激光器控制原理图

目前调Q技术能够实现峰值功率在兆 瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s) 旳激光脉冲。
Wp
Q
max min
ni nt n f max min
(a)
t (b)
t (c)
t (d ) t p t
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 调Q光纤激光器
R=100% A O M
Pump Systerm
Output Yb-DC fiber Coupler
透镜组端面泵浦耦合
优点：构造简朴、易于实现 缺陷：耦合占用了端面，无法 同其他光纤级联，降低了灵活 性；透镜组与光纤是分立旳， 稳定性低不易集成
优点：构造简朴紧凑、实现了 激光器旳全光纤化 缺陷：尾纤与光纤尺寸不同， 熔接对准困难，附加损耗大
端面直接熔接耦合
两种措施都只有两个端面用于 泵浦，限制了最大功率。
其他腔型构造
光纤圈反射器（光纤环形镜）包 括一种定向耦合器和由该耦合器 两输出端口连接在一起形成旳一 种光纤圈。 工作原理：耦合器耦合系数为0.5， 光波从端口1进入耦合器，耦合器 将二分之一旳功率耦合到端口3， 另二分之一耦合到端口4，即在光 纤圈顺时针方向和逆时针方向传 播旳输入光各二分之一。跨过耦 合器旳光波比直通旳光波相位滞 后π/2。在端口2处旳透射功率是任 意相位φ旳顺时针场和相位为φ-π 旳逆时针场旳叠加，恰好相互抵 消，透射输出为零，全部输入光 沿端口1返回。
光
纤
芯 光
泵
纤
浦 光
保 护
芯
保
激
激 光 内输包层 出
护 层
泵 浦
外
光包
层
光 输 出
层
单包层与双包层掺杂光纤旳构造
光纤芯：由掺稀土元素旳SiO2构成，它作为激光振荡旳通道，对 有关波长为单模；

或
单色型最好的普通光源氪同位素86， / 106
氦氖激光器， / 1010 ~ 1013
5
3. 相干性好 相干条件：振动方向相同、频率相同、相位差恒定。
激光：相干光
普通光源：非相干光
普通光源是发光中心的自发辐射过程，不同发光中心发出 的波列，或同一发光中心在不同时刻发出的波列相位都是随 机的。
S
(
)2
—光束平面发散角
对于普通光源，只有当光束发散角小于某一限度，光束才
具有明显的空间相干性。
对于激光来说，所有属于同一个横模模式的光子都是空间 相干的，不属于同一个横模模式的光子则是不相干的。
空间相干性的演示
9
4. 高亮度
亮度：光源的明亮程度，主观量
光源在单位面积、单位频带宽度、单位立体角内发射的光功率
14
5. 激光在国防科技领域的应用 激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本上
可以分为三个主要部分：追踪、寻的系统（即正确判定攻击 目标的位置和性质的系统）；发射实施摧毁性打击的高能激 光系统；辅助的控制和通信系统。
激光摧毁导弹
15
激光制导
激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武器， 是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之后又一 个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外科手术式 杀伤的高效作战方式。以及特别适合于反卫星和破坏敌方信 息系统，使其成为新一代主战兵器。
16
6. 激光在科学技术前沿问题中的应用 ➢ 光谱分析是研究物质结构的重要手段，激光技术与经典光 谱学相结合形成的激光光谱学，具有频率、空间和时间上的 高分辩率，可以进一步揭示物质的微观结构。 ➢ 激光诱导的惯性约束核聚变是产生可控核聚变的一种途径。 ➢ 激光束照亮了超微世界，它呈现的超快或超窄脉冲（时间 域）帮助人们了解微观世界中的原子、分子结构。 ➢ 激光可以作为光学镊子应用于分子生物学领域中对微生物、 染色体、细胞等微粒的操作。 ➢ 激光化学也是激光的重要应用领域。

