Ch.3激光控制技術(shù)改進(jìn)Laser性能提高效率和功率壓縮其脈沖寬度改變輸出頻率等是當(dāng)今Laser研究的重要內(nèi)容之一?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!激光控制技術(shù)就是旨在改善和提高激光性能，主要有以下幾個(gè)方面：選模技術(shù)；穩(wěn)頻技術(shù)；調(diào)Q技術(shù)；鎖模技術(shù)。美國(guó)陸基戰(zhàn)略級(jí)激光反導(dǎo)反衛(wèi)武器《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!一臺(tái)普通的脈沖固體激光器，輸出的光脈沖寬度是幾百微秒，甚至是毫秒量級(jí)，峰值功率只有幾十千瓦級(jí)，顯然滿足不了諸如激光精密測(cè)距、激光雷達(dá)、高速攝影、高分辨率光譜學(xué)研究等的要求，正是在這些要求的推動(dòng)下,人們研究和發(fā)展了調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)。美國(guó)進(jìn)行大功率激光束發(fā)射試驗(yàn)西方國(guó)家激光研究《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因：當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級(jí)的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過閾值條件時(shí)，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光。隨著激光的發(fā)射，上能級(jí)粒子數(shù)大量被消耗，導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，當(dāng)?shù)陀陂撝禃r(shí)，激光振蕩就停止。這時(shí)，由于光泵的繼續(xù)抽運(yùn)，上能級(jí)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新積累，當(dāng)超過閾值時(shí)，又產(chǎn)生第二個(gè)脈沖，如此不斷重復(fù)上述過程，直到泵浦停止才結(jié)束。每個(gè)尖峰脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水平較低。增大泵浦能量也無助于峰值功率的提高，而只會(huì)使小尖峰的個(gè)數(shù)增加。E1E2《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!階段(t1一t2)：激光振蕩剛開始時(shí)，△n＝△nth，Φ＝0；由于光泵作用，△n繼續(xù)增加，與此同時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)密度Φ也開始增加，由于Φ的增長(zhǎng)而使△n減小的速率小于泵浦使△n增加的速率，因此△n一直增加到最大值。

腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化第二階段(t2一t3)：△n到達(dá)最大值后開始下降，但仍然大于△nth，因此Φ繼續(xù)增長(zhǎng)，而且增長(zhǎng)非常迅速，達(dá)到最大值?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!

調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個(gè)重要突破，它是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)?，F(xiàn)在，要獲得峰值功率在兆瓦級(jí)(106w)以上，脈寬為納秒級(jí)(10-9s)的激光脈沖已并不困難。調(diào)Q(Q開關(guān))技術(shù)HermannHaus(1925-2003)1961年HermannHaus提出了調(diào)Q的概念，即設(shè)想采用一種方法把全部光輻射能壓縮到極窄的脈沖中發(fā)射。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!調(diào)Ｑ的基本原理

通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到或略超過閾值時(shí)，激光器便開始振蕩，于是激光上能級(jí)的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級(jí)不能積累很多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。這是普通激光器峰值功率不能提高的原因。既然激光上能級(jí)最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制，那么，要使上能級(jí)積累大量的粒子，可以設(shè)法通過改變（增加）激光器的閾值來實(shí)現(xiàn)，就是當(dāng)激光器開始泵浦初期，設(shè)法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!υ0為激光的中心頻率。用W表示腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量，δ表示光在腔內(nèi)傳播單次能量的損耗率，那么光在一個(gè)單程中的能量損耗為W

δ。設(shè)L為諧振腔腔長(zhǎng)，n為介質(zhì)折射率，c為光速，則光在腔內(nèi)走一單程所需的時(shí)間為nL/c。由此，光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為：式中，λ0為真空中激光中心波長(zhǎng)?？梢?，當(dāng)λ0和L一定時(shí)，Q值與諧振腔的損耗成反比，要改變激光器的閾值，可以通過突變諧振腔的Q值(或損耗δ)來實(shí)現(xiàn)。這樣，Q值可表示為（3)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!為了減少自發(fā)輻射造成的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的損失，調(diào)Q時(shí)間t0小于泵浦光的持續(xù)時(shí)間(泵浦光的持續(xù)時(shí)間小于亞穩(wěn)態(tài)壽命)。t0如果太小，許多有用的泵浦光被浪費(fèi)了，因?yàn)楣ぷ魑镔|(zhì)隨光泵照射，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)還在增加．t0太大，因光泵激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)的粒子數(shù)不足以抵償受激輻射造成的粒子數(shù)損失而使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)下降，輸出功率減少。E1E2《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!在泵浦過程的大部分時(shí)間里諧振腔處于低Q值(Qo)狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級(jí)的粒子數(shù)不斷積累，直至t0時(shí)刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值△ni，在這一時(shí)刻，Q值突然升高(損耗下降)，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于此△ni>>△nt(閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù))，因此受激輻射增強(qiáng)非常迅速，激光介質(zhì)存儲(chǔ)的能量在極短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱?chǎng)的能量，結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)峰值功率很高的窄脈沖?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!因此，調(diào)Q脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時(shí)間△t(也就是Q開關(guān)開啟的持續(xù)時(shí)間)。光子數(shù)的迅速增長(zhǎng)，使△ni迅速減少，到t=tp時(shí)刻，△ni=

△nt，光子數(shù)達(dá)到最大值Φm之后，由△n＜△nt，則Φ迅速減少，此時(shí)△n=△nf，為振蕩終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)?？梢?，調(diào)Q脈沖的峰值是發(fā)生在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)(△ni=

△nt)的時(shí)刻。

《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!(1)由于調(diào)Q是把能量以激活離子的形式存儲(chǔ)在激光工作物質(zhì)的高能態(tài)上，集中在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)釋放出來，因此，要求工作物質(zhì)必須能在強(qiáng)泵浦下工作，即抗損傷閾值要高；其次，要求工作物質(zhì)必須有較長(zhǎng)的壽命,若激光工作物質(zhì)的上能級(jí)壽命為τ2，則上能級(jí)上的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n2因自發(fā)輻射而減少的速度為n2/τ

2，這樣，當(dāng)泵浦速率（要大）為Wp時(shí)，在達(dá)到平衡情況下，應(yīng)滿足：則上能級(jí)達(dá)到最大反轉(zhuǎn)粒子數(shù)取決于

n2=Wpτ2為了能使激光工作物質(zhì)的上能級(jí)積累盡可能多的粒子，則要求Wpτ2值應(yīng)大一些，但τ2也不宜太大，否則會(huì)影響能量的釋放速度。三、實(shí)現(xiàn)調(diào)Q對(duì)激光器的基本要求《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!激光器的嚴(yán)格理論是建立在量子電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上的，它原則上可以描述激光器的全部特性，但由于它的復(fù)雜性．我們?cè)谟懻摷す馄鞯哪承┈F(xiàn)象時(shí)不一定非得采用它，而是使用不同近似程度的理論去描述不同層次的問題。下面簡(jiǎn)介激光器約四類不同理論的出發(fā)點(diǎn)及其應(yīng)用范圍。激光器的幾種理論:《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!二、半經(jīng)典理論物質(zhì)：

用量子力學(xué)方法描述電磁場(chǎng)：

經(jīng)典Maxwell方程輻射場(chǎng)對(duì)原子系統(tǒng)的影響：Hamilton算符中含時(shí)相互作用項(xiàng)原子系統(tǒng)對(duì)輻射場(chǎng)的影響：Maxwell方程中隨時(shí)間變化的宏觀極化強(qiáng)度《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!四、速率方程理論這是量子理論的一種簡(jiǎn)化形式，因?yàn)樗菑墓庾?即量子化的輻射場(chǎng))與物質(zhì)原子的相互作用出發(fā)的，并忽略了光子的相位持性與光子數(shù)的起伏持性，而使得該理論具有非常簡(jiǎn)單的形式。這個(gè)理論的基礎(chǔ)是自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收幾率與愛因斯坦系數(shù)間的關(guān)系，由此導(dǎo)出激光器的速率方程。以下所討論絕大多數(shù)有關(guān)激光的理論主要采用的是速率方程理論?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!式中，△n為粒子反轉(zhuǎn)數(shù)密度；Φ為腔內(nèi)光子數(shù)密度；s為發(fā)射截面；W13，W03為受激躍遷幾率；A21為自發(fā)輻射幾率；Ｎ為腔內(nèi)光子數(shù)密度。三能級(jí)系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!對(duì)上述一階微分方程組，一般用數(shù)值方法求解，就可以求得調(diào)Q脈沖的諸參數(shù)。為了求解調(diào)Q的速率方程，必須給出Q開關(guān)函數(shù)的具體形式。一般為了求解方便，都是預(yù)先假定幾種典型的Q開關(guān)函數(shù)(階躍開關(guān)函數(shù)、線性開關(guān)函數(shù)和拋物線開關(guān)函數(shù))。而實(shí)際的Q開關(guān)函數(shù)往往是比較復(fù)雜的，甚至很難用一種簡(jiǎn)單形式予以表達(dá)。在此，著重討論理想的階躍式開關(guān)函數(shù)。二、速率方程的求解《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!利用泰勒級(jí)數(shù)展開后，得近似式

