第六章激光器单元技术
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激光原理与技术--第六章 激光在精密测量中的应用
当AB sinθ 为半波长的偶数倍时----- 出现暗纹。 当AB sinθ 为
半波长的奇数倍时----- 出现明纹。
21
我们把k =士1的两个暗点之 间的角距离作为中央明纹的 角宽度．中央明纹的半角宽度
Δθ0≈λ∕a
◆暗纹中心位置公式:
◆明纹中心位置公式:
明纹 暗纹
◆光强分布公式:
单缝衍射测量仪器示意图
4
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
除了迈克尔孙干涉仪以外，激光干涉测长系统还包括激光光源、可移 动平台、光电显微镜、光电计数器、显示记录装置
7.干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差π/2的干涉条纹的光强信号， 该信号经放大，整形，倒向及微分等处理,可以获得四个相位依次相差π/2 的脉冲信号（图6-5）。
图6-2 反射器
3
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
5.激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路布局，如图6-3示。
图6-3 典型光路布局
6. 移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械移相（图6-4）， 翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。
图6-4 机械法移相原理图
13
基本原理
The Michelson interferometer is shown in Figure 1. The basic optical path of laser interferometer length measurement is a Michelson interferometer, and this makes use of interference fringes ,which are the traces of points owing the same path difference, to reflect the information of measured object. It uses the partially reflecting element P to divide the light from laser source into two mutually coherent beams which are reflected by M1 and M2 .The output intensity of an interferometer is a periodic function of the length difference between the measuring path and the reference path of the interferometer. Typical length measurements with a laser interferometer are performed by moving one reflector of the interferometer along a guideway and counting the periodic interferometer signal, e.g. the interference fringes. These results are unambiguous as long as the length difference between two consecutive measurements is within λ/2. Interpolation of the fringes can lead to a resolution of the length measurement below 1nm. The bright fringes occur when the path difference is kλ and the dark fringes when it is (k+1/2)λ,where k is any integer.
半波长的奇数倍时----- 出现明纹。
21
我们把k =士1的两个暗点之 间的角距离作为中央明纹的 角宽度．中央明纹的半角宽度
Δθ0≈λ∕a
◆暗纹中心位置公式:
◆明纹中心位置公式:
明纹 暗纹
◆光强分布公式:
单缝衍射测量仪器示意图
4
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
除了迈克尔孙干涉仪以外，激光干涉测长系统还包括激光光源、可移 动平台、光电显微镜、光电计数器、显示记录装置
7.干涉条纹计数时，通过移相获得两路相差π/2的干涉条纹的光强信号， 该信号经放大，整形，倒向及微分等处理,可以获得四个相位依次相差π/2 的脉冲信号（图6-5）。
图6-2 反射器
3
6.1.2 激光干涉测长系统的组成
5.激光干涉仪的典型光路布局有使用角锥棱镜反射器的光路布局，如图6-3示。
图6-3 典型光路布局
6. 移相器也是干涉仪测量系统的重要组成部分。常用的移相方法有机械移相（图6-4）， 翼形板移相，金属膜移相和偏振法移相。
图6-4 机械法移相原理图
13
基本原理
The Michelson interferometer is shown in Figure 1. The basic optical path of laser interferometer length measurement is a Michelson interferometer, and this makes use of interference fringes ,which are the traces of points owing the same path difference, to reflect the information of measured object. It uses the partially reflecting element P to divide the light from laser source into two mutually coherent beams which are reflected by M1 and M2 .The output intensity of an interferometer is a periodic function of the length difference between the measuring path and the reference path of the interferometer. Typical length measurements with a laser interferometer are performed by moving one reflector of the interferometer along a guideway and counting the periodic interferometer signal, e.g. the interference fringes. These results are unambiguous as long as the length difference between two consecutive measurements is within λ/2. Interpolation of the fringes can lead to a resolution of the length measurement below 1nm. The bright fringes occur when the path difference is kλ and the dark fringes when it is (k+1/2)λ,where k is any integer.