对于均匀增宽型介质来说，在光强I的作用下，介质的光谱线型不变、线宽不 变、增益系数随频率的分布也不变，它仅仅使增益系数在整个线宽范围内下降 的 数 (1 + I I s )
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其
µ
ν 0 为介质
的
频率，
ν为
的光
频率
2. 增益饱和
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3. 对饱和增益分三种情况讨论
第 二 章 连 续 激 光 器 的 原 理
§ 2 3 增 益 系 数 与 增 益 饱 和 .
（一）介质对频率为ν 0 、光强为I的光波的增益系数
G 0 (ν 0 ) G 0 (ν 0 ) 介质对此光波的增益系数为： (ν 0 ) = G = I f (ν 0 ) I 1+ 1+ Is I s f (ν 0 )
I ∆ν Is 2
时，介质对光波的增益作用 光波对介质 的增益饱和作用 很 。 介 质对光波的增益作用 光波对介质的增益 饱和作用 对频率
ν 0 − 1+
I ∆ν I ∆ν <ν <ν 0 + 1+ Is 2 Is 2
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（三）在频率为 ν 0、光强为I的强光作用下的增益介质对另一小讯号 i (ν )的增益系数
律。如图（2.5.2）所示。 2. 增宽型介质有： ∆ν 2π 2 f (ν ) = ⇒ f (ν 0 ) = (ν − ν 0 ) 2 + (∆ν 2) 2 π∆ν
G 0 (ν )
G 0 (ν 0 )
f (ν )hν
2 3 增 益 系 数 与 增 益 饱 上式 和 如
G 0 (ν )

钕玻璃中Nd3+的吸收谱：
三、Nd:YVO4激光器
——掺钕钒酸钇激光器 优点：受激发射截面大，是Nd:YAG的5倍 在 λ = 809nm 存在很强的吸收带，更适用激光管泵浦，YVO4 是双折射 晶体，激光输出 π 方向偏振光，可避免多余的热致双折射
四、Nd:YLF激光器
• Nd:YLF（Nd:Li YF）发射 1053nm波长激光，与掺Nd的 磷酸玻璃的峰值增益相匹配， 适用于制作激光放大器 Nd:YLF的荧光寿命是Nd:YAG 的2倍，适合于激光二极管抽 运，由于荧光寿命长，Nd:YLF 提供的储能是Nd:YAG的两倍 Nd:YLF能级及其跃迁图 发射1053nm和1047nm。可用 腔内起偏器选择
Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线
Lexel Argon Laser
§9.2.3 二氧化碳激光器
一、 CO2激光器的特点
• • • • • • • 属于气体激光器，分子激光器 波长 9－11um，最常见10.6um 效率高 光束质量好 功率范围大（几瓦～几万瓦） 运行方式多样 结构多样
（a）同轴泵浦 （b）傍轴泵浦
• 钛宝石激光器的应用——双端差分吸收激光雷达
§9.2 气体激光器
主要气体：He-Ne、CO2、Ar+、Kr、He-Cd、N2等 优点：气体光学均匀性好 光束质量好：单色性高，相干性好，光束稳定性好 功率大：如CO2激光10.6um可达Kw以上 寿命长 激励方式： 导电激励为主 气体放电激励： 热激励 化学激励
三、抽运方式 1、气体放电灯（闪光灯）激励——光泵
常用氙灯、氪灯
泵浦光源应该满足两个基本条件：
(1)、闪光灯光泵应与激光物质吸收谱重合
高压氙灯的发射光谱