在t＝0時(shí)刻，△n到達(dá)最大值△ni，而受激輻射光子數(shù)為零，即＝i≈0，之后，

開始增加，到tD

時(shí)雪崩過程形成(見圖),急劇增長(zhǎng),△n也開始劇減，這一過程一直持續(xù)到tp時(shí)刻，這時(shí)△n＝△nt，腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到極大值m。將上式積分，并考慮到△n的積分限為從△ni

△nt，有去掉下標(biāo)t和m,就是普通表達(dá)式

《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!1．調(diào)Q脈沖的峰值功率可近似地認(rèn)為，這些光子在腔內(nèi)的壽命為tc

的時(shí)間內(nèi)逸出，而每個(gè)光子的能量為h，則激光的瞬時(shí)功率P＝h/tc，可得如果初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)△ni

大大超過閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)△nt(高Q值情況)，則得（后兩項(xiàng)忽略）當(dāng)△n

=△nt

時(shí)，輸出功率達(dá)到極大值，即峰值功率為去掉下標(biāo)后III《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!通?！鱪i>>△nf，所以由式可以看出，調(diào)Q脈沖能量隨參量△ni

的變大而線性增加。一個(gè)調(diào)Q脈沖可以從激活介質(zhì)的儲(chǔ)能中提取多大比率的能量,△nf是沒有貢獻(xiàn)的，這些剩余的反轉(zhuǎn)粒子在巨脈沖結(jié)束后，以熒光形式消散掉了，因此，用η=

(△ni-△nf)/△ni來表示調(diào)Q脈沖可以從介質(zhì)中提取的能量，稱為單脈沖的能量利用率。由公式知輸出光子的峰值功率（最大數(shù)目）與△ni/△nt的比值有關(guān)。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!下面再討論一下調(diào)Q脈沖的脈寬和波形問題。如果所討論的時(shí)間Δt僅指激光脈沖的寬度的一段時(shí)間，那么，在該時(shí)間內(nèi)，初始光子數(shù)密度Φi可忽略，則上式可寫為由式可求得Φ，代入上式，得到3．調(diào)Q脈沖的時(shí)間特性《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!脈沖寬度Δt與的關(guān)系《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!調(diào)Q脈沖波形與Δni/Δnt1.652.724.487.4《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!以上討論的是理想的階躍式Q開關(guān)函數(shù)的情況。若腔內(nèi)損耗與時(shí)間呈線性函數(shù)的關(guān)系加圖所示，其調(diào)Q特性也有不同，根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究表明：設(shè)臨界振蕩點(diǎn)定為t＝0的點(diǎn)，那么t=ts就可理解為腔損耗從最大(A點(diǎn))減到最小(B點(diǎn))所需的時(shí)間。顯然，線性開關(guān)函數(shù)與理想的階躍開關(guān)函數(shù)之間的差異在于ts的不同。線性開關(guān)函數(shù)的解與階躍式開關(guān)函數(shù)的解沒有本質(zhì)的差別，不同之處只在于脈沖建立時(shí)的延遲時(shí)間，前者比后者多了開關(guān)時(shí)間ts。另外，還有一種穩(wěn)變非線性（拋物線）開關(guān)函數(shù)(一般了解)?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!利用某些晶體的電光效應(yīng)可以做成電光Q開關(guān)器件。電光調(diào)Q具有開關(guān)時(shí)間短，效率高，調(diào)Q時(shí)刻可以精確控制，輸出脈沖寬度窄，峰值功率高等優(yōu)點(diǎn)。電光調(diào)Q下圖所示是電光晶體調(diào)Q裝置的工作原理圖。激光工作物質(zhì)是一、帶偏振器的電光調(diào)Q器件方解石KD*PBaTiO3,KH2PO4,GaAs,CdTe,LiNbO3,LiTaO3,CdS《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!Vl/4《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!上圖所示的為調(diào)Q工作程序的示意圖。其過程是：（1）先開主電源對(duì)電容C充電，并接于氙燈電極，但不導(dǎo)通故不點(diǎn)燃；（2）開動(dòng)晶體電源給KD*P晶體加電壓，使腔處于關(guān)閉狀態(tài)；《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!調(diào)Q激光器與普通脈沖激光器相比，它具有超臨界振蕩的持點(diǎn)，因此，對(duì)Q開關(guān)器件、激光工作物質(zhì)、光泵浦燈以及耦合輸出條件等有一些新的要求。設(shè)計(jì)電光調(diào)Q激光器應(yīng)考慮的問題一、調(diào)制晶體材料的選擇

電光晶體的質(zhì)量對(duì)調(diào)Q性能起著很重要的作用，目前能夠獲得較高光學(xué)質(zhì)量的線性電光晶體材料還是有限的。1消光比要高；2透過率要高；3半波電壓要低；抗破壞閾值要高等。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁(yè)!需要有高質(zhì)量的激光工作物質(zhì)，具備儲(chǔ)能密度高的性能，還要求有較高的抗強(qiáng)光破壞閾值，能承受較高的激光功率密度。三、對(duì)激光工作物質(zhì)的要求四、對(duì)光泵浦燈的要求

要求泵浦燈的發(fā)光時(shí)間（脈沖波形的半寬度）必須小于工作物質(zhì)的熒光壽命（激光上能級(jí)壽命）。但是，燈光半波寬度太窄，燈的效率又會(huì)降低，故應(yīng)根據(jù)激光工作物質(zhì)，選擇二者匹配比較好的泵燈。五、對(duì)Q開關(guān)控制電路的要求要獲得最佳的調(diào)Q效果，要求Q開關(guān)速度要快，必須精確設(shè)計(jì)各部分電路，使其能很好地協(xié)調(diào)。#《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁(yè)!光波波陣面聲波波陣面《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁(yè)!聲光介質(zhì)主要采用熔融石英、玻璃、鉬酸鉛等。換能器常采用石英、鈮酸鋰等晶體制成。吸聲材料常用鉛橡膠或玻璃棉等。把聲光Q開關(guān)器件插入諧振腔內(nèi)，當(dāng)聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)加在聲光調(diào)Q器件的換能器上時(shí)，在聲光介質(zhì)中，使折射率發(fā)生變化，形成等效的“相位光柵”，當(dāng)光束通過聲光介質(zhì)時(shí)，便產(chǎn)生布拉格衍射。衍射光相對(duì)于0級(jí)光有2θ角的偏離(如當(dāng)超聲頻率在20～50MHz范圍時(shí)，石英對(duì)1.06μm的光波的衍射角為0.30

～0.50)，這一角度完全可以使光波偏離出腔外，使諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài)，不能產(chǎn)生振蕩，或者說Q開關(guān)將激光“關(guān)斷”。當(dāng)高頻信號(hào)的作用突然停止，則聲光介質(zhì)中的超聲場(chǎng)消失，于是諧振腔又突變?yōu)楦逹值狀態(tài)，相當(dāng)于Q開關(guān)“打開”。Q值交替變化一次，就使激光器輸出一個(gè)調(diào)Q脈沖。二、聲光調(diào)Q器件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)1.材料的選擇2.器件的設(shè)計(jì)#《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁(yè)!式中，α0為光強(qiáng)很小(I→0)時(shí)的吸收系數(shù)；Is為染料的飽和吸收光強(qiáng)，其大小與染料的種類和濃度有關(guān)，一般來說，染料的濃度增加，Is值也增加；I為入射光強(qiáng)。由上式可以看出，當(dāng)I>>Is時(shí)，吸收系數(shù)趨于零，染料對(duì)通過的光束于是變?yōu)橥该鳌?/p>

