到相干加强时，出现光场较强的部分，其他部分则较若。这些较弱的部分通过染料，被吸收的少，损耗不大；缴弱的部分通过染料，被吸收的多，反而更被减弱。最终造成这些强处（纵模相干叠加处）以窄脉冲的形式被选出来。染料必须具备以下几个条件：染料的吸收线应和激光波长很接近；吸收线的线宽要大于或等于激光线宽；其驰豫时间应短于脉冲在腔内往返一次的时间，否则就成为被动调Q激光器了。