研究生光学调Q

姓名：张程专业：光学学号：2015020636专题二：全固态激光技术与器件研究进展一、简述在全固态激光技术中，要实现纳秒脉冲输出和皮秒脉冲输出的先进技术手段。1、全固态激光技术激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。激光是受激辐放大光。激光器是发射(或产生)激光的装置(或器件)。20世纪80年代开始，全固态激光器进入全面发展阶段。探索和研究新的激光介质、激光波探索和研究新的激光介质、激光波长、调制方式，发展创新泵浦光耦合技术、谐振腔设计等，利用非线性频率变换技术将激光波长拓展至深紫外和中红外。全固态激光器是其应用技术领域中关键的、基础的核心器件，因此一直倍受关注。近来，由于大功率半导体激光器迅速发展，促成全固态激光器的研发工作得以卓有成效地展开，并取得了诸多显赫成果。已经确认，传统灯泵浦固体激光器的赖以占据世界激光器市场主导地位的所有运转方式，均可以通过半导体激光器泵浦成功地加以实现。通常应用在激光打标机、激光划片机、激光切割机、激光焊接机、激光去重平衡、激光蚀刻等系统中。由于全固态激光器具有高光电转换效率、高功率、高稳定性、高可靠性、寿命长、体积小等优势，采用全固态激光器已成为激光加工设备的趋势和主流方向。固体激光器，其运转方式可以分为连续运转和脉冲运转。脉冲调Q技术，就是通过调制谐振腔中的损耗从而对输出激光进行调制，能实现纳秒量级脉冲输出；而通过锁模技术，使谐振腔中的纵模呈现出固定的相位关系，能够实现皮秒到飞秒量级的脉冲输出。2、调Q技术在激光技术中，用Q值来描述一个谐振腔的质量。谐振腔的品质因数Q定义为Q=02{腔内存储的能量每秒损耗的能量}=2Lc其中L为谐振腔腔长；c为光速；为介质折射率；为激光震荡频率；为光在腔内传播的单程损耗。当与谐振腔长L一定时，谐振腔的的品质因数Q与腔的损耗成反比，即Q值能表征谐振腔损耗的大小。激光调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术，在泵浦开始时使腔处于低Q值状态，使激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，上能级的反转粒子数就可以大量积累，能量可以储存的时间决定激光上能级的寿命。当积累到最大值时，突然使腔的损耗降低到，阈值也随之突然降低，此时反转集居数大大超过阈值，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内的激光能量，形成一个很强的激光巨脉冲输出。常用的调制方法包括主动调Q,通过控制外部驱动源来主动控制谐振腔的Q值,例如电光调Q,声光调Q;被动式调Q是指谐振腔的损耗取决于腔内激光光强，例如可饱和吸收燃料调Q。3、锁模技术锁模是获得窄脉宽、高重复频率、高峰值功率的光脉冲输出的有效方式。锁模包含两方面的内容：各震荡纵模频率相位锁定，即1qq常数；各震荡纵模频率间隔相等并固定为:12qqqcL.由于是将各纵模的初相位锁定，故锁模也可以叫做锁相。锁模激光器的输出特性：①激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。光在腔内往返一次的时间为2L/c,等于在腔内只有一个脉冲在振荡，一个脉冲中包含锁定的纵模数。②脉冲宽度按照定义脉宽应是两半极大值之间的宽度，在这里可以近似用极大值和0点之间的时间来表示。1221LtNc③脉冲的峰值功率输出脉冲的峰值功率为20])12[(ENP注意这是峰值功率，平均功率比自由运转低。自由运转的激光器输出的平均功率20)12(ENP纵模锁定以后，输出脉冲的峰值功率提高了(2N+1)倍，如在固体激光器中，一般振荡模可以达141310~10个，峰值功率很高。④在锁模过程中，各模之间发生功率耦合，不再独立。锁模的结果是输出序列的脉冲，脉宽窄，峰值功率高，脉冲的能量是所有相位固定的纵模提供的。