2009/12/112009/12/11南师大光电技术江苏省重点实验室南师大光电技术江苏省重点实验室1光电子技术Optoelectronics Technique2009/12/11南师大光电技术江苏省重点实验室25 激光脉冲技术激光脉冲技术2009/12/11南师大光电技术江苏省重点实验室35.1 脉冲激光器的尖峰效应脉冲激光器的尖峰效应脉冲激光器的尖峰效应脉冲激光器的尖峰效应第一阶段第一阶段(t0 -t1 -t2 )，从，从t0时刻光泵浦开始，时刻光泵浦开始，N的增长率占优势；直到的增长率占优势；直到t1时刻， 时刻， N达到阈值条件而产生激光，使激光器内光子数密度急剧增加；受激辐射使达到阈值条件而产生激光，使激光器内光子数密度急剧增加；受激辐射使N减少速率也逐渐变快，但只要泵浦引起的增长率大于受激辐射引起的减小率， 减少速率也逐渐变快，但只要泵浦引起的增长率大于受激辐射引起的减小率， N仍在增加，直到仍在增加，直到t=t2时刻，二者速率相等， 时刻，二者速率相等， N达到极值。第二阶段达到极值。第二阶段(t2 -t3 )， ， N大于阈值条件仍成立，激光继续产生，腔内光子数密度仍急剧增加，受激辐射造成的大于阈值条件仍成立，激光继续产生，腔内光子数密度仍急剧增加，受激辐射造成的N减少速率也继续增大，超过泵浦引起的增长率 减少速率也继续增大，超过泵浦引起的增长率 N开始诚小，直到开始诚小，直到t=t3时刻， 时刻， N又回到阈值。第三阶段又回到阈值。第三阶段(t3 -t4 )，t3之后， 之后， N小于阈值，增益小于损耗，腔内光子数密度急剧减小；但仍有小于阈值，增益小于损耗，腔内光子数密度急剧减小；但仍有N 0，即受激辐射大于零，因而，即受激辐射大于零，因而N继续减少，但减少速率变小，直到继续减少，但减少速率变小，直到t=t4时刻，增加速率等于减小速率， 时刻，增加速率等于减小速率， N达到极小值。第四阶段达到极小值。第四阶段(t4 -t5 )，t4之后， 之后， N的增加率再次占优势，直到的增加率再次占优势，直到t5时刻，再次达到阂值，将开始下一轮振荡。时刻，再次达到阂值，将开始下一轮振荡。2009/12/11南师大光电技术江苏省重点实验室4激光调激光调Q技术技术在激光被发现不久后的在激光被发现不久后的1961年，就有人提出了调年，就有人提出了调Q的概念，并于的概念，并于1962 年制成第一台调年制成第一台调Q激光器。它的出现使激光脉冲输出性能得到了几个量级的改善。如今的激光器脉冲宽度可压缩到纳秒量级，峰值功率达兆瓦量级，这对于激光测距、激光雷达、激光加工和动态全息照相等应用方面的发展起到了决定性的作用。同时，还因强激光引起的光学现象而开辟了一系列的新科学。在泵浦开始时，增大谐振腔的损耗，使振荡阈值提高，振荡于是难以形成，这时，激光上能级的反转粒子数密度便有可能大量积累，当积累到最大值时，突然使谐振腔的损耗变小，于是激光器。它的出现使激光脉冲输出性能得到了几个量级的改善。如今的激光器脉冲宽度可压缩到纳秒量级，峰值功率达兆瓦量级，这对于激光测距、激光雷达、激光加工和动态全息照相等应用方面的发展起到了决定性的作用。同时，还因强激光引起的光学现象而开辟了一系列的新科学。在泵浦开始时，增大谐振腔的损耗，使振荡阈值提高，振荡于是难以形成，这时，激光上能级的反转粒子数密度便有可能大量积累，当积累到最大值时，突然使谐振腔的损耗变小，于是Q值突增腔内以极快的速度建立极强的振荡，短时间内反转粒子被大量消耗转变为腔内的光能量，同时输出一个极强的激光脉冲，称为激光巨脉冲或调值突增腔内以极快的速度建立极强的振荡，短时间内反转粒子被大量消耗转变为腔内的光能量，同时输出一个极强的激光脉冲，称为激光巨脉冲或调Q脉冲。谐振腔的损耗包括反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗、透射损耗等，用不同的方法、控制不同类型的损耗，就形成不同的调脉冲。谐振腔的损耗包括反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗、透射损耗等，用不同的方法、控制不同类型的损耗，就形成不同的调Q方法。方法。