(圖為染料透過率與光功率密度的關(guān)系，透射率=1-吸收率）染料透過率與光功率密度的關(guān)系《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁(yè)!因?yàn)楸闷质敲}沖式的，腔內(nèi)光場(chǎng)迅速減弱（I→0)，因而染料又恢復(fù)了吸收特性（透過很?。?，起到將腔關(guān)閉的作用，然后再重復(fù)以上的過程?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁(yè)!2.染料濃度的影響（1）染料濃度大初始飽和光強(qiáng)大，因此染料從初態(tài)到飽和需要的時(shí)間長(zhǎng)，即延遲時(shí)間長(zhǎng)。如果染料濃度過大，飽和光強(qiáng)大，腔內(nèi)的光強(qiáng)不能使染料達(dá)到飽和，這時(shí)染料起不到Q開關(guān)的作用。（2）染料的濃度小濃度小，初始飽和光強(qiáng)小，延遲時(shí)間短—初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)小，輸出功率小。由于Q開關(guān)打開的時(shí)間早，容易出現(xiàn)多脈沖。如果濃度過小，則實(shí)際上是尖峰振蕩。

結(jié)論：在一定的輸入能量下，存在一個(gè)最佳濃度，延遲時(shí)間正好使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值。此時(shí)激光器輸出單脈沖，峰值功率最高?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁(yè)!染料Q開關(guān)的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：1.簡(jiǎn)單方便。這種Q開關(guān)只要配好溶液放在染料盒內(nèi)，或做成染料片成品。放諧振腔中即可。而電光調(diào)Q中還需要一套電路系統(tǒng)控制Q開關(guān)。2.速度快。染料Q開關(guān)屬于快開關(guān)。一般10-9nS量級(jí)。3.自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開關(guān)和增益的調(diào)諧。4.具有選模的作用。在中心頻率附近的模式，增益高，先振蕩，消耗；而增益低的模式被抑止（在漂白前）。漂白后，其他模能夠振蕩。

缺點(diǎn)：1.同步精度差。不需要同步裝置—簡(jiǎn)單，但要得到很好的調(diào)Q效果需要經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)。而實(shí)際要求和Q開關(guān)激光器同步，染料Q開關(guān)不能使用。2.穩(wěn)定性差。染料的溶液不穩(wěn)定，影響輸出的功率不穩(wěn)定。3.輸出功率不能很大。因?yàn)槿玖险{(diào)Q激光器實(shí)際上在閾值附近工作。因此染料Q開關(guān)激光器適用于同步精度要求不高，穩(wěn)定性要求不高的實(shí)際應(yīng)用?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁(yè)!(２)聲光調(diào)Q其開關(guān)時(shí)間小于脈沖建立時(shí)間，屬于快開關(guān)類型。開關(guān)的調(diào)制電壓只需一百多伏，易與連續(xù)激光器配合調(diào)Q，可獲得kHz高重復(fù)頻率的巨脈沖，且脈沖的重復(fù)性好，可獲得峰值功率為幾百千瓦，脈寬約為幾十納秒的巨脈沖。但由于它對(duì)高能量激光器的開關(guān)能力較差，所以，只能用于低增益的連續(xù)激光器上?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁(yè)!由于它能使脈沖的持續(xù)時(shí)間壓縮到皮秒（ps,10-12s）量級(jí)，所以也稱為超短脈沖技術(shù)，從60年代到70年代，超短脈沖技術(shù)（包括主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、同步泵浦鎖模等相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)）得到了迅速的發(fā)展。70年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室Shank和Ippen使脈沖寬度達(dá)到亞皮秒(10-13s)量級(jí)。從1974年來,Haus從事鎖模理論的研究。

1981年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的R.L.Fork等人提出碰撞鎖模理論，并在六鏡環(huán)形腔中實(shí)現(xiàn)了碰撞鎖模，得到穩(wěn)定的90fs的光脈沖序列。90年代，自鎖模技術(shù)的出現(xiàn)，在鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中得到了8.5fs的超短脈沖序列。鎖模技術(shù)能產(chǎn)生脈寬為飛秒（fs,10-15s）、峰值功率為太瓦（TW,1012W）以上的超短脈沖，為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及光譜學(xué)等學(xué)科對(duì)微觀世界和超快過程的研究提供了重要手段。雅里夫,1964年他和他的博士生在世界上首先提出了壓縮脈寬、提高功率的新機(jī)制-鎖模理論，并且首先作出了鎖模脈沖序列，開創(chuàng)了超短脈沖激光研究。激光鎖模技術(shù)AmnonYariv

《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁(yè)!討論超短脈沖激光器的原理、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)的方法，幾種典型的鎖模激光器及有關(guān)的超短脈沖技術(shù)，如超短脈沖脈寬的測(cè)量方法、超短脈沖的壓縮技術(shù)等。為了更好地理解鎖模的原理，先討論未經(jīng)鎖模的多縱模自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出特性。腔長(zhǎng)為L(zhǎng)的激光器，其1)縱模的頻率間隔

自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個(gè)超過閾值的縱模，如圖所示。這些模的振幅及相位都不固定，一、多模激光器的輸出特性《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁(yè)!和頻率描述的非鎖模激光脈沖和完全鎖模激光脈沖兩種情況的圖形。在頻率域內(nèi)光脈沖可以寫為

式中，q＝0，1，2，…，

N是激光器內(nèi)(2N+1)個(gè)振蕩模中第q個(gè)縱模的序數(shù)；Eq是縱模序數(shù)為q的場(chǎng)強(qiáng);ωq及φq是縱模序數(shù)為q的模的角頻率及相位。右圖給出了時(shí)間描述非鎖模和理想鎖模激光器的信號(hào)結(jié)構(gòu),(a)非鎖模,（b)理想鎖模式中，α(ω)為幅度；φ(ω)為位相頻譜。當(dāng)脈沖帶寬△ω比平均光頻ω0窄，在時(shí)域內(nèi)光脈沖可以寫成式中，A(t)是脈沖的振幅；是φ(t)相位?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁(yè)!如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步，即把它們的2)相位相互聯(lián)系起來，使之有一確定的關(guān)系(φq+1-φq＝常數(shù))，那么就會(huì)出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象；激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖，如圖所示。理想鎖模該激光器各模的頻率間隔保持一定

并相位已按照φq+1-φq＝常數(shù)的關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應(yīng)的技術(shù)稱為“鎖模技術(shù)”。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁(yè)!3E02/2《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁(yè)!3E02/2如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步，即把它們的相位相互聯(lián)系起來，使之有一確定的關(guān)系(q+1-q=常數(shù))，那么就會(huì)出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象；激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖，這就是說，該激光器各模的相位己按照q+1-q=常數(shù)的關(guān)系被鎖定，這種激光器叫做鎖模激光器，相應(yīng)的技術(shù)稱為“鎖模技術(shù)”。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁(yè)!由此可知，2N+1個(gè)振蕩的模經(jīng)過鎖相以后，總的激光器輸出總光場(chǎng)是2N+1個(gè)縱模相干的結(jié)果：《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁(yè)!為討論方便，假定α=0，則上式分子、分母均為周期函數(shù)，因此A(t)也是周期函數(shù)。只要得到它的周期、零點(diǎn)，即可以得到A(t)的變化規(guī)律。在t=0和t=2L/c時(shí)，A(t)取得極大值，因A(t)分子、分母同時(shí)為零，利用羅彼塔法則可求得此時(shí)振幅（2N+1)E0。由上式可求出A(t)的周期為(令分母→等；因?yàn)椤鳓?2△υ=c/L,所以，），在一個(gè)周期內(nèi)2N個(gè)零值點(diǎn)及2N+1個(gè)極值點(diǎn)。頻率間隔△υ=c/2L倒數(shù)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁(yè)!(4)多模(ω0+q△ωq)激光器相位鎖定的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了q+1-

q=常數(shù)，導(dǎo)致輸出一個(gè)峰值功率高，脈沖寬度窄的序列沖。因此多縱模激光器鎖模后，各振蕩模發(fā)生功率耦合而不再獨(dú)立。每個(gè)模的功率應(yīng)看成是所有振蕩模提供的。(3)輸出脈沖的峰值功率正比于，因此，由于鎖模，峰值功率增大了2N+1倍。q=-N注意：《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁(yè)!4.同步泵浦鎖模如果要通過周期性地調(diào)制諧振腔的增益來實(shí)現(xiàn)鎖模，則可以采用一臺(tái)主動(dòng)鎖模激光器的脈沖序列泵浦另一臺(tái)激光器來獲得。這種方式就是同步泵浦鎖模。染料激光器《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁(yè)!利用聲光或電光調(diào)制器均可實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制鎖模。設(shè)在某時(shí)刻t1通過調(diào)制器光信號(hào)受到的損耗為α(t1)，則在脈沖往返一周時(shí)，這個(gè)光信號(hào)將受到同樣的損耗，如α(t1)≠0，則這部分信號(hào)就會(huì)消失。而在損耗α(t1)＝0時(shí)刻通過調(diào)制器的光，那么將形成脈寬很窄，周期為2L/c的脈沖序列輸出。振幅調(diào)制鎖?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁(yè)!電光振幅（強(qiáng)度）調(diào)制相位在變化,不固定周期性損耗怎么通過調(diào)制器晶體實(shí)現(xiàn)的?周期性信號(hào)輸入《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁(yè)!并且α+T=1假定調(diào)制前腔內(nèi)的光場(chǎng)為:調(diào)制器放入腔內(nèi)，未加調(diào)制信號(hào)時(shí)，調(diào)制器的損耗α為常數(shù)，它表示調(diào)制器的吸收、散射、反射等損耗。透過率T=T０+△T