利用锁模技术可以实现皮秒的输出。二、了解固体激光器、气体激光器、半导体激光器三类激光器的激励方式，并将半导体激光器与气体激光器比较，如何获得优良的半导体激光器激光输出空间分布。1、固体激光器的激励方式是光激励;气体激光器主要激励方式有电激励、光激励和化学激励等;半导体激光器的激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。气体激光器是以气体或蒸汽为工作物质的激光器，它的突出优点有：a谱线范围广，有数百种气体和蒸汽可以产生激光，谱线波长覆盖了从亚毫米波到真空紫外线b输出激光束的质量高，其激光束的相干性、单色性和方向性均优于半导体激光器c输出激光功率大，即能连续又能脉冲工作d转换效率高。但是由于气体激活粒子密度远小于固体，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出，因此气体激光器的体积一般比较大。半导体激光器是以半导体材料为工作物质的一类激光器，覆盖的波段范围很广，使用寿命长，而且体积小、质量轻、价格便宜。但是半导体激光器的激光束发散角比较大，激光震荡的模式比较差。半导体激光器的横模表示垂直于谐振腔方向上的广场分布。激光器的横模决定了激光光束的空间分布，也称为半导体激光器的空间模式。通常将半导体激光器输出的广场分布分别用近场与远场特性来描述，近场分布是激光器输出镜面上的光强分布，有激光器的横模来决定；远场分布是指距离输出端面一定距离处所测到的光强分布，不仅与激光器的横模有关，还与光束的发散角有关。为了获得优良的激光光束的空间分布，通常希望激光器工作于基横模TEM00模振荡的情况，因为这种基横模的发散角最小，亮度最高。另外由于半导体激光器的发散角很大，我们在实际应用中往往需要使激光聚焦或准直，可以通过外部的光学系统来压缩半导体的发散角以实现相对准直的光束。利用半导体激光器作为泵浦源时，用透镜组合而成的望远系统可以将光束聚焦到激光工作物质上，获得优良的激光输出空间分布。2、半导体激光器与气体激光器的比较气体激光器是以气体或蒸汽为工作物质的激光器，气体激光器的突出优点有：①谱线范围广，有数百种气体和蒸汽可以产生激光，已观测到的激光谱线有上万条，谱线波长覆盖了从亚毫米波到真空紫外线，甚至X射线，射线。②输出激光束的质量高，其激光束的相干性、单色性和方向性均优于固体激光器和半导体激光器。③输出激光功率大，即能连续又能脉冲工作。④转换效率高。但是由于气体激活粒子密度远小于固体，需要较大体积的工作物质才能获得足够的功率输出，因此气体激光器的体积一般比较大。半导体激光器有称为激光二极管是以半导体材料为工作物质的一类激光器，半导体激光器的突出优点有：①低功率低电流直接抽运，可由传统的晶体管电路直接驱动。②可用高达Ghz的频率直接进行电流调制。③转换效率很高。另外半导体激光器还具有覆盖的波段范围很广，使用寿命长，而且体积小、质量轻、价格便宜等优点。但是半导体激光器的激光束发散角比较大，激光震荡的模式比较差。3、获得优良的半导体激光器激光输出空间分布的方法半导体激光器的横模表示垂直于谐振腔方向上的广场分布。激光器的横模决定了激光光束的空间分布，也称为半导体激光器的空间模式。通常将半导体激光器输出的广场分布分别用近场与远场特性来描述，近场分布是激光器输出镜面上的光强分布，有激光器的横模来决定；远场分布是指距离输出端面一定距离处所测到的光强分布，不仅与激光器的横模有关，还与光束的发散角有关。为了获得优良的激光光束的空间分布，通常希望激光器工作于基横模TEM00模振荡的情况，因为这种基横模的发散角最小，亮度最高。另外由于半导体激光器的发散角很大，我们在实际应用中往往需要使激光聚焦或准直，可以通过外部的光学系统来压缩半导体的发散角以实现相对准直的光束。利用半导体激光器作为泵浦源时，用透镜组合而成的望远系统可以将光束聚焦到激光工作物质上，获得优良的激光输出空间分布。