激光器的基本技术激光调Q技术讲解课件
的数字通信。
测量领域
利用激光的高亮度和相干性好 的特点，实现高精度的测量和 定位。
军事领域
利用激光的高亮度和方向性好 的特点，实现远距离的探测、 跟踪和瞄准。
工业领域
利用激光的高亮度和高能量密 度的特点，实现各种加工和制 造，如切割、焊接、打标等。
02
激光调Q技术介绍
调Q技术的定义
调Q技术
调Q技术是一种控制激光器输出 脉冲宽度的技术，通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作，从而获得短 脉冲和高峰值功率的激光输出。
当激光器处于低损耗状态时，腔内的光子数会逐渐增加，当腔内的光子数达到最 大值时，突然关闭腔的损耗，使腔内光子数突然剧增，导致激光器产生单脉冲输 出。
调Q技术的实现方式
机械方式
通过调节反射镜或光学元件的位 置来实现腔长或折射率的调节。
电学方式
通过改变腔内电场的分布来实现 折射率的调节。
调Q技术的优缺点
调Q技术的原理
调Q技术的原理是通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作。在脉冲状态 下，激光器的输出功率和光束质 量得到显著提高，从而获得短脉 冲和高峰值功率的激光输出。
调Q技术的分类
调Q技术可以分为被动调Q和主动 调Q两大类。被动调Q技术利用某 些材料的物理特性（如非线性折 射率变化）来实现腔内损耗的调 节；主动调Q技术则通过外部控 制电路或声光调制器等设备来实 现腔内损耗的调节。
等优点。
激光调Q技术在工业领域的应用
激光调Q技术在工业领域的应用也非常广泛，它可以用于加工各种材料，如金属、 非金属、复合材料等。
激光调Q技术还可以用于制造各种产品，如激光打印机、激光投影仪、激光传感器 等。
测量领域
利用激光的高亮度和相干性好 的特点，实现高精度的测量和 定位。
军事领域
利用激光的高亮度和方向性好 的特点，实现远距离的探测、 跟踪和瞄准。
工业领域
利用激光的高亮度和高能量密 度的特点，实现各种加工和制 造，如切割、焊接、打标等。
02
激光调Q技术介绍
调Q技术的定义
调Q技术
调Q技术是一种控制激光器输出 脉冲宽度的技术，通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作，从而获得短 脉冲和高峰值功率的激光输出。
当激光器处于低损耗状态时，腔内的光子数会逐渐增加，当腔内的光子数达到最 大值时，突然关闭腔的损耗，使腔内光子数突然剧增，导致激光器产生单脉冲输 出。
调Q技术的实现方式
机械方式
通过调节反射镜或光学元件的位 置来实现腔长或折射率的调节。
电学方式
通过改变腔内电场的分布来实现 折射率的调节。
调Q技术的优缺点
调Q技术的原理
调Q技术的原理是通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作。在脉冲状态 下，激光器的输出功率和光束质 量得到显著提高，从而获得短脉 冲和高峰值功率的激光输出。
调Q技术的分类
调Q技术可以分为被动调Q和主动 调Q两大类。被动调Q技术利用某 些材料的物理特性（如非线性折 射率变化）来实现腔内损耗的调 节；主动调Q技术则通过外部控 制电路或声光调制器等设备来实 现腔内损耗的调节。
等优点。
激光调Q技术在工业领域的应用
激光调Q技术在工业领域的应用也非常广泛，它可以用于加工各种材料，如金属、 非金属、复合材料等。
激光调Q技术还可以用于制造各种产品，如激光打印机、激光投影仪、激光传感器 等。
激光器的基本技术激光调Q技术讲解课件
微型化与集成化
新材料与新波段
微纳激光器、芯片上集成激光器等技术的 发展，为光通信、光互联等领域提供有力 支撑。
探索新型激活介质与光学材料，拓展中红 外、太赫兹等波段的激光技术与应用。
02
激光调Q技术原理及优势
调Q技术基本原理
调Q开关
通过调节激光腔内的Q值来控制激光的输出。Q值高时，激光腔内存储能量多 ，输出激光脉冲峰值功率高；Q值低时，激光腔内能量损失多，输出激光脉冲 宽度窄。
的相关参数。
数据处理
02
对采集到的光信号进行处理，如滤波、放大等，以提取有效信
息。
数据分析
03
采用统计方法对处理后的数据进行分析，如计算平均值、标准
差等。
结果展示和讨论
结果展示
将实验结果以图表形式进行展示，如绘制光信号波形图、功率谱 图等。
结果讨论
根据实验结果进行讨论，分析激光调Q技术对激光器性能的影响 及其可能原因。
参数设置和影响因素分析
初始参数设置
根据激光器类型和实验条件，设置初始参数 ，如增益系数、损耗系数、腔长等。
调Q参数设置
设置调Q开关的参数，如调制频率、调制深度等， 实现不同的调Q效果。
影响因素分析
分析增益介质特性、泵浦源特性、腔镜反射 率等因素对激光器性能的影响，为性能优化 提供依据。
性能优化策略提出
窄脉冲宽度
调Q技术可以将激光脉冲压缩至纳秒甚至皮秒量级，有利于实现高精度、高质量的激光加 工和微观探测。
广泛应用
调Q技术在激光加工、医疗、科研、军事等领域有着广泛的应用。例如，可以用于切割、 焊接、打孔等激光加工过程，也可以用于激光雷达、光谱分析、非线性光学等科研领域。
03
激光原理与技术 第六章、激光器的模式选择和
相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例