激光调激光调Q技术的基本思想技术的基本思想5.2 激光调激光调Q技术技术2009/12/11南师大光电技术江苏省重点实验室5转镜调转镜调Q技术技术将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中。只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔 的反射损耗即可达到调将激光器光学谐振腔两个反射镜之一安装在一个旋转轴上，使其在每一转动周期中。只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过控制转镜，从而控制光腔 的反射损耗即可达到调Q目的。目的。5.2 激光调激光调Q技术技术2009/12/11南师大光电技术江苏省重点实验室6染料调染料调Q技术技术 利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调利用染料对光的吸收系数随光强度变化的特性来调Q的方法称为染料调的方法称为染料调Q 技术，这种调技术，这种调Q开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调开关的延迟时间是由材料本身的特性决定的，不直接受人控制，属于被动调Q技术。染料调技术。染料调Q激光器是在通常的固体激光器光腔内插入装有饱和染料的染料盒而形成的。染料对该激光器振荡波长的光有强烈的吸收作用，且吸收系数随入射光的增强而不断减小。当染料盒插入谐振腔内时，激光器开始泵浦，此时腔内光强还很弱，因而染料对光吸收强烈，腔损耗很大，激光器是在通常的固体激光器光腔内插入装有饱和染料的染料盒而形成的。染料对该激光器振荡波长的光有强烈的吸收作用，且吸收系数随入射光的增强而不断减小。当染料盒插入谐振腔内时，激光器开始泵浦，此时腔内光强还很弱，因而染料对光吸收强烈，腔损耗很大，Q值很低，不能形成激光；随着泵浦的继续，亚稳态上离子越积越多，腔内光强逐渐增大，吸收逐渐减小值很低，不能形成激光；随着泵浦的继续，亚稳态上离子越积越多，腔内光强逐渐增大，吸收逐渐减小Q值不断增大；泵浦光大到一定值时，染料对该波长的光就变为透明，称为染料漂白，此时值不断增大；泵浦光大到一定值时，染料对该波长的光就变为透明，称为染料漂白，此时Q 值达到最大，相当于值达到最大，相当于Q开关开启，于是激光器输出一个强的激光脉冲。开关开启，于是激光器输出一个强的激光脉冲。5.2 激光调激光调Q技术技术2009/12/11南师大光电技术江苏省重点实验室7电光调电光调Q技术技术5.2 激光调激光调Q技术技术某些晶体经过特殊方向的切割后，如果在某个方向上加电压，就可以便通过它的线偏光改变振动方向，且外加电压的数值与振动方向的改变之间有一定的函数关系，再辅以其他光学元件，就可以构成一个快速光开关，达到调某些晶体经过特殊方向的切割后，如果在某个方向上加电压，就可以便通过它的线偏光改变振动方向，且外加电压的数值与振动方向的改变之间有一定的函数关系，再辅以其他光学元件，就可以构成一个快速光开关，达到调Q目的。目的。2009/12/11南师大光电技术江苏省重点实验室85.2 激光调激光调Q技术技术用格兰用格兰-付克棱镜做偏振器。工作物质在氖灯泵浦下产生无规则的偏振光，通过起偏器后变成线偏光；起偏片后放置电光晶体，当调制晶体加付克棱镜做偏振器。工作物质在氖灯泵浦下产生无规则的偏振光，通过起偏器后变成线偏光；起偏片后放置电光晶体，当调制晶体加4电压时，线偏光通过电光晶体后变成圆偏光，经反射镜且二次经过调制晶体后，相位改变电压时，线偏光通过电光晶体后变成圆偏光，经反射镜且二次经过调制晶体后，相位改变1800，振动方向相对原方向旋转，振动方向相对原方向旋转900，不再能通过检偏片，相当于，不再能通过检偏片，相当于Q开关关闭。此时，腔的阈值很高，若瞬间撤销晶体外加电压，则偏振光立刻通过检偏片，相当于开关开启，阈值突然减小。利用电路特性开关关闭。此时，腔的阈值很高，若瞬间撤销晶体外加电压，则偏振光立刻通过检偏片，相当于开关开启，阈值突然减小。利用电路特性(如产生锯齿波如产生锯齿波)来控制氙灯的触发和电光开关的动作，将很容易控制电光开关的开启和延迟时间，达到调来控制氙灯的触发和电光开关的动作，将很容易控制电光开关的开启和延迟时间，达到调Q且产生巨脉冲的目的。