2．半导体激光二极管激励 用波长与激光工作物质吸收波长相匹配的激光作激励光源将大大提高激光器效率。
Nd：YAG宽约30nm的810nm泵浦吸收带中含合多条吸收谱线，809nm的半导体激光二极管输出光泵 浦可以准确地对准此吸收带中带宽约2nm的809nm吸收谱线。半导体激光二极管激励的固体激光器的总 效率为7％—20％。
CO2激光器的谐振腔大多采用平凹腔，由于其增益高．也可采用非稳腔以增加其模体积。
高反射镜可用金属制成，也可在玻璃表面镀以金膜，输出端可采用小孔耦合方式或由可透 过红外光的Ge、GaAs等材料制成输出窗。
1、纵向慢流CO2激光器 气体从放电管一端流入，另一端抽走，气流、电流和光轴方向一致。气流目的是排除CO2与电子碰
一、光泵激励 光激励又可分为气体放电灯激励和半导体激光器激励两种方式。 1、气体放电灯激励
以气体放电灯为激励光源是广为采用的激励方式，脉冲激光器采用脉冲氖灯，连续激光器 采用氖灯或碘钨灯。
气体放电灯激励的能量转换环节多，其辐射光谱很宽、只有一部分能量分布在激光工作物质的有效 吸收带内，通常L约为15％，激光器的效率较低，常用的Nd：YAG激光器的效率约为1％—3％
有小型化、全固态、长寿命及热效应小等优点。单个半导体激光器功率已越过1w，半导体激光器列阵 功率达数百瓦。
工作物质的泵浦吸收谱线和已有大功率半导体激光器发射波长匹配是构成半导体激光器泵浦的固 体激光器的必要条件。适于构成此类激光器的固体工作物质有Nd：YAG，Nd：YVO4，Nd：YLF， Tm、Ho：YAG。为了使波长准确匹配，对半导体激光器的温度加以控制。
钕玻璃的荧光寿命长，易于积累高能级粒子。容易制成光学均匀性优良的大尺寸材料，可用 于大能量大功率激光器。
输出能量已达上万焦耳。荧光线宽较宽，适于制成锁模器件，钕玻璃锁模激光器可产生脉 宽小于1ps的超短光脉冲。钕玻璃的热导率低，振荡阈值又较高，因此不宜用于连续和高重 复率运转。

4.2 激光器的稳频
1
• 激光的特点之一是单色性好,即其线宽Δν与频率 ν的比值Δν/ν很小。但由于各种不稳定因素的 影响,实际激光频率的漂移远远大于线宽极限。在 精密干涉测量、光频标、光通信、激光陀螺及精 密光谱研究等应用领域中,要求激光器所发出的激 光有较高的频率稳定性. • 频率漂移——激光器通过选模获得单频率振荡后, 由于内部和外界条件的变化,谐振频率仍然在整个 线型宽度内移动的现象。 • 稳频目的：使频率本身稳定，即不随时间、地点 变化。
例如，相应外界因素的 影响，激光器的振荡中 心频率分别处在 vA、v0、 vB处，由于相应 vA处的 功率调谐曲线的斜率是 负值，所得到的输出功 率的变化与调制信号同 频、反相；
12
假如由于某种原因(例如温度升高)使L伸长，引起 ν0 ， ν与 激光频率由 偏至 的位相正好相反 ν P A
假如由于某种原因(例如温度降低)使L缩短，引起激光 频率由 ν偏至 ， νB 与 ν P 的位相正好相同 0
3
2.2.1影响频率稳定的因素
• 由激光原理知道，激光器的工作频率为 ν q c • 相应频率的变化，可以表示为
ν L ( ) ν L
2L
• 显然，各种能使腔长L、折射率n发生变化的 因素，都将引起工作频率的不稳定。
4
1．引起腔长变化的主要因素是：
• 温度将通过支持反射镜的支架材料的热膨胀，使腔长变化，
影响长期稳定度； • 外界的机械振动会引起谐振腔支架的振动，导致腔长变化， 引起频率不稳定。
例如，一个腔长 L＝150mm的 He-Ne 激光器，振动引起的腔长变 化 ΔL ＝1μm时，将使稳定度为6.6×10-6。若要达到1×l0-8的稳定度，
必须保证ΔL＜1.5nm(原子的线度是0.1nm)；