球面镜谐振腔的两个重要参数
g参数 g =（1-L/R） 其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。
菲涅尔数 N=a2/L 其中a为腔内有效孔径的半径，L为腔长。
衍射损耗是谐振腔参数g和菲涅尔数N的函数
光阑法选横模
• 在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减 小腔镜尺寸，即减小了谐振腔的菲涅耳 数N。菲涅耳数越小，衍射损耗就越大。 适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
色散腔粗选波长
• 当激光工作物质中有多个能级间可以发 生激光跃迁，从而可以产生多波长激光 辐射的情况下
• 或者工作物质有相当宽的增益线宽 • 如在应用中，需要选出对应某一波长
附近的一组纵模时 • 利用色散腔选择纵模是最为实用且有效
的方法
棱镜色散腔 光栅色散腔
短腔法选纵模
• 谐振腔模间隔=C/2nL • 如果设计腔长L使模间隔
增益曲线宽度
g 则可以实现单纵模工作 例如：He-Ne 10cm
CO2 3m VCSEL
损耗
F-P标准具选模
复合腔法选纵模
1. 迈克尔逊式 复合腔
=C/2n(l1-l2)
l2 l1
1. Fox-Smith式 复合腔
=C/2n(l1+l2)
l2 l1
行波腔选纵模法
• 在均匀加宽工 作物质中，以 行波方式产生 激光振荡，消 除空间烧孔效 应就可以实现 单纵模输出
y’
V 检偏器
纵向电光调制原理
在x＇方向折射率比原来减小了1/2n03γ63Ez，而y＇方向的折 射率则增加了1/2n03γ63Ez，如图20－18（b）所示。当沿z轴 方向入射的线偏振光进入晶体后，即沿x＇、y＇方向分解 为两个互相垂直的偏振分量。由于它们的折射率不同，则 沿x＇方向振动的光传播速度快，称为“快光”；而沿y＇ 方向振动的光传播速度慢，称为“慢光”。则两束光经晶 体（长度为L）后，将产生位相差Δψ，则有：
球面镜谐振腔的两个重要参数
g参数 g =（1-L/R） 其中L为腔长，R为球面镜曲率半径。
菲涅尔数 N=a2/L 其中a为腔内有效孔径的半径，L为腔长。
衍射损耗是谐振腔参数g和菲涅尔数N的函数
光阑法选横模
• 在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减 小腔镜尺寸，即减小了谐振腔的菲涅耳 数N。菲涅耳数越小，衍射损耗就越大。 适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
色散腔粗选波长
• 当激光工作物质中有多个能级间可以发 生激光跃迁，从而可以产生多波长激光 辐射的情况下
• 或者工作物质有相当宽的增益线宽 • 如在应用中，需要选出对应某一波长
附近的一组纵模时 • 利用色散腔选择纵模是最为实用且有效
的方法
棱镜色散腔 光栅色散腔
短腔法选纵模
• 谐振腔模间隔=C/2nL • 如果设计腔长L使模间隔
增益曲线宽度
g 则可以实现单纵模工作 例如：He-Ne 10cm
CO2 3m VCSEL
损耗
F-P标准具选模
复合腔法选纵模
1. 迈克尔逊式 复合腔
=C/2n(l1-l2)
l2 l1
1. Fox-Smith式 复合腔
=C/2n(l1+l2)
l2 l1
行波腔选纵模法
• 在均匀加宽工 作物质中，以 行波方式产生 激光振荡，消 除空间烧孔效 应就可以实现 单纵模输出
y’
V 检偏器
纵向电光调制原理
在x＇方向折射率比原来减小了1/2n03γ63Ez，而y＇方向的折 射率则增加了1/2n03γ63Ez，如图20－18（b）所示。当沿z轴 方向入射的线偏振光进入晶体后，即沿x＇、y＇方向分解 为两个互相垂直的偏振分量。由于它们的折射率不同，则 沿x＇方向振动的光传播速度快，称为“快光”；而沿y＇ 方向振动的光传播速度慢，称为“慢光”。则两束光经晶 体（长度为L）后，将产生位相差Δψ，则有：
激光辐射及应用课件：激光单元技术
激光单元技术
图5-4 腔内插入 F P标准具
激光单元技术 其他频率的光因不能透过标准具而具有很大的损耗。由
物理光学可知,标准具透过率 峰值对应的频率为
其中j为正整数,μ 为标准具二镜间介质的折射率,d 为标准具 长度,θ为标准具内光线与 法线的夹角。
激光单元技术 相邻透射率峰的频率间隔为
透射谱线宽度
激光单元技术
5.2.2 调Q 原理 要使脉冲激光器输出一个脉宽极窄、功率很大的光脉冲
问题,可归结为寻找一种措 施,使激光能量在时间上进一步高 度集中。例如,设法集中到半宽度约为几十毫微秒或更 短的 单个脉冲上,则激光脉冲的亮度将大大提高。分析激光器内 激光能量积累过程可知, 能量积累有两种形式,一种是通过光 子的积累,另一种是通过受激态粒子数的积累。下面 先分析 后者。
激光单元技术
5.1.1 横模选择 如前所述,谐振腔的特性可以用菲涅耳数表示。当菲涅
耳数减小时,各种振荡模式的 衍射损耗将增加,对于基模和高 阶模来说,功率损耗的差别也将大大增加。选模的原理在 于 创造一种条件,使得在这种条件下菲涅耳数得到减小,增加某 些模式的损耗,使它不能 产生振荡,用这种方法把谐振腔中的 模式分开,达到选模的目的。因此,工作物质的增益 与选出模 式及被抑制模式的损耗之间的比值,是选择谐振腔形式以及 选模元件形式的重要 依据。工作物质的增益应大于选出模 式的损耗,而小于被抑制模式的损耗。