０

α=

α０-

△

α０《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁(yè)!左圖所示為時(shí)域內(nèi)損耗調(diào)制鎖模原理波形圖。圖(a)為調(diào)制信號(hào)的波形；圖(b)為腔內(nèi)損耗的波形，其頻率為調(diào)制信號(hào)頻率的兩倍；圖(c)為調(diào)制器透過率波形；圖(d)為腔內(nèi)未調(diào)制的光波電場(chǎng)；圖(e)為腔內(nèi)經(jīng)過調(diào)制后的光波電場(chǎng)；圖(f)為鎖模激光器輸出的光脈沖。

《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁(yè)!由調(diào)制激發(fā)的邊頻實(shí)際上是與υ0相鄰的兩個(gè)縱模頻率，這樣使得與它相鄰的兩個(gè)縱模開始振蕩，它們具有確定的振幅和與υ0相同假設(shè)處于增益曲線中心的縱模頻率為υ0，由于它的增益最大，首先開始振蕩，電場(chǎng)表達(dá)式為當(dāng)該光波通過腔內(nèi)的調(diào)制器時(shí)，受到損耗調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果產(chǎn)生了兩個(gè)邊頻分量υ0±υm。當(dāng)損耗變化的頻率υm和腔內(nèi)縱模的頻率間隔相等時(shí)，

E(t)=E0cosω0t(3.2-10)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁(yè)!《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁(yè)!被動(dòng)鎖模激光器

在激光諧振腔中插入可飽和吸收染料來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的損耗．當(dāng)滿足鎖模條件時(shí)，就可獲得一系列的鎖模脈沖。根據(jù)鎖模形成過程的機(jī)理和特點(diǎn)，被動(dòng)鎖模分為固體激光器的被動(dòng)鎖模和染料激光器的被動(dòng)鎖模兩種類型。一、固體激光器的被動(dòng)鎖模1工作原理由于染料的可飽和吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而下降，所以高增益激光器所產(chǎn)生的高強(qiáng)度激光能使染料吸收飽和。上圖示出了激光通過染料的透過率T隨激光強(qiáng)度I的變化情況。強(qiáng)信號(hào)的透過率較弱信號(hào)的為大，只有小部分為染料所吸收。強(qiáng)、弱信號(hào)大致以染料的飽和光強(qiáng)Is來劃分。大于Is的光信號(hào)為強(qiáng)信號(hào)，否則為弱信號(hào)。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁(yè)!從頻率域分析，開始時(shí)自發(fā)輻射的熒光以及達(dá)到閾值所產(chǎn)生的激光漲落脈沖，經(jīng)過可飽和吸收染料在噪聲脈沖中的選擇作用，只剩下高增益的中心波長(zhǎng)、及其邊頻，隨后經(jīng)過幾次染料的吸收和工作物質(zhì)的放大，邊頻信號(hào)又激發(fā)新的邊頻，如此繼續(xù)下去，使得增益線寬內(nèi)所有的模式參與振蕩，于是便得到一系列周期為2L/c的脈沖序列輸出?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁(yè)!起初自發(fā)輻射熒光產(chǎn)生，當(dāng)超過激光閾值時(shí)，初始的激光脈沖具有熒光帶寬的光譜含量，并且具有隨機(jī)相位關(guān)系的激光縱模之間的干涉，因而導(dǎo)致光強(qiáng)度的起伏，脈沖總量很大。在一個(gè)周期2L/c時(shí)間內(nèi)，光脈沖通過有機(jī)染料和激光介質(zhì)各一次，在吸收體染料中，對(duì)強(qiáng)脈沖吸收得少而對(duì)弱脈沖吸收得多。在激光介質(zhì)中，產(chǎn)生線性放大，其結(jié)果就發(fā)生自然選模作用。(1)線性放大階段《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁(yè)!(3)非線性放大階段

工作物質(zhì)的放大進(jìn)入非線性階段。其結(jié)果使前后沿變陡，脈沖變窄，小脈沖幾乎被完全抑制，最后輸出一個(gè)高強(qiáng)度窄脈寬的脈沖序列。此階段使脈沖壓縮，頻譜增寬。

《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第57頁(yè)!(2)用于鎖模的可飽和染料必須具備如下條件：a.染料的吸收譜線與激光波長(zhǎng)相匹配；b.其吸收線的線寬大于或等于激光線寬；c.其弛豫時(shí)間短于脈沖在腔內(nèi)往返一次的時(shí)間。(1)為了消除標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)，應(yīng)將光學(xué)元件表面切成布儒斯持角(或2o-3o傾角)，鍍以增透膜及傾斜放置等，以利于消除非工作表面的反射。為了防止末端元件的反射光進(jìn)入腔內(nèi)，全反鏡的后表面應(yīng)磨成楔形?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第58頁(yè)!染料的弛豫時(shí)間:染料由飽和到恢復(fù)到高吸收狀態(tài)的時(shí)間在結(jié)構(gòu)形式上,被動(dòng)鎖模類似于被動(dòng)調(diào)Q,但有區(qū)別,被動(dòng)鎖模要求可飽和吸收體的上能級(jí)壽命特別短,而且被動(dòng)鎖模和被動(dòng)Q開關(guān)所用的染料弛豫時(shí)間T21b也不同.如果T21b很大,且滿足T21b>>ΔT(指鎖模主脈沖寬度),則一旦尖峰脈沖將染料飽和,猶如開關(guān)被打開,不僅最大尖峰暢通無阻,而且尾隨其后的小起伏輻射也能無損耗地在腔內(nèi)傳播,在激光工作物質(zhì)放大下,這些脈沖由弱變強(qiáng),該脈沖的包絡(luò)即調(diào)Q脈沖.如果T21b很短,且滿足T21b<<ΔT(指鎖模主脈沖寬度),則在最大尖峰脈沖通過染料的瞬間,染料開關(guān)被打開,腔的損耗變得很小,而且一旦此尖峰脈沖通過染料,開關(guān)即刻關(guān)閉,腔損耗又恢復(fù)到極大值狀態(tài),直到最大尖峰在腔內(nèi)往返一周,經(jīng)工作物質(zhì)放大后又來到染料盒,開關(guān)重新打開,這種情況下輸出的是鎖模脈沖.被動(dòng)鎖模和被動(dòng)調(diào)Q的區(qū)別《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第59頁(yè)!上能級(jí)弛豫時(shí)間短(納秒量級(jí))，因此使增益衰減在脈沖產(chǎn)生中起重要作用。通常染料吸收體的吸收截面大于增益介質(zhì)的吸收截面，使吸收體達(dá)到飽和的能量小于使增益介質(zhì)飽和的能量，從而使脈沖峰值得到的有效增益大于脈沖前沿得到的有效增益，這些都有利于脈沖的形成?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第60頁(yè)!在一定的條件下，增益受到調(diào)制。其調(diào)制周期等于光在諧振腔的循環(huán)周期。與損耗調(diào)制類似，在最大增益時(shí)域內(nèi)形成一短脈沖，其脈沖寬度比所用的泵浦脈沖寬度窄得多。同步泵浦鎖模對(duì)染料激光器具有實(shí)用意義，因?yàn)槿玖暇哂泻軐挼脑鲆婢€寬(1013～1014Hz)，同步泵浦染料激光器產(chǎn)生的超短脈沖的頻率在整個(gè)光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第61頁(yè)!