且产生巨脉冲的目的。2009/12/11南师大光电技术江苏省重点实验室9声光调声光调Q技术技术5.2 激光调激光调Q技术技术声光器件在腔内按布拉格条件放置。当外加高频振荡的超声信号时，由于超声光栅的作用，光束沿布拉格角偏折，从而偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重。声光器件在腔内按布拉格条件放置。当外加高频振荡的超声信号时，由于超声光栅的作用，光束沿布拉格角偏折，从而偏离了谐振腔的轴向，此时腔损耗严重。Q值很低，不能形成激光振荡；但这一阶段，光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累，一定时间后，瞬间撤销超高频振荡声场，光无偏折地通过晶体，值很低，不能形成激光振荡；但这一阶段，光泵浦使激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累，一定时间后，瞬间撤销超高频振荡声场，光无偏折地通过晶体，Q 值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。利用电路特性值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。利用电路特性(如产生锯齿被如产生锯齿被)可以控 制氙灯的触发和可以控 制氙灯的触发和Q值的突变与延迟，达到调值的突变与延迟，达到调Q且产生巨脉冲的目的。且产生巨脉冲的目的。2009/12/11南师大光电技术江苏省重点实验室105.3 激光锁模技术激光锁模技术激光器一般有多个不同的振荡模式，他们本身是不关联、非相干的，其振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场的相干叠加输出为一超短脉冲，且参与相干的模越多，不均匀分布越尖锐，则脉宽越窄、峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定的方法称为锁模，相应的技术称为锁模技术。它不同于调激光器一般有多个不同的振荡模式，他们本身是不关联、非相干的，其振幅与相位彼此独立；如果能使得各个独立模式在时间上同步、振荡相位一致，则总光场是各个模式光场的相干叠加输出为一超短脉冲，且参与相干的模越多，不均匀分布越尖锐，则脉宽越窄、峰值功率越高。这种通过把激光中所有的模耦合在一起并把各个模的彼此相位关系锁定的方法称为锁模，相应的技术称为锁模技术。它不同于调Q技术。 调技术。 调Q技术是压缩激光脉宽，提高峰值功率的一种有效方法其脉宽下限决定于光子平均驻腔寿命，约纳秒量级，称短脉冲。锁模技术可以获得比调技术是压缩激光脉宽，提高峰值功率的一种有效方法其脉宽下限决定于光子平均驻腔寿命，约纳秒量级，称短脉冲。锁模技术可以获得比调Q技术更窄的脉冲，称为超短脉冲。超短脉冲技术先后经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁模、耦合腔锁模等阶段。从技术更窄的脉冲，称为超短脉冲。超短脉冲技术先后经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁模、耦合腔锁模等阶段。从20世纪世纪60年代的皮秒级发展到年代的皮秒级发展到70年代的亚皮秒级、年代的亚皮秒级、80年代的几十飞秒级，到年代的几十飞秒级，到90年代采用光脉冲压缩枝术后获得了数飞秒的光脉冲。年代采用光脉冲压缩枝术后获得了数飞秒的光脉冲。2009/12/11南师大光电技术江苏省重点实验室11实现锁模的方法有很多，大致分为以下几类:实现锁模的方法有很多，大致分为以下几类:主动锁模主动锁模:是一种内调制锁模，通过在腔内插入一个电光或声光调制器实现模式锁定，要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。:是一种内调制锁模，通过在腔内插入一个电光或声光调制器实现模式锁定，要求调制频率精确地等于激光器的纵模间隔，从而使所有参与振荡的模式相位同步的锁模技术。 被动锁模被动锁模:类似染料被动开关，把很薄的可饱和吸收染料盒插入自由运转的环形腔结构激光器谐振腔环路中点，使相反方向的