可以看出,增加泵浦能量不能提高激光峰值功率,只不过 使尖峰脉冲的个数增加,虽 然输出的光脉冲总能量增加,但功 率并未增加。原因是,由于每个尖峰都是在上下能级粒 子反 转数 ΔN 刚刚达到阈值 ΔN阈 时便开始产生激光振荡,输出一 个一个的光脉冲。
激光单元技术
_第六章 光扫描技术
说明F数大于100，则（R－x）值急剧增大，对应平面波失真越小。 因此，对激光扫描系统，一般取F>100为好。 现代光学测试技术
激光束经过扫描系统后的光斑直径，由式（6-27），即 f d 1.27 1.27 Fs (6-28) d0 式中：λ为激光束波长；f为扫描物镜的焦距； FS为扫描物镜的焦距与激光束腰直径的比数。 另一方面，再从衍射角度，即镜框存在的情况下，衍射光斑 的直径是 f (6-29) d k kFD D 式中：f为扫描物镜的焦距；D为扫描物镜的口径； FD为扫描物镜的F数。 由式（6-28）及式（6-29），使d相等，在 D / d 0 2 时，则有
一、计量原理
当扫描反射镜以ω的角速度转动时，激光束的角扫描运动是
t
扫描光束通过物镜3后，形成线扫描运动，扫描线速度是
dh d 2 f 2 f d 2 f v dt dt dt
设被测件尺为D，则
dh D vt t 2 ft dt
当已知ω，测定t，由式（6-1）就可求出D。这就是光扫描计 量的基本关系式。
现代光学测试技术
为保证测量的高精度，光扫描计量系统，必须满足三点基本要 求： （1）激光束应垂直照射被测表面； （2）光束必须对物面作匀速直线扫描运动，即 v （3）扫描时间必须测得很准确。 为保证激光束扫描时始终垂直于被测表面，可采用物体表面 相对激光束作匀速运动。但这种方法，对机构要求很高， 实现困难。所以一般不采用被测物体运动的方式。
后臵扫描 图6-7光扫描的两种基本形式
前臵扫描
现代光学测试技术
目前大多数采用前臵扫描的形式。设光束扫描的长度为L， 扫描光束的光斑直径为d，那么，扫描分辨率N的定义是 L (6-25) N d 对激光来说，高斯光束的束腰直径是 4x d 2 d 02 [1 ( 2 ) 2 ] (6-26) d 0 式中：d为距束腰中心x处的光束直径； d0为初始激光束的束腰直径。 式（6-26）其符号意义示于图6-8。
第6章激光器的工作特性课件
固体脉冲自由运转激光器输出的尖峰脉冲 弛豫振荡现象：
固体（或半导体）激光器发出的一个脉冲，不是一个平滑 的连续脉冲，而是一个衰减尖峰序列。
光泵激励： 反转粒子数密度
受激辐射： 反转粒子数密度
增加 减少
——振荡带宽： 激光器小信号增益系数中大于 阈值增益系数的那部分曲线所 对应的频率范围。
起振模式数：
例 6-1 ：红宝石激光器腔长L=11.25cm，棒长
，折射
率 n=1.75 ，均匀加宽线宽
，激发参数
，求（1）满足阈值条件的振荡带宽；（2）起振纵模数。
6.3.2 均匀加宽激光器的输出模式 1. 模式竞争
2. 激光器的振荡阈值
阈值增益系数：
增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持 稳定振荡
激光器的阈值反转粒子数密度： 阈值泵浦功率和能量： 3. 激光器的振荡模式 思考：激光器中能够起振的模式数有多少 ？ 1 均匀加宽激光器的纵模竞争
空间烧孔引起多模振荡
2 非均匀加宽激光器中的多纵模振荡
6.4 连续激光器的输出功率
小信号增益系数
阈值增益系数
腔内光强增大：
增益系数
下降（增益饱和作用）
稳定工作状态
6.4.1 均匀加宽单模激光器
且增益系数不太大时： 腔内平均光强：
为介质长度； 为单程损耗； 激光器单纵模振荡。
——激光束的有效截面面积（设横截面内光强均匀） 若除输出损耗以外的其它往返损耗率为 ， 则总平均单程损耗：
n2
Laser Radiation
Absorption
1E1
n1
n
阈值泵浦功率：
能级阈值粒子数密度
2. 短脉冲
激光器的阈值泵浦功率：
固体（或半导体）激光器发出的一个脉冲，不是一个平滑 的连续脉冲，而是一个衰减尖峰序列。
光泵激励： 反转粒子数密度
受激辐射： 反转粒子数密度
增加 减少
——振荡带宽： 激光器小信号增益系数中大于 阈值增益系数的那部分曲线所 对应的频率范围。
起振模式数：
例 6-1 ：红宝石激光器腔长L=11.25cm，棒长
，折射
率 n=1.75 ，均匀加宽线宽
，激发参数
，求（1）满足阈值条件的振荡带宽；（2）起振纵模数。
6.3.2 均匀加宽激光器的输出模式 1. 模式竞争
2. 激光器的振荡阈值
阈值增益系数：
增益与损耗达到动态平衡，光强饱和，维持 稳定振荡
激光器的阈值反转粒子数密度： 阈值泵浦功率和能量： 3. 激光器的振荡模式 思考：激光器中能够起振的模式数有多少 ？ 1 均匀加宽激光器的纵模竞争
空间烧孔引起多模振荡
2 非均匀加宽激光器中的多纵模振荡
6.4 连续激光器的输出功率
小信号增益系数
阈值增益系数
腔内光强增大：
增益系数
下降（增益饱和作用）
稳定工作状态
6.4.1 均匀加宽单模激光器
且增益系数不太大时： 腔内平均光强：
