文档介绍：激光技术专题讲座博士生用
共讲授六个专题:1、激光调Q理论与技术 2、激光锁模
3、激光放大 4、激光倍频
5、高能激光器 6、激光应用简介
任何激光器都包括工作物质、谐振腔和泵浦源三部分。如下图
激光器有连续、准连续和脉冲等各种工作方式,基本上由泵浦方式决定的,比如半导体激光和气体激光视用电激励,如用直流电则得到连续输出,如用交流电激励则得到准连续激光输出。若想脉冲工作,必须提供高功率脉冲电源。在目前的情况下,获得窄脉冲有困难。对于固体激光器,是用灯泵浦,连续激光用氪灯,脉冲激光用氙灯。在上面的光路中,激光输出脉冲宽度一般在几微秒至几十微秒的量级。灯光脉冲宽度应和工作物质的荧光寿命相匹配,比如YAG是230,灯光脉冲也应在230左右。为了把光脉冲压缩到纳秒(ns)量级,当前的技术就是调Q。激光器属于振荡器,振荡器是否容易振荡如电路中的振荡电路一样,是由品质因素Q来衡量的。Q的定义是:
为角频率,W为储能。
损耗功率可由下面分析求出:设储能为W,单程损耗系数(,100%损耗;,无损耗),则单程损耗为W。变成功耗要除以单程传播时间,单程损耗用的时间为(L为腔长,c为光速)。所以
所以品质因素Q与损耗系数成反比例,控制便可以控制Q值。控制谐振腔的可由控制
——反射损耗——衍射损耗
——吸收损耗——散射损耗
当前国际上主要调Q方案是
染料调Q——控制吸收损耗
声光调Q——控制衍射损耗
电光调Q——控制反射损耗
染料调Q
有些液体染料或固体染料片具有吸收饱和作用,当光通过时,开始吸收很强,所以激光器处于低Q值,随着时间增长,吸收系数减小,最后饱和,不吸收,激光器Q值增高,形成振荡。在染料达到饱和之前的一段时间是激光工作物质反转粒子积累时间,与不加染料盒相比,累积时间增长,反转粒子数更多,所以形成强振荡。通过染料浓度和厚度调节控制吸收饱和时间为2/3亚稳态寿命,可得到较好的调Q结果。染料调Q可得到15~20ns脉宽。对YAG来说,目前染料有五甲川、十一甲川、兰色素等。
声光调Q
声光调Q是利用光弹效应,各种同性质介质受应力作用可变成光学各向异性,这种现象叫光弹效应,也称应力双折射。广义来说,各向异性晶体受应力作用改变其折射率椭球也称光弹效应。
在晶体光学中,有晶体折射率椭球方程:
(1)
当有弹性应变时,折射率椭球系数产生变化,可写成:
(2)
比较(1)和(2),折射率椭球系数产生变化,对应系数的变化量
,k、e可用1、2、3代入。
式中:为光弹系数——四阶能量,——应变能量(二阶能量)。
考虑晶体对称性,通常可有六项,为三阶能量36项,写成矩阵形式可有:
声光调Q是利用声光效应,属于光弹效应。因声波是弹性纵波,应融石英均匀介质,即。则此时的光弹系数和应变量都只有一项,即
,和分别为加声波前和之后的折射率,
p——光弹系数,——声波产生的应变。
因声波产生应变与声波有关,即,
式中:s——声波振幅,——声波角频率
——声波波长,x——加声波的方向(即声波传播方向)
所以折射率变化
设
则
公式的物理意义是:在融石英晶体上加上超声波,其折射率将按x方向(声波传播方向)周期变化。因为折射率影响光波位相,所以加超声波的融石英晶体等效于一个正弦位相光栅,光波通过时位相变化幅度,L为光在石英中的传播德长度。
由三维正弦位相光栅的基本理论,光通时发生衍射满足方程:
平面光栅方程
由体光栅决定的方程
由第二个方程可推出
其中是光入射角,是衍射角,光波长,是声波波长,将代入平面光栅方程,有:,其中,对应(注意:,对应)
后一个公式称为布拉格方程。根据此方程衍射光线如下图:
可见这种光栅只有零级和正一级(或负一级,由入射光方向决定)
0级和1级光的输出强度可通过一番复杂的推导得到下面的表达形式:
分别为入射光波,0级衍射光和1级衍射光的振幅。
,式中为波数,是声波引起的折射率变化幅值,上面已求出。L是通光方向长度,表示方程变化量。在的中代入的表达式,则:
应变s也需要一番计算,可得到
式中:——声波峰值功率,——声光材料密度
——介质中声速, L——通光方向长度,称为厚度
H——声光材料的宽度
于是
都是材料固有的,决定材料的品质,所以通常引进为声光介质的品质因数。希望这个因数越大越好。引入后,
技术上的努力方向是使,得到:
等效于全部衍射得到1级,这要求。左边的数一般是很小的,只有取大的比,大的,高声光功率才能接近1。值大是最关键的,大吸收增大,或通光面积减小,大在声波发光器制作上带来困难。目前超声波功率的射频源只能做到十几~二十几瓦。
如果我们能做成一个声光调制器,并使其,则此器件起到光