在此條件下，激活介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)僅僅取決于這一瞬間得到的泵浦能。如圖所示，泵浦使其增益系數(shù)逐漸增大，直至超過損耗，達(dá)到激光閾值以上。從這一瞬間起產(chǎn)生受激輻射，激光脈沖能量迅速上升，由于泵浦脈沖序列的周期與光子在染料激光器中往返一周的時(shí)間相等，故諧振腔內(nèi)的起始脈沖，只有與泵浦脈沖同時(shí)到達(dá)染料盒時(shí)才能得到放大。這樣由前次泵浦所產(chǎn)生的染同步泵浦染料激光器特性料激光脈沖，在腔內(nèi)往返一周到達(dá)染料盒時(shí)，染料恰好被泵浦處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此，激光脈沖的能量經(jīng)過增益介質(zhì)后得到放大，經(jīng)過多次循環(huán)后脈沖得到較大的能量，這是脈沖形成的階段——增益階段。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第62頁(yè)!右圖所示為典型的同步泵浦染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖。它包括泵浦源、光學(xué)諧振腔、激光介質(zhì)及調(diào)諧元件等。泵浦源一般采用主動(dòng)鎖模的氬離子激光器或固體鎖模激光器，這可根據(jù)激光介質(zhì)的類型來定；對(duì)于染料激光器，一般采用三個(gè)反射鏡組成的折疊腔結(jié)構(gòu)作為染料激光諧振腔。反射鏡M1將二、同步泵浦鎖模激光器的結(jié)構(gòu)泵浦光脈沖序列饋入染料激光腔中。泵浦光和激光同時(shí)以一個(gè)小夾角通過染料，反射鏡M2使激光反射，然后在輸出鏡M4被部分反射、部分輸出。反射鏡在激光諧振腔中是這樣配置的，它使染料激光在反射鏡M2和M4之間振蕩，而使得（與染料激光方向成一個(gè)小角度入射的）泵浦光通過染料后則離開諧振腔。但激活介質(zhì)中泵浦光的光束束腰必須與染料激光的光束束腰很好地重疊。為此，兩光束間的夾角應(yīng)盡量小，并采用良好的保散補(bǔ)償裝置?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第63頁(yè)!關(guān)于摻鈦藍(lán)寶石激光器(Ti：Al2O3)自鎖模的原理至今尚無統(tǒng)一的理論解釋。但大多數(shù)認(rèn)為，其自鎖模現(xiàn)象與摻鈦藍(lán)寶石增益介質(zhì)的克爾效應(yīng)引起的光束自聚焦有關(guān)。摻鈦藍(lán)寶石激光器自鎖模屬于被動(dòng)鎖模。從時(shí)域角度看，任何帶有被動(dòng)性質(zhì)的鎖模激光器，腔內(nèi)都存在這樣的元件，它們首先從噪聲中選取強(qiáng)度較大的脈沖作為脈沖序列的種子，然后利用其鎖模器件的非線性效應(yīng)使脈沖的前后沿的增益小于1，而使脈沖中間的增益大于1，脈沖在腔內(nèi)往返過程中，不斷被整形放大，脈沖寬度被壓縮，直到穩(wěn)定鎖模。在摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中，摻鈦藍(lán)寶石介質(zhì)折射率的非線性效應(yīng)可表示為：一、自鎖模機(jī)理n=no+n2I(t)(3.5-1)式中,no為與光強(qiáng)無關(guān)的折射率，n2為非線性折射率，I(t)為脈沖的光強(qiáng)。由于光強(qiáng)的高斯分布，當(dāng)其通過介質(zhì)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生自聚焦效應(yīng)。取介質(zhì)的某一小段△L，則自聚焦效應(yīng)的焦距為:《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第64頁(yè)!α=αo–βI(t)(3.5-4)沿的損耗大于脈沖中部的損耗。也就是摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中由于自聚焦效應(yīng)和腔內(nèi)光闌的存在．受到一個(gè)與光強(qiáng)有關(guān)的損耗調(diào)制，即：由于增益的存在，脈沖在腔內(nèi)循環(huán)時(shí)，強(qiáng)度小的脈沖不斷被抑制而消失，強(qiáng)度大的脈沖不斷增強(qiáng)，而且使其前后沿不斷損耗，脈沖中間部分被放大，脈沖寬度被壓縮。對(duì)于一個(gè)光脈沖，自聚焦效應(yīng)與腔內(nèi)光闌的結(jié)合就相當(dāng)于一個(gè)快飽和吸收體，它對(duì)光脈沖的前后沿有壓縮作用。光闌可以是外加的，例如在靠近輸出鏡位置加的小孔光闌，亦可以直接利用摻鈦藍(lán)寶石棒內(nèi)高斯分布的增益區(qū)域所構(gòu)成的增益光闌(也可稱之為三維光闌或軟光闌)。摻鈦藍(lán)寶石激光器自鎖模脈沖的形成分為以下兩個(gè)階段：1.初始脈沖的形成2.穩(wěn)定鎖模脈沖的形成《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第65頁(yè)!這種裝置如下圖所示。M1為全反鏡，M2為半反鏡（R＞50％)。電光開關(guān)可用泡克耳斯盒或克爾盒構(gòu)成。偏振棱鏡及電光調(diào)制器組成電光開關(guān)系統(tǒng)，開始時(shí)開關(guān)不起作用，偏振器調(diào)到最大透過率，泵浦后激光脈沖在腔內(nèi)往返形成鎖模。由M2漏出的輻射，經(jīng)透鏡聚焦，擊穿火花隙，經(jīng)過脈沖形成網(wǎng)絡(luò)，將高壓1.脈沖透射法Vλ/4《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第66頁(yè)!這種裝置如圖所示。在兩個(gè)正交的偏振棱鏡P1和P2之間放一個(gè)泡克耳斯盒(或克爾盒)，在鎖模激光器輸出的一系列超短脈沖中，當(dāng)一個(gè)脈沖經(jīng)過時(shí)，由于兩偏振棱鏡正交，故光脈沖被偏振鏡反射、經(jīng)透鏡聚焦，擊穿火花隙，將半波電壓(Vλ/2)矩形脈沖加到電光開關(guān)上。在下一個(gè)脈沖通過電光開關(guān)時(shí)，其偏振面旋轉(zhuǎn)900，恰好通過正交的偏振棱鏡，輸出單一脈沖。至于選擇脈沖序列中的哪一個(gè)脈沖，可通過調(diào)整火花隙擊穿功率和由火花隙到電光開關(guān)的延遲時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。一般選出脈沖序列中能量最大的脈沖。2.腔外選單一脈沖法《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第67頁(yè)!2.相關(guān)測(cè)量法（一般了解）要輸出寬度極窄的脈沖,關(guān)鍵是保持各縱模間相位差的恒定,但是,各縱模的初相位往往是時(shí)間的隨機(jī)函數(shù).因此,需進(jìn)行特殊處理.解決問題的辦法除了用鎖相技術(shù)強(qiáng)迫初相位保持他們的相對(duì)值不變,還可以用選頻方法或加上穩(wěn)頻技術(shù)得到單色極好的激光輸出.模式選擇技術(shù)和穩(wěn)頻技術(shù)WillisE.Lamb(1913.7.12)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第68頁(yè)!從激光原理可知,所謂橫模,就是指在諧振腔的橫截面內(nèi)激光光場(chǎng)的分布。如下圖所示的是幾個(gè)低級(jí)橫模的光場(chǎng)強(qiáng)度分布照片。橫模階數(shù)越高,光強(qiáng)分布就越復(fù)雜且分布范圍越大,因而其光束發(fā)散角越大?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第69頁(yè)!反之，基模(TEM00)的光強(qiáng)分布圖案呈圓形且分布范圍很小,其光束發(fā)散角最小,功率密度最大，因此亮度也最高，徑向強(qiáng)度分布是均勻的?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第70頁(yè)!所謂縱模,就是指沿諧振腔軸線方向上的激光光場(chǎng)分布。對(duì)于一般腔長(zhǎng)的激光器,往往同時(shí)產(chǎn)生幾個(gè)甚至幾百個(gè)縱模振蕩;縱模個(gè)數(shù)取決于激光的增益曲線寬度及相鄰兩個(gè)縱模的頻率間隔。如:n為折射率，L為腔長(zhǎng),因所以取微分后Δν=c/2nL縱模選擇技術(shù)則是單頻激光運(yùn)轉(zhuǎn)的必要手段。