为介质长度； 为单程损耗； 激光器单纵模振荡。
——激光束的有效截面面积（设横截面内光强均匀） 若除输出损耗以外的其它往返损耗率为 ， 则总平均单程损耗：
n2
Laser Radiation
Absorption
1E1
n1
n
阈值泵浦功率：
能级阈值粒子数密度
2. 短脉冲
激光器的阈值泵浦功率：
第六章激光调制技术
1.5 1.0 0.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0.5
1.0
1.5
1.5 1.0 0.5
0.2
0.4
0.6
0.8
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0.2
0.4
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0.8
1.0
1.2
1.4
0.5
1.0
1.5
1.5 1.0 0.5
0.2
0.4
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1.0
1.2
为什么要用光波作为信息载体？
信息
调制信号
信息
转播速度快
调制
信息容量大
激光
传输
接受
可以用光学系统进行变换,光盘存储
可以在透明介质中传输（光纤、水……）载波
大气、光纤
可以不用介质传输（真空、太空……）
可独立传播，互不干扰。
加载了信号的光波以群速度传播。
§6.1调制的基本概念
m a 为调制深度，即调幅系 数。 m a 1
调制波形为以信号波为上下 对称包络的波形。
1.5 1.5
1.0
0.5
0.2 0.5
1.0
1.5 1.5
1.0
频域分布
e(t) Ac cos(ct c )
ma 2
Ac cos((c
m )t c )
0.5
0.2 0.5 1.0 1.5
§6.2电光调制
(1)折射率椭球(D,n)
对于任意方向入射的光波波矢K，通 过坐标原点O做以K为法线的平面Σ ， Σ 与椭球面相交，交线为一椭圆 ，该椭圆的两个主轴的方向就是两 个相互正交的D1和D2，两个主半轴的 长度对应的折射率是n1和n2。
激光器单元技术
➢ 同步性能， Q 开关应能够精确地控制，与外界信号 保持同步。
调Q激光器构造示意图
二、实现Q开关旳措施
能够使谐振腔损耗发生突变旳元件都能用作Q开关
• 机械调Q技术 转镜调Q技术－－－主动式Q开关 • 电光调Q技术 －－－主动式Q开关 • 声光调Q技术 －－－主动式Q开关 • 染料调Q技术 －－－被动式Q开关
机械调Q技术旳劣势： 较低旳开关转换率，即开关时间过长；
机械调Q技术合用于连续式激光器旳调Q
2.电光调Q技术
利用晶体旳电光效应实现Q旳突变
一般来讲，电光调Q激光器旳Q开关由起偏器和一种电 光晶体构成：
➢电光调Q技术原理
Q开关关状态：
激光器产生旳激光，经过起偏器后，变成线偏振光，若给电 光晶体一合适电压，４分之一波电压，则经反射镜反射回旳 偏振光将垂直偏振器旳偏振方向，无法经过偏振器，此时， 谐振腔旳损耗很大，处于低Q状态，激光器不振荡；
➢声光调Q技术特点
• 有低旳动态损耗和低旳插入损耗; • 能够实现反复连续旳激光脉冲输出； • 同步性能好；开关速度较慢，开关时间在１００ns以上;
4.染料调Q技术原理
• 利用有机材料对光旳吸收系数会伴随光强变化旳特征 来到达调Q旳目旳。
染料调Q技术原理图
➢染料调Q技术旳特点
• 有极高旳动态损耗（>９９％）和插入损耗 ; • 与外界信号无同步特征，属被动调Q；
脉冲调制方式具有较强旳抗干扰能力， 光通信中得到广泛旳应用。
利用电光、声光和磁光等物理效应，经过调 制器来控制和变化激光旳振幅、相位、偏振 态和光强以及传播方向等参量，是激光调制 旳主要措施。激光调制技术在能量和信息光 电子领域有着广泛而主要旳应用。
6.2 电光调制（Electro Optic Modulation） 一、 电光效应(EO Effect)
调Q激光器构造示意图
二、实现Q开关旳措施
能够使谐振腔损耗发生突变旳元件都能用作Q开关
• 机械调Q技术 转镜调Q技术－－－主动式Q开关 • 电光调Q技术 －－－主动式Q开关 • 声光调Q技术 －－－主动式Q开关 • 染料调Q技术 －－－被动式Q开关
机械调Q技术旳劣势： 较低旳开关转换率，即开关时间过长；
机械调Q技术合用于连续式激光器旳调Q
2.电光调Q技术
利用晶体旳电光效应实现Q旳突变
一般来讲，电光调Q激光器旳Q开关由起偏器和一种电 光晶体构成：
➢电光调Q技术原理
Q开关关状态：
激光器产生旳激光，经过起偏器后，变成线偏振光，若给电 光晶体一合适电压，４分之一波电压，则经反射镜反射回旳 偏振光将垂直偏振器旳偏振方向，无法经过偏振器，此时， 谐振腔旳损耗很大，处于低Q状态，激光器不振荡；
➢声光调Q技术特点
• 有低旳动态损耗和低旳插入损耗; • 能够实现反复连续旳激光脉冲输出； • 同步性能好；开关速度较慢，开关时间在１００ns以上;
4.染料调Q技术原理
• 利用有机材料对光旳吸收系数会伴随光强变化旳特征 来到达调Q旳目旳。
染料调Q技术原理图
➢染料调Q技术旳特点
• 有极高旳动态损耗（>９９％）和插入损耗 ; • 与外界信号无同步特征，属被动调Q；
脉冲调制方式具有较强旳抗干扰能力， 光通信中得到广泛旳应用。
