第七章第七章 激光器特性的控制与改善激光器特性的控制与改善7.1 7.1 模式选择模式选择 7.2 7.2 频率稳定频率稳定7.3 Q7.3 Q调制调制 7.4 7.4 注入锁定注入锁定7.5 7.5 锁模锁模模式选择、稳频及注入锁定技术：模式选择、稳频及注入锁定技术：改善激光器输出光的 时间相性或空间相干性。Q Q调制、锁模：调制、锁模：获得窄脉冲高峰值功率的激光束。 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。1 1模的基本特征模的基本特征主要包括：1、电磁场空间分布 E(x,y,z)，包括腔的横截面内的场 分布（横模）和纵向场分布（纵模）；2、谐振频率；3、在腔内往返一次经受的相对功率损耗 ；4、每一个模的激光束发散角 。腔的参数 唯一确定 模的基本特征。腔的模式 也就是腔内可能区分的 光子状态。2 2横模阶数越高横模阶数越高, 光强分布就越复杂光强分布就越复杂且分布范围越大且分布范围越大, 因而其光束发散角越大。因而其光束发散角越大。横模横模:在谐振腔的横截面内激光光场的分布在谐振腔的横截面内激光光场的分布.3 3图图7.1-1 不同横模的光场强度不同横模的光场强度1.基模 (TEM00) 的光强分布图案呈圆形且分布范围很小, 其光束发散角最小, 功率密度最大，因此亮度也最高，径向强度分布是均匀的。2.经过选模之后，输出功率可能有所降低, 但由于发散度的改善，其亮度可提高几个数量级, 横模选择技术是使激光发散角小横模选择技术是使激光发散角小。4 4一台激光器的谐振腔中可能有若干个稳定的振荡模，只要某一种模的单程增益大于其单程损耗，即满足激光振荡条件，该模式就有可能被激发而起振。设谐振腔两端反射镜的反射率分别为r1、r2，单程损耗为，单程增益系数为G，激光工作物质长度为L，则初始光强为 I0的某个横模(TEMmn)的光在谐振腔内经过一次往返后，由于增益和损耗两种因素的影响，其光强变为:一一.横模选择原理横模选择原理7.1 横模选择技术横模选择技术5 5激光器即可实现单横模激光器即可实现单横模(TEM00)运转运转。 阈值条件为 II0 即 I / I0 1由此得出 r1r2(1- )2 exp(2GL)1下面考察两个最低阶次的横模TEM00和TEM10模的情况，认为激活介质对各横模的增益系数相同，当同时满足下认为激活介质对各横模的增益系数相同，当同时满足下列两个不等式：列两个不等式： 1 16 6 谐振腔存在两种不同性质的损耗，一种是与横模阶数无关的损耗；另一种则是与横模阶数密切相关的衍射损耗，在稳定腔中，基模的衍射损耗最小，随着横模阶数的增高，其衍射损耗也逐渐增大。 7 7由图可见， 在菲涅耳数N值相同的情况下, 对称稳定腔的衍射损耗随|g|的减小而降低。谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗的性能谐振腔对不同阶横模有不同衍射损耗的性能是实现横模选择的理论基础是实现横模选择的理论基础。| g | = | 1-L/R |图图 5.2-1 不同构形对称谐振腔的衍射损耗随不同构形对称谐振腔的衍射损耗随N的变化的变化N=2 / (L) ， (a) TEM00模模N=2 / (L) ， (b) TEM10模模1008 8图5.2-2 各种对称腔的10/00与N的关系横模的鉴别力随N的增加而变大，但衍射损耗随N的增加而减小; N要选择适当(折中一下：一般 0.5-2)其一，衍射损耗在模的总损耗中必须占有重要地位。衍射损耗在模的总损耗中必须占有重要地位。其二，横模选择除了考虑各横模衍射损耗的绝对值大小之外，还应考横模选择除了考虑各横模衍射损耗的绝对值大小之外，还应考虑横模的鉴别能力：虑横模的鉴别能力：即1000比值大。9 9一类是改变谐振腔的结构和参数改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选模性能；另一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元件腔内插入附加的选模元件来提高选模性能。二、横模选择的方法二、横模选择的方法 图5.2-2示出了共焦腔的 1000 比值与菲涅耳数的关系。由图可见，当一定, |g| 参数小， 1000 大，但 00和10值也小，这样要选出基模并抑制高阶模，只有靠减小菲涅耳数来提高模损耗值。但是值太小时，模体积很小，输出功率也就很低。对常用的大曲率半径的双凹球面稳定腔来说, 选择菲涅耳数在0.5到2.0之间比较合适。1.谐振腔参数g 和的选择法1010 采用小孔光阑作为选模元件插入腔内是固体激光器中常用的选模方法, 如图5.2-7所示。对于共心腔, 这种方法尤其有效。由于高阶横模的光腰比基模的大，如果光阑的孔径选择得适当，就可以将高阶横模的光束遮住一部分，而基模则可顺利通过。腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜的横模截面，即减小了腔的菲涅耳数，因而各阶模的衍射损耗加大。