《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第71頁(yè)!激光器即可實(shí)現(xiàn)單橫模(TEM00)運(yùn)轉(zhuǎn)。

(1)閾值條件為I≥I0即

I/I0

≥1由此得出r1r2(1-)2exp(2GL)≥1(2)對(duì)于兩個(gè)最低階次的橫模TEM00和TEM10模，假設(shè)激活介質(zhì)對(duì)各橫模的增益系數(shù)相同，當(dāng)同時(shí)滿足下列兩個(gè)不等式：

＞1

(3)＜1

(4)

《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第72頁(yè)!１.在菲涅耳數(shù)N值相同的情況下,對(duì)稱穩(wěn)定腔的衍射損耗隨|g|的減小而降低。２.基模的衍射損耗最小，隨著橫模階數(shù)的增高，其衍射損耗也逐漸增大?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第73頁(yè)!考慮到模式間的競(jìng)爭(zhēng)，選單橫模的條件還可以放寬些，當(dāng)滿足條件(5)其一，衍射損耗在模的總損耗中必須占有重要地位，達(dá)到能與其他非選擇性損耗相比擬的程度。為此，必須盡量減小腔內(nèi)各元件的吸收、散射等損耗，從而相對(duì)增大衍射損耗在總損耗中的比例。通過減小腔的菲涅數(shù)N也可以達(dá)到這一目的。時(shí)即可。為了有效地選擇橫模，還必須考慮兩個(gè)問題，《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第74頁(yè)!對(duì)稱腔的δ10/δ00與N的關(guān)系橫模的鑒別力隨N的增加而變大，但衍射損耗隨N的增加而減小;N要選擇適當(dāng)(折中一下：一般0.5-2)橫模衍射損耗的差別不僅與不同類型的諧振腔結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且還與腔的菲涅耳數(shù)N有關(guān)。下圖示出了各種g因子對(duì)稱腔的δ10／δ00值與菲涅耳數(shù)N的關(guān)系。g=|1-L/R

|N=α2/(λL)100《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第75頁(yè)!

橫模選擇方法可分為兩類：一類是改變諧振腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)以獲得各模衍射損耗的較大差別，提高諧振腔的選模性能；另一類是在一定的諧振腔內(nèi)插入附加的選模元件來提高選模性能。氣體激光器采用前類方法，固體激光器采用后類方法。二、橫模選擇的方法

當(dāng)Ｎ一定,|g|參數(shù)小，δ10／δ00大，但δ00和δ10值也小，這樣要選出基模并抑制高階模，只有靠減小菲涅耳數(shù)Ｎ來提高模損耗值。但是Ｎ值太小時(shí)，模體積很小，輸出功率也就很低。對(duì)常用的大曲率半徑的雙凹球面穩(wěn)定腔來說,選擇菲涅耳數(shù)Ｎ在0.5到2.0之間比較合適。1.諧振腔參數(shù)g和Ｎ的選擇法《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第76頁(yè)!在不同Ｎ值時(shí)，模衍射損耗|g|的關(guān)系∣g∣=∣1-L/R∣

《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第77頁(yè)!模體積是隨著腔型和g、N參數(shù)變化而變化的，故為了獲得大的功率輸出，在設(shè)計(jì)諧振腔時(shí)，還應(yīng)考慮基模模體積的問題。由諧振腔理論分析可知,一般穩(wěn)定球面腔之TEM00模的有效光束半徑ω(z)沿腔軸z方向是以雙曲線規(guī)律傳輸?shù)摹Ｆ渲笑?為腔內(nèi)最小有效光束半徑(稱為束腰)，Δ為束腰位置與原點(diǎn)之距離。若只考慮對(duì)稱腔的情況，其表示式為

可以得出如下性質(zhì)：(6)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第78頁(yè)!穩(wěn)定球面腔TEM00模的有效光束半徑《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第79頁(yè)!腔號(hào)１２３４５N0.60.90.91.65.1a/mm0.60.740.7411.8G/%211616126.6d10/%25314.510.55.1g000.50.90.99R/mm11210100w0/mm(模體積）0.33-0.430.71.2d00/%30.2232d10/d008157.33.52.6模式TEM00多模TEM00TEM00TEM00腔型共焦共焦一般一般平平表１選基模的有關(guān)參數(shù)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第80頁(yè)!由圖可知，當(dāng)小孔光闌孔徑r很小時(shí)，兩種模式的損耗都很大，二者差別也很小，隨著r增加,兩模式的(δ10/δ00)值增加，在=0.3時(shí)，達(dá)到最大(a為圓形反射鏡的半徑)，這時(shí)TEM10模損耗約20%，而基模僅損耗1%，這時(shí)光闌孔徑為最佳。當(dāng)>0.5時(shí)，模式損耗與不加光闌時(shí)基本相同。共心腔兩低階模衍射損耗與光闌孔徑的關(guān)系δ%《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第81頁(yè)!由圖可以看出，對(duì)固體的Ｎ值，δ10/δ00值對(duì)某一個(gè)光闌孔徑有一個(gè)極大值，利用此孔徑選模最為有利。對(duì)于Ｎ＝2.5~20的共心腔，為0.28~0.36更合適。共心腔δ10/δ00與光闌孔徑的關(guān)系《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第82頁(yè)!

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)并減小損耗，可用一個(gè)凹面反射鏡取代右邊的透鏡和平面反射鏡，如圖所示。但要求凹面反射鏡的曲率中心與透鏡的焦點(diǎn)重合。

在腔內(nèi)插入透鏡和光闌選模的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種腔內(nèi)加望遠(yuǎn)鏡的方法，和“貓眼諧振腔”的選模方法?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第83頁(yè)!

凡是滿足非穩(wěn)定條件g1g2>1或g1g2<0的球面諧振腔稱之為非穩(wěn)腔（gn=1-L/Rn）。它的特點(diǎn)是存在著固有的光線發(fā)散損耗，傍軸光線在腔鏡面上經(jīng)歷相繼的反射時(shí)，每次都向外偏折，離開腔軸線越來越遠(yuǎn)，以致最后逸出腔外，所以這種腔又稱為高損耗腔。4.非穩(wěn)腔選模（一般了解）LR2R1《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第84頁(yè)!《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第85頁(yè)!縱模選擇的基本思想：激光器中某一個(gè)縱模能否起振和維持振蕩主要取決于這一個(gè)縱模的增益與損耗值的相對(duì)大小。對(duì)于同一個(gè)橫模的不同縱模而言，其損耗是相同的，但是不同縱模間存在著增益差異，因此，利用不同縱模之間的增益差異，在腔內(nèi)引入一定的選擇性損耗，使欲選的縱模損耗最小，而其余縱模的附加損耗較大，只有中心頻率附近的少數(shù)增益大的縱模建立起振蕩。最終形成并得到放大的是增益最大的中心頻率所對(duì)應(yīng)的單縱模?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第86頁(yè)!通常是利用腔鏡反射膜的光譜特性(只對(duì)某個(gè)波段反射率大)或在腔內(nèi)插入棱鏡或光柵等色散元件，將工作物質(zhì)發(fā)出的不同波長(zhǎng)的光束在空間分離，然后設(shè)法，僅使較窄波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的光束在腔內(nèi)形成振蕩。(注:n0=1)下圖所示的是腔內(nèi)插入色散棱鏡的粗選裝置圖。諧振腔所能選擇振蕩的最小波長(zhǎng)范圍由棱鏡的角色散和腔內(nèi)振蕩光束的發(fā)散角決定?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第87頁(yè)!式中,α為入射角,n為析射率；β為棱鏡的頂角；Φ為偏向角。定義棱鏡的角色散率為，即波長(zhǎng)每變化0.1nm時(shí)偏向角的變化量。將(1)式求導(dǎo)后代入，得

(3)式中，dn/dλ表示不同材料的析射率對(duì)波長(zhǎng)變化的導(dǎo)數(shù)。設(shè)腔內(nèi)之光束所允許的發(fā)散角為θ(高斯光束的發(fā)散角λ／w0)，則因色散棱鏡分光作用，腔內(nèi)激光波長(zhǎng)所能允許的最小波長(zhǎng)分離范圍為(2)色散率的倒數(shù)為單位偏向角波長(zhǎng)的變化量《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第88頁(yè)!式中，m＝1,2……為衍射級(jí)次。設(shè)d為光柵柵距(光柵常數(shù))，α1為光線在光柵上的入射角，α2為光線在光柵上的反射角，則形成光柵衍射主極大值的條件是(4)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第89頁(yè)!設(shè)腔內(nèi)允許的光束發(fā)散角為θ，則因光柵色散所能允許的最小分離波長(zhǎng)范圍為（仿3式）對(duì)可見光譜區(qū)來說，設(shè)α0=300,θ=1mrad,則Δλ不到1nm量級(jí)。由此可見，其色散選擇能力比棱鏡更高。由于光柵法不存在光束的透過損耗，因此可適用于較寬廣的光譜區(qū)域的激光器。色散腔法雖然能從較寬范圍的譜線中選出較窄的振蕩譜線，實(shí)現(xiàn)了單條熒光譜線的振蕩；但這還只是較粗略的選擇，在該條譜線的熒光線寬范圍內(nèi)，還存在著頻(7)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第90頁(yè)!