利用电光、声光和磁光等物理效应，经过调 制器来控制和变化激光旳振幅、相位、偏振 态和光强以及传播方向等参量，是激光调制 旳主要措施。激光调制技术在能量和信息光 电子领域有着广泛而主要旳应用。
6.2 电光调制（Electro Optic Modulation） 一、 电光效应(EO Effect)
新激光第六章激光器模式选择技术PPT课件
模式匹配实现
实现模式匹配需要对激光器的结构参数进行调整，如改变反射镜的曲率半径、调整激光介 质的折射率分布等。同时，还需要对激光器的工作条件进行优化，如控制泵浦源的功率、 调整冷却水的温度等。
模式稳定性分析
01
模式稳定性定义
模式稳定性是指激光器在长时间运行过程中，输出光束模式的稳定性和
一致性。
02 03
80%
法布里-珀罗标准具
一种具有极高光谱分辨率的光学 滤波器，可用于精确选择特定波 长的纵模。
100%
光纤光栅
利用光纤光栅的波长选择性反射 特性，实现特定波长的纵模选择 。
80%
声光调制器
通过声光效应改变谐振腔内光场 的分布，从而控制特定纵模的增 益或损耗。
03
激光器横模选择技术
横模产生原因及影响
采取隔离措施，如使用隔震平 台、减少外部振动对激光器的 影响，以及降低环境温度波动 等，可以提高激光器的模式稳 定性。
采用自适应控制技术
通过自适应控制技术，如自适 应光学系统或电子控制系统， 可以实时监测并调整激光器的 输出光束模式，以保持其稳定 性和一致性。
05
新型激光器模式选择技术探讨
微纳激光器模式选择技术
纵模影响
多个纵模同时存在会导致激光输 出光谱展宽、功率不稳定、光束 质量下降等问题。
纵模选择方法
被动选择法
利用谐振腔的自然选模特性，通过调 整腔长、反射镜反射率等参数实现纵 模选择。
主动选择法
在谐振腔内引入额外的光学元件或非 线性效应，主动控制特定纵模的增益 或损耗，实现纵模选择。
典型纵模选择器件
量子点模式选择
01
通过控制量子点的尺寸、形状和组成，实现量子点激光器的模
实现模式匹配需要对激光器的结构参数进行调整，如改变反射镜的曲率半径、调整激光介 质的折射率分布等。同时，还需要对激光器的工作条件进行优化，如控制泵浦源的功率、 调整冷却水的温度等。
模式稳定性分析
01
模式稳定性定义
模式稳定性是指激光器在长时间运行过程中，输出光束模式的稳定性和
一致性。
02 03
80%
法布里-珀罗标准具
一种具有极高光谱分辨率的光学 滤波器，可用于精确选择特定波 长的纵模。
100%
光纤光栅
利用光纤光栅的波长选择性反射 特性，实现特定波长的纵模选择 。
80%
声光调制器
通过声光效应改变谐振腔内光场 的分布，从而控制特定纵模的增 益或损耗。
03
激光器横模选择技术
横模产生原因及影响
采取隔离措施，如使用隔震平 台、减少外部振动对激光器的 影响，以及降低环境温度波动 等，可以提高激光器的模式稳 定性。
采用自适应控制技术
通过自适应控制技术，如自适 应光学系统或电子控制系统， 可以实时监测并调整激光器的 输出光束模式，以保持其稳定 性和一致性。
05
新型激光器模式选择技术探讨
微纳激光器模式选择技术
纵模影响
多个纵模同时存在会导致激光输 出光谱展宽、功率不稳定、光束 质量下降等问题。
纵模选择方法
被动选择法
利用谐振腔的自然选模特性，通过调 整腔长、反射镜反射率等参数实现纵 模选择。
主动选择法
在谐振腔内引入额外的光学元件或非 线性效应，主动控制特定纵模的增益 或损耗，实现纵模选择。
典型纵模选择器件
量子点模式选择
01
通过控制量子点的尺寸、形状和组成，实现量子点激光器的模
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第六章激光器单元技术
2、布喇格(Bragg)衍射
当声波频率较高，声光作用长度较大，而且光 束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光在 介质中要穿过多个声波面。故介质具有“体光 栅”的性质。当入射光与声波面夹角满足一定 关系时，介质内各级衍射会相互干涉。在一定 条件下，各高级次衍射光将互相抵消，只出现 零级和+1级(或-l级)(视入射光的方向而定)衍射 光，即产生布喇格衍射。若能合理选择参数， 超声足够强，可使入射光能量几乎全部转移到 十1级或一1级衍射圾值上。因而光束能量可以 得到充分利用，即利用布剂格衍射效应制成的 声光器件可以获得较高的效率。
E c(t)A cco s(ct c)
调制信号:
a(t)Amcos(mt)
调制波：
E ( t) A c ( 1 m a co m t)c so c t s c )(
第六章激光器单元技术
第六章激光器单元技术
频谱分布:
E (t) A cc o s (c tc ) m 2 aA cc o s [(cm )tc ]
m 2a Accos[(cm)tc]
与载波相比 较，调幅波 多了两个边 频分量
第六章激光器单元技术
三、相位调制方式
光载波的相位分量随调制信号的规律变化。 调相波：
调相就是光载波的总相角随着调制信号 的规律而变化的振荡。
第六章激光器单元技术
第六章激光器单元技术
四、强度调制方式
由于起解调作用的光探测接受器一般都 是平均光强直接响应（光频波段光场振 幅变化太快Hz，尚不能直接探测），所 以强度调制是激光调制的主要方式。