只要小孔光阑的孔径选择适当便可选出基模。2.小孔光阑法选模图5.2-7 小孔光阑选模1111图5.2-8共心腔两低阶模衍射损耗与光阑孔径的关系 %1212图5.2-9共心腔10 / 00与光阑孔径的关系1313图5.2-10 聚焦光阑法选模 这种方法是在谐振腔内插入透镜或透镜组配合小孔光阑进行选模，光阑放在透镜的焦点上。这样光束在腔内传播时可经历较大的空间。图5.2-10所示是一种腔内加有两个透镜的选模腔型示意图。光束通过小孔光阑时，光束边缘部分的高阶模因光阑阻挡受到损耗而被抑制掉，既保持了小孔光阑的选模特性，又扩大了基模体积，可增大激光输出的功率。3.腔内插入透镜选横模 这种方法虽然扩大了基模模体积，但附加了两个透镜而增加了腔的插入损耗，并给调整带来困难。1414 为了简化系统并减小损耗，可用一个凹面反射镜取代右边的透镜和平面反射镜，如图5.2-11所示。但要求凹面反射镜的曲率中心与透镜的焦点重合。15153.纵模间隔 2.多纵模情况下，不同的纵模对应腔内不同的驻波场分布,纵模序数q 对应驻波场波节个数纵模纵模 场分布的特点1.场沿腔的轴线方向形成驻波，驻波的波节数为q，波长为q。纵模间隔与序数q无关，在频率尺度上等距排列； “频率梳”纵模间隔大小与腔长成反比。16161717 激光器的振荡频率范围是由工作物质的增益谱线的宽度决定的，而产生多纵模振荡数则是由增益线宽和谐振腔两相邻纵模的频率间隔决定的，即在增益线宽内，只要有几个纵模同时达到振荡阈值，一般都能形成振荡。如以0表示增益曲线高于阈值部分的宽度，相邻纵模的频率间隔为q，则可能同时振荡的纵模数。一.纵模选择原理q 0 1818如果激光工作物质具有发射多条不同波长的激光谱线，那么，在纵模选择之前，必须将频率进行粗选, 将不需要的谱线抑制掉。例如, He-Ne激光器，可发射 623.8 nm，1.15 m = 1150 nm，3.39 m = 3390 nm三条谱线。二.纵模选择的方法 (色散腔粗选频率、短腔法、标准具法）1.色散腔粗选频率He-Ne laser: 632.8nm, 1.15 , 3.391919激光振荡的可能纵模数主要由工作物质的增益线宽0和谐振腔的纵模间隔q决定。而纵模间隔与腔长成反比，因此选择单纵模的方法之一是缩短谐振腔的长度, 以增大q，使得在0范围内只存在一个纵模，而其余的纵模都位于0之外，如图5.3-3所示.短腔法图5.3.3 短腔法选模原理20207.2 频频率率稳稳定定7.2 7.2 频率稳定频率稳定当谐振腔内折射率均匀时，单纵模单横模激光器的纵模频率q为：频率q在一定的范围内漂移：定义定义:频率稳定度 来描述激光器的频率稳定特性，它表示在某一测量时间间隔内频率的漂移量|与频率的平均值之比。本节将介绍塞曼稳频、饱和吸收稳频及无源腔稳频等三种稳频方法的原理。21217.2 频频率率稳稳定定赛曼稳频赛曼稳频 利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。频率稳定特性包含：频率稳定特性包含：频率稳定性及频率复现性频率稳定性描述激光频率在参考标准频率vs附近的漂移；频率复现性指参考标准频率vs本身的变化 。22227.2 频频率率稳稳定定 加磁场后，光谱线发生塞曼分裂，加磁场后，光谱线发生塞曼分裂，沿着磁场方向观察时，谱线分裂为中心频率为0右的右旋圆偏振光以及中心频率为0右的左旋圆偏振光。 随着光谱线的分裂，增益曲线和色散曲线也发生分裂，如图7.2.6所示。23237.2 频频率率稳稳定定 如果无源腔频率0q=。，塞曼分裂后的有源腔频率对称地分布于0的两侧，左旋光与右旋光具有相同的小信号增益系数，并因此具有相等的输出光强。若0q不等于。，则左旋光光强不等于右旋光光强。 双频激光器稳频的方法之一，就是测出二圆偏振光输出功率之差值，以此作为鉴频的误差信号。 双频稳频激光器的频率稳定性可达10-1010-11，频率复现性为10-710-8。24247.4 注注入入锁锁定定7.4 7.4 注入锁定注入锁定 用一束弱的、性能优良的激光束控制一个强激光器输出光束的光谱特性、模式相位特性及空间特性，即激光注入锁定注入锁定技术。注入锁定现象可分为两类注入锁定现象可分为两类:连续激光器的注入锁定:在一连续激光振荡器中注入一弱的单色激光信号，若注入光信号频率1足够接近激光器的自由振荡频率，则激光振荡可完全为注入信号控制，激光器振荡模式的频率跃变为1，相位与注入信号同步。脉冲激光器的注入锁定:在调Q或增益开关激光器启动过程中注人一弱信号，可使频率与注入信号频率最接近的模式优先起振，其他模式被抑制，实际上激光振荡并未被注入信号真正锁定，激光频率仍为激光器自由振荡的频率。25257.4 注注入入锁锁定定注入锁定的实际意义：注入锁定的实际意义： 利用注入锁定，可由一个功率较小、但窄线宽、单模运转、频率稳定的激光器来控制一个高功率或动态调治激光器的光束质量。与可达到同样目的的光放大技术相比，具有功率转换效率高、装置小等优点。 注入锁定不仅能影响激光器的频域特性，也可用于控制激光器模式的相位特性或空间特性。2626