激光振蕩的可能縱模數(shù)主要由工作物質(zhì)的增益線寬Δν0和諧振腔的縱模間隔Δνq決定。而縱模間隔與腔長(zhǎng)成反比，因此選擇單縱模的方法之一是縮短諧振腔的長(zhǎng)度Ｌ,以增大Δνq，使得在Δν0范圍內(nèi)只存在一個(gè)縱模，而其余的縱模都位于Δν0之外，2.短腔法《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第91頁(yè)!法布里—珀羅(F-P)標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)不同波長(zhǎng)的光束具有不同的透過率，可以用下式表示：

式中，為標(biāo)準(zhǔn)具的精細(xì)度；R為標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)光的反射率；d為標(biāo)準(zhǔn)具的厚度(即兩平行面的間隔)；φ是標(biāo)準(zhǔn)具中參與多光束干涉效應(yīng)的相鄰兩出射光線的相位差，即(式中，n為標(biāo)準(zhǔn)具介質(zhì)的折射率；a′為光束進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)具后的折射角,一般很小，cosα’≈1)。(8)3.F-P標(biāo)準(zhǔn)具法T(λ)是波長(zhǎng)或φ及R的函數(shù)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第92頁(yè)!F-P標(biāo)準(zhǔn)具的透過率下圖示出了當(dāng)R取不同值時(shí)，T(ν)與φ的變化曲線。由圖可以看出，標(biāo)準(zhǔn)具有反射率R越大，則透射曲線越窄，選擇性就越好?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第93頁(yè)!K-1,λ1K-1,λ2K,λ2K,λ1當(dāng)滿足:2ndcosi′=kλ1=(k-1)λ2時(shí)，λ1的第k級(jí)亮圓環(huán)與λ2的第(k-1)級(jí)亮圓環(huán)重迭,因而得由于在法布里—珀羅標(biāo)準(zhǔn)具中,大多數(shù)情況下,cosi′≈1，所以上式中的k值應(yīng)為以此k值代入上式，《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第94頁(yè)!在激光器的諧振腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具,并選擇適當(dāng)?shù)暮穸群头瓷渎?使Δνm(自由光譜區(qū)）與激光工作物質(zhì)的增益線寬相當(dāng),如圖所示。由圖可見,處于中心頻率的縱模與標(biāo)準(zhǔn)具最大透過率的Δνm相一致，故該模損耗最小，即Q值最大，可以起振，而其余的縱模則由于附加損耗太大，Q值過低而不能形成激光振蕩。調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)具的傾斜角以改變?chǔ)粒纯墒功う蚼與不同縱模頻率重合，以獲得不同頻率的單縱模激光輸出。

F-P標(biāo)準(zhǔn)具選縱模的優(yōu)點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)具平行平面板間的厚度可以做得很薄，由于腔長(zhǎng)沒有縮短，輸出功率仍可很大?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第95頁(yè)!4.復(fù)合腔法

如果用一個(gè)反射干涉儀系統(tǒng)取代諧振腔中的一個(gè)反射鏡，則其組合反射率是光波長(zhǎng)(頻率)的函數(shù)。復(fù)合腔選?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第96頁(yè)!適當(dāng)選擇l1及l(fā)2，可以使復(fù)合腔的頻率間隔足夠大，即兩相鄰縱模間隔足夠大，與增益線寬相比擬時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)。Δν=c/[2(l1-l2)](9)Δν=c/[2(l1-l2)](10)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第97頁(yè)!

有一種類似于?？怂埂访芩剐偷膹?fù)合腔，如圖所示。這是由一個(gè)棱鏡組成的復(fù)合腔，兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：，起分光作用的是一個(gè)單一的平面，因而避免了一般分光鏡兩個(gè)平面帶來的多光束干擾；第二，可將棱鏡放在恒溫槽中，保證l1、l2的穩(wěn)定《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第98頁(yè)!頻率穩(wěn)定度通常系指激光器在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在一定的觀測(cè)時(shí)間τ內(nèi)頻率的平均值與該時(shí)間內(nèi)頻率的變化量Δυ之比，即(1)常說穩(wěn)定度為10-8，10-9等，就是這個(gè)意思。(2)用頻率的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性這兩個(gè)物理量來表示激光頻率穩(wěn)定的程度。顯然，變化量Δυ(τ)越小，則S越大，表示頻率的穩(wěn)定性越好。習(xí)慣上，有時(shí)把S的倒數(shù)作為穩(wěn)定度的量度，即《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第99頁(yè)!(3)另外，對(duì)于作為頻率或波長(zhǎng)基準(zhǔn)的激光器，不僅要求穩(wěn)定度高，而且要求頻率重復(fù)性的精度也高。這種在不同地點(diǎn)、時(shí)間、環(huán)境下穩(wěn)定頻率的偏差量與它們的平均頻率的比值稱之為頻率復(fù)現(xiàn)性，其中，為被測(cè)激光器系列的平均頻率或同一臺(tái)激光器的標(biāo)準(zhǔn)頻率；為頻率的偏差量。頻率的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性是兩個(gè)不同的概念。對(duì)一臺(tái)穩(wěn)頻激光器，不僅要看其穩(wěn)定度，而且還要看它的頻率復(fù)現(xiàn)性。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第100頁(yè)!

可見激光器的振蕩頻率是由原子躍遷譜線及諧振腔的諧振頻率共同決定的，二者的變化均會(huì)引起激光頻率的不穩(wěn)定；譜線對(duì)振蕩頻率的影響由(5)式中的第二項(xiàng)以頻率牽引效應(yīng)表示出來，牽引效應(yīng)的比例系數(shù)：(5)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第101頁(yè)!1.溫度變化的影響環(huán)境溫度的起伏或者是激光管工作時(shí)發(fā)熱，都會(huì)使腔材料隨著溫度的改變而伸縮，以致引起頻率的漂移，即

影響頻率穩(wěn)定的外界因素主要有以下幾個(gè)方面。（溫度，大氣變化，機(jī)械振動(dòng)，磁場(chǎng)等）式中，△T為溫度的變化量；α為諧振腔間隔材料的線膨脹系數(shù)，硬質(zhì)玻璃α=10-5/0C，石英玻璃α=6×10-7/0C，殷鋼α=9×10-7/0C。一般難以獲得優(yōu)于10-8的頻率穩(wěn)定度。(8)《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第102頁(yè)!又設(shè)測(cè)量中溫度、氣壓及濕度的時(shí)間變化率分別為則引起激光波長(zhǎng)的變動(dòng)分別為(9)式中，τ為測(cè)量時(shí)間，對(duì)示波器τ=3~5s，對(duì)XY記錄儀τ≤1min。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第103頁(yè)!為了減小溫度影響，激光諧振腔間隔器多采用殷鋼材料制成，但殷鋼的磁致伸縮性質(zhì)可能引起腔長(zhǎng)的變化，如1.15μm波長(zhǎng)的He-Ne激光器，僅由于地磁場(chǎng)效應(yīng)可以產(chǎn)生140kHz的頻移。因而地磁場(chǎng)效應(yīng)和周圍電子儀器的散磁場(chǎng)對(duì)于高穩(wěn)定激光器影響必須加以考慮。4.磁場(chǎng)的影響

綜上所述，環(huán)境溫度的變化、機(jī)械振動(dòng)等外界干擾對(duì)激光頻率穩(wěn)定性影響很大，因而自然聯(lián)想到，最直接的穩(wěn)頻辦法就是恒溫、防震、密封隔聲、穩(wěn)定電源等（被動(dòng)穩(wěn)頻）。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第104頁(yè)!