脉冲调制方式具有较强的抗干扰能力， 光通信中得到广泛的应用。
第六章激光器单元技术
第六章激光器单元技术
利用电光、声光和磁光等物理效应，通过调 制器来控制和改变激光的振幅、相位、偏振 态和光强以及传播方向等参量，是激光调制 的主要方法。激光调制技术在能量和信息光 电子领域有着广泛而重要的应用。
第六章激光器单元技术
波片，其主轴与电光晶体的感应主轴平行，相当于 引入固定相移。
对于适当大小的电压信号，调制光强与其有线性关系。
第六章激光器单元技术
2.横向的运用
外加电场方向E与入射光波矢垂直正交称为横 向方式，电极在通光方向容易形成均匀电场。
第六章激光器单元技术
3.电光相位调制
电光相位调制器由起偏器和电光晶体组成。起偏器的偏振轴平 行于晶体的感应主轴，此时入射晶体的线偏振光不再分解，而 是沿着一个方向偏振，故外加电场不改变出射光的偏振状态， 仅改变其相位，出射光电场为：
第六章激光器单元技术
1、弹光效应
当晶体材料受外应力的作用产生形变时，分子间的相互作用 力发生改变会导致介质密度的变化，从而引起介电常数(折射 率)的改变，这就是弹光效应的物理起因。
2、声波在介质中的传播
声波是一种弹性波(纵向应力波)，在介质中传播时，它使介质产 生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿波的传播方向振 动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折 射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分介质 如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距(光栅常数)等于声波波 长。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强 度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。
第六章激光器单元技术
光载波的强度（功率）随调制信号的规律变化。
在激光调制的实际过程中，振幅、相位和强度 调制是相互联系的，主要利用光电场振幅分量 的相位差调制导致的偏振态的变化或相干叠加 条件实现光强度调制的效果。
第六章激光器单元技术
五、脉冲调制方式
脉冲调制就是用一种断续的周期性脉冲 序列作为载波，这种载波受到调制信号 的控制，使脉冲的幅度或位置、频率等 随之发生变化。
第六章激光器单元技术
6.3 声光调制
一、声光效应
声光调制的物理基础是声光效应。声光效应是指光 波在介质中传播时，按超声波场衍射或散射的现象。 由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生 弹性应力或应变，这种现象称为弹光效应，介质弹 性形变导致介质的密度产生疏密交替的变化，从而 引起介质折射率的周期变化，并形成折射率光栅。 当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射 光的强度、频率和方向等将随着超声场的变化而变 化。声光调制就是基于这种效应来实现其光调制或 偏转的。
第六章 激光器单元技术
6.1 激光调制技术
一、基本概念
调制:把欲传输的信息加载到激光辐射的过程;,, 频率,; 激光多采用强度调制;
第六章激光器单元技术
调制方式:
激光调制形式
内调制 外调制
直接改变激光输出状态 调制器在激光谐振腔外
第六章激光器单元技术
第六章激光器单元技术ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二. 振幅调制方式
光载波的振幅分量随调制信号的规律而变化,简称调幅. 激光光电场:
第六章激光器单元技术
第六章激光器单元技术
二、声光衍射——声光互作用的两种类型
1、喇曼—纳斯衍射
当超声被频率较低，光波平行于声波面入射(即垂直于 声场传播方向)时，声光互作用长度L较短，产生喇 曼—纳斯衍射。由于声速比光速小得多，故声光介质 可视为一个静止的平面相位光栅。而是声波长比光波 长大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波 面，因此只受到相位调制，于是通过声光介质的平面 被被阵面将出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，由出 射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形 成于入射方向对称分布的多级衍射光，这就是喇曼— 纳斯衍射。
6.2 电光调制（Electro Optic Modulation） 一、 电光效应(EO Effect)
在外界强电场的作用下,某些本来是各向同性的介 质会产生双折射现象,而本来有双折射性质的晶体, 其双折射性质也会发生变化,这就是电光效应. 1.一级电光效应(泡克耳斯效应)
外加电场引起的双折射只与电场的一次方成正比. 常用电光晶体:ADP(磷酸二氢铵)KDP(磷酸二氢钾) 纵向电光效应:外加电场的方向与光的传播方向(光轴Z)一致. 横向电光效应:外加电场的方向(光轴Z)与光的传播方向垂直.
第六章激光器单元技术
2.平方电光效应(克尔效应)
电光液体
2
Kl
U2 h2
l
第六章激光器单元技术
二、纵向与横向电光调制器 1．纵向运用：外加电场方向与入射光波矢
共线平平行称为纵向方式
第六章激光器单元技术
系统的透过率为T:
调制光强与 调制信号的 关系曲线如 图所示
第六章激光器单元技术
线性调制 选取T=50%处为静态工作点，在光路中插入一个1/4
2、布喇格(Bragg)衍射
当声波频率较高，声光作用长度较大，而且光 束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光在 介质中要穿过多个声波面。故介质具有“体光 栅”的性质。当入射光与声波面夹角满足一定 关系时，介质内各级衍射会相互干涉。在一定 条件下，各高级次衍射光将互相抵消，只出现 零级和+1级(或-l级)(视入射光的方向而定)衍射 光，即产生布喇格衍射。若能合理选择参数， 超声足够强，可使入射光能量几乎全部转移到 十1级或一1级衍射圾值上。因而光束能量可以 得到充分利用，即利用布剂格衍射效应制成的 声光器件可以获得较高的效率。
E c(t)A cco s(ct c)
调制信号:
a(t)Amcos(mt)
调制波：
E ( t) A c ( 1 m a co m t)c so c t s c )(
第六章激光器单元技术
第六章激光器单元技术
频谱分布:
E (t) A cc o s (c tc ) m 2 aA cc o s [(cm )tc ]
m 2a Accos[(cm)tc]
与载波相比 较，调幅波 多了两个边 频分量
第六章激光器单元技术
三、相位调制方式
光载波的相位分量随调制信号的规律变化。 调相波：
调相就是光载波的总相角随着调制信号 的规律而变化的振荡。
第六章激光器单元技术
第六章激光器单元技术
四、强度调制方式
由于起解调作用的光探测接受器一般都 是平均光强直接响应（光频波段光场振 幅变化太快Hz，尚不能直接探测），所 以强度调制是激光调制的主要方式。
脉冲调制方式具有较强的抗干扰能力， 光通信中得到广泛的应用。
第六章激光器单元技术
第六章激光器单元技术
利用电光、声光和磁光等物理效应，通过调 制器来控制和改变激光的振幅、相位、偏振 态和光强以及传播方向等参量，是激光调制 的主要方法。激光调制技术在能量和信息光 电子领域有着广泛而重要的应用。
第六章激光器单元技术
波片，其主轴与电光晶体的感应主轴平行，相当于 引入固定相移。
对于适当大小的电压信号，调制光强与其有线性关系。
第六章激光器单元技术
2.横向的运用
外加电场方向E与入射光波矢垂直正交称为横 向方式，电极在通光方向容易形成均匀电场。
第六章激光器单元技术
3.电光相位调制
电光相位调制器由起偏器和电光晶体组成。起偏器的偏振轴平 行于晶体的感应主轴，此时入射晶体的线偏振光不再分解，而 是沿着一个方向偏振，故外加电场不改变出射光的偏振状态， 仅改变其相位，出射光电场为：
第六章激光器单元技术
1、弹光效应
当晶体材料受外应力的作用产生形变时，分子间的相互作用 力发生改变会导致介质密度的变化，从而引起介电常数(折射 率)的改变，这就是弹光效应的物理起因。
2、声波在介质中的传播
声波是一种弹性波(纵向应力波)，在介质中传播时，它使介质产 生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿波的传播方向振 动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折 射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分介质 如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距(光栅常数)等于声波波 长。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。其衍射光的强 度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。
第六章激光器单元技术
光载波的强度（功率）随调制信号的规律变化。
在激光调制的实际过程中，振幅、相位和强度 调制是相互联系的，主要利用光电场振幅分量 的相位差调制导致的偏振态的变化或相干叠加 条件实现光强度调制的效果。
第六章激光器单元技术
五、脉冲调制方式
脉冲调制就是用一种断续的周期性脉冲 序列作为载波，这种载波受到调制信号 的控制，使脉冲的幅度或位置、频率等 随之发生变化。
第六章激光器单元技术
6.3 声光调制
一、声光效应
声光调制的物理基础是声光效应。声光效应是指光 波在介质中传播时，按超声波场衍射或散射的现象。 由于声波是一种弹性波，声波在介质中传播会产生 弹性应力或应变，这种现象称为弹光效应，介质弹 性形变导致介质的密度产生疏密交替的变化，从而 引起介质折射率的周期变化，并形成折射率光栅。 当光波在介质中传播时，就会发生衍射现象，衍射 光的强度、频率和方向等将随着超声场的变化而变 化。声光调制就是基于这种效应来实现其光调制或 偏转的。
第六章 激光器单元技术
6.1 激光调制技术
一、基本概念
调制:把欲传输的信息加载到激光辐射的过程;,, 频率,; 激光多采用强度调制;
第六章激光器单元技术
调制方式:
激光调制形式
内调制 外调制
直接改变激光输出状态 调制器在激光谐振腔外
第六章激光器单元技术
第六章激光器单元技术ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二. 振幅调制方式
光载波的振幅分量随调制信号的规律而变化,简称调幅. 激光光电场:
第六章激光器单元技术
第六章激光器单元技术
二、声光衍射——声光互作用的两种类型
1、喇曼—纳斯衍射
当超声被频率较低，光波平行于声波面入射(即垂直于 声场传播方向)时，声光互作用长度L较短，产生喇 曼—纳斯衍射。由于声速比光速小得多，故声光介质 可视为一个静止的平面相位光栅。而是声波长比光波 长大得多，当光波平行通过介质时，几乎不通过声波 面，因此只受到相位调制，于是通过声光介质的平面 被被阵面将出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，由出 射波阵面上各子波源发出的次波将发生相干作用，形 成于入射方向对称分布的多级衍射光，这就是喇曼— 纳斯衍射。
6.2 电光调制（Electro Optic Modulation） 一、 电光效应(EO Effect)
在外界强电场的作用下,某些本来是各向同性的介 质会产生双折射现象,而本来有双折射性质的晶体, 其双折射性质也会发生变化,这就是电光效应. 1.一级电光效应(泡克耳斯效应)
外加电场引起的双折射只与电场的一次方成正比. 常用电光晶体:ADP(磷酸二氢铵)KDP(磷酸二氢钾) 纵向电光效应:外加电场的方向与光的传播方向(光轴Z)一致. 横向电光效应:外加电场的方向(光轴Z)与光的传播方向垂直.
第六章激光器单元技术
2.平方电光效应(克尔效应)
电光液体
2
Kl
U2 h2
l
第六章激光器单元技术
二、纵向与横向电光调制器 1．纵向运用：外加电场方向与入射光波矢
共线平平行称为纵向方式
第六章激光器单元技术
系统的透过率为T:
调制光强与 调制信号的 关系曲线如 图所示
第六章激光器单元技术
线性调制 选取T=50%处为静态工作点，在光路中插入一个1/4