實(shí)驗(yàn)證明，采用恒溫度、防震裝置后,CO2激光器的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10-7量級(jí)。但要提高到量級(jí)10-8以上，單靠這種被動(dòng)式穩(wěn)頻方法就很難達(dá)到了，必須采用伺服（隨動(dòng)，servo)控制系統(tǒng)對(duì)激光器進(jìn)行自動(dòng)控制穩(wěn)頻，即主動(dòng)穩(wěn)頻的方法?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第105頁(yè)!蘭姆凹陷穩(wěn)頻裝置比較簡(jiǎn)單，是應(yīng)用較早的一種氣體激光穩(wěn)頻方法，其頻率穩(wěn)定度為10-9量級(jí)，主要缺點(diǎn)是復(fù)現(xiàn)性差，原因是有約150kHz/Pa的壓力頻移。《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第106頁(yè)!

在《激光原理》中曾介紹過非均勻加寬線型增益曲線的燒“孔”效應(yīng)，并指出在多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的非均勻加寬線型中，一個(gè)振蕩頻率在其增益曲線上能燒兩個(gè)“孔”(對(duì)稱于中心頻率υ0),出現(xiàn)在振蕩頻率υ上的稱為“原孔”，在增益曲線對(duì)稱位置上的稱為“像孔”如圖1所示，當(dāng)振蕩頻率位于譜線的中心頻率處時(shí)，蘭姆凹陷穩(wěn)頻一、蘭姆凹陷WillisE.Lamb1913.7.12《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第107頁(yè)!非均勻加寬介質(zhì)大信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和頻率的關(guān)系。1入射光很弱的小信號(hào)情況2入射光（頻率ν1）很強(qiáng)的大信號(hào)情況《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第108頁(yè)!加有頻率為f的調(diào)制電壓，當(dāng)外表面為正電壓,內(nèi)表面為負(fù)電壓時(shí)陶瓷環(huán)伸長(zhǎng),反之則縮短。圖２蘭姆凹陷穩(wěn)頻裝置示意圖《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第109頁(yè)!v0v=v0頻率圖3蘭姆凹陷穩(wěn)頻原理v0下圖示出了激光輸出功率—頻率曲線。輸出功率在原子譜線中心頻率υ0處有一極小值，選擇它作為頻率穩(wěn)定點(diǎn)。其穩(wěn)頻工作過程如下：輸出一負(fù)直流電壓饋送到壓電陶瓷上，這電壓使壓電陶瓷環(huán)縮短，從而使腔長(zhǎng)伸長(zhǎng)，于是激光振蕩頻率又回到υ0處?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第110頁(yè)!其變化幅度δp即為鑒別器的誤差信號(hào)，它的相位與調(diào)制信號(hào)電壓相同；此光信號(hào)被光電接收器變換成相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過選頻放大后送入相敏檢波器，與從音頻振蕩器輸入的頻率為f的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相位比較得到一個(gè)直流電壓，此電壓的大小與誤差信號(hào)成正比，它的正負(fù)取決于誤差信號(hào)與調(diào)制信號(hào)的相位關(guān)系，此時(shí)由于二者同相位，從相敏檢波器輸出一負(fù)直流電壓，繼而經(jīng)過直流放大、調(diào)制升壓與整流，饋送到壓電陶瓷上，這電壓使壓電陶瓷環(huán)縮短，從而使腔長(zhǎng)伸長(zhǎng)，于是激光振蕩頻率又回到υ0處?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第111頁(yè)!(1)穩(wěn)頻激光器不僅要求是單橫模，而且還要求必須是單縱模。(2)根據(jù)以上討論可見，頻率穩(wěn)定性與蘭姆凹陷中心兩側(cè)的斜率有關(guān)，斜率越大，誤差信號(hào)就越大，因而靈敏度高，穩(wěn)定性就越好。(3)蘭姆凹陷線型的對(duì)稱性也影響頻率的穩(wěn)定性。(4)蘭姆凹陷穩(wěn)頻是以原子躍遷譜線中心頻率υ0作為參考標(biāo)準(zhǔn)的。三.應(yīng)用蘭姆凹陷穩(wěn)頻時(shí)應(yīng)注意的問題《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第112頁(yè)!

若在光束方向施加縱向磁場(chǎng)，則沿磁場(chǎng)方向可觀察到，一條譜線對(duì)稱地分裂成兩條譜線，一條是左旋圓偏振光,它的頻率高于未加磁場(chǎng)時(shí)的譜線，為υ0+Δυ；另一條是右旋圓偏振光，頻率低于未加磁場(chǎng)時(shí)的譜線，為υ0–Δυ（如圖)。這兩條譜線的頻率差為：(1)g是朗道因子；μβ是玻爾磁子；h為普朗克常量；H是磁場(chǎng)強(qiáng)度?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第113頁(yè)!

產(chǎn)生塞曼效應(yīng)的原因是原子的能級(jí)在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生分裂。當(dāng)未加磁場(chǎng)(H=0)時(shí)，原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí),發(fā)出頻率為υ0的光；當(dāng)加磁場(chǎng)之后，這兩個(gè)能級(jí)就發(fā)生分裂，當(dāng)原子在這些能級(jí)之間按選擇定則從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí),便發(fā)生三種頻率(υ1=υ0+Δυ，υ0，υ2=

υ0–Δυ)的偏振光?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第114頁(yè)!

由圖可以看出，當(dāng)激光振蕩頻率正好處于υ0時(shí)，左旋圓偏振光和右旋圓偏振光相等；若激光振蕩頻率偏離了υ0(如在υ處)，則右旋光的光強(qiáng)(I右)大于左旋光的光強(qiáng)(I左)；反之,則有I右<I左。根據(jù)激光器輸出的兩個(gè)圓偏振光光強(qiáng)的差別，就可以判別出激光振蕩頻率偏離中心頻率的方向和大小。這樣可設(shè)法形成一控制信號(hào)去調(diào)節(jié)諧振腔，使它穩(wěn)定在譜線的中心頻率處?！禖h激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第115頁(yè)!雙頻穩(wěn)頻激光器示意圖Vλ/4《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第116頁(yè)!電光調(diào)制器由電光晶體和偏振器組成。圓偏振光通過加有1/4波長(zhǎng)電壓(Vλ/4)的晶體時(shí)就會(huì)變成線偏振光，而偏振器只允許平行于偏振軸的光通過，故二者結(jié)合起來，利用±Vλ/4使左圓和右圓偏振光交替通過偏振器，能比較出左旋光和右旋光光強(qiáng)的大小而完成鑒頻作用。+(_)tttVλ/4-Vλ/4IRILtIR>ILtIR<IL《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第117頁(yè)!因此，在偏振器后面的光電接收器就交替地接收到左、右旋光的光強(qiáng)信號(hào)IυL和IυR，其變化頻率為f。當(dāng)IυR＞IυL時(shí)，光電接收器的輸出信號(hào)電壓的相位與調(diào)制電壓反相；當(dāng)IυR=IυL時(shí)，則輸出信號(hào)為一直流電壓，其工作原理如圖所示。當(dāng)IυR＜IυL時(shí)，則輸出信號(hào)電壓與調(diào)制電壓同相；Vλ/4《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第118頁(yè)!如圖所示的形狀，即在ν＝νo處有△n(νo)＝0，當(dāng)ν＞νo時(shí)，△n(ν)＞0，介質(zhì)折射率比無源(沒激活介質(zhì))腔時(shí)大，并存在一個(gè)極大值。當(dāng)ν＜νo時(shí)，△n(ν)＜0，介質(zhì)折射率比無源腔時(shí)小，并存在一個(gè)極小值。正是由于有源腔中的激活介質(zhì)折射率在中心頻率附近的這種色散作用。使得有源(存在激活介質(zhì))腔縱模頻率比無源腔更靠近中心頻率。我們稱這種現(xiàn)象為頻率牽引現(xiàn)象。激光介質(zhì)的色散曲線頻率牽引現(xiàn)象《Ch激光控制技術(shù)》課件共250頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第119頁(yè)!因?yàn)棣訪＜υ0L，所以ΔnL＜0，故υL＞υo，即左旋光的頻率比未加磁場(chǎng)時(shí)的振蕩頻率增高了，就是，即(2)υL–υo=(-ΔnL/

no)υL