零点几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号” 的正弦调制信号， 零点几伏)的交流讯号，称为“搜索讯号”]的正弦调制信号，一路加到压电 陶瓷环上对腔长进行调制，使腔长产生频率为f 振幅为∆ 的调制 的调制、 陶瓷环上对腔长进行调制，使腔长产生频率为 、振幅为∆L的调制、相应的 和激光输出功率P 幅度为∆ 的调制 的调制； 产生激光振荡频率 v 的变量 ∆v 和激光输出功率 幅度为∆P的调制；另一路 加到相敏整流器上做为参考信号。 加到相敏整流器上做为参考信号。 选频放大器——对输入的波形信号进行选颇放大。它有自己的中心频率， ——对输入的波形信号进行选颇放大 2、选频放大器——对输入的波形信号进行选颇放大。它有自己的中心频率， 只对频率为f 的信号进行放大并输入到相敏整流器上 到相敏整流器上。 只对频率为 的信号进行放大并输入到相敏整流器上。 相敏整流器——对选颇放大后的信号电压与振荡器发出的正弦参考信号电压 对选颇放大后的信号电压与振荡器发出的正弦参考信号电压 3、相敏整流器 对选颇放大后的信号电压与 进行相位比较，如果相位相同，则输出负直流电压，如果相位相反， 进行相位比较，如果相位相同，则输出负直流电压，如果相位相反，则输出正直 流电压， 流电压，
图4-12 饱和吸收法稳频的装置示意图
率比较稳定。 率比较稳定。所以在吸收线中心处形成一 个位置稳定且宽度很窄的凹陷， 个位置稳定且宽度很窄的凹陷，以此作为 稳频的参考点， 稳频的参考点，可使其频率稳定性和复现 性精度得到很大的提高。 性精度得到很大的提高。
R=
δν
ν
目前, 稳定度已达到 已达到10 复现性在 目前 稳定度已达到10-9～10-13而复现性在10-7～10-12. 实际应用中,要求稳定度和复现性都能在10 以上. 实际应用中 要求稳定度和复现性都能在10-8以上. 要求稳定度 都能在

.
激光管的阻抗匹配
方法X：在激光管上串联电阻，得到预期的阻抗；
电阻
通常这个电阻集成在TO的封装内部，不过 现在的好像看到越来越多的供应商根本就不 使用这个电阻，任由低阻抗的激光管直接连 接到传输线上，具体的理由还不清楚； 包括在我们的设计中，实际上都没有考虑这 个问题了；
.
克服引线的电感
通常，在激光管的接口电路中，还增加RC匹配电路来补偿管脚和引线上的分 布电感；改善眼图的形状；
.
自动功率控制电路：连续模式SINGLE LOOP APC电路原理I
RC电路充当一个低通滤波器，用来测量平均的光功率或者背光电流； 由于APC环路只关心光功率的平均值，为了减少长0和长1对光功率的影 响，需要APC环路的带宽尽量的小； PHYWORKS 107X芯片有两个可选的带宽，分别为5KHZ/15KHZ；
.
自动功率控制电路：连续模式SINGLE LOOP APC电路原理II
在温度不变、发光效率不变的情况下，如果激光管的阈值发生变化， APC环路可以保持发射光功率不变；
.
自动功率控制电路：SINGLE LOOP APC电路问 题
如果激光管仅仅阈值电流和温度、时间有关系，发光效率保持永远一致， 单环路的APC电路会工作的非常可靠； 但是，实际上发光效率也随时间和温度发生明显的变化；
.
驱动器和激光管的连接
.
驱动器和激光管的连接
在实际应用中，驱动器电路和 激光管需要通过PCB上的铜线 互联，信号还可能需要穿过激 光管的引脚，这些互联线，在 高速情况下，都会对信号的质 量产生影响；
.
驱动器和激光管的连接
互联线的阻抗不一致，就会导致 信号出现反射；
流体、或者波的传播中，我们都 可以看到这种反射的现象；是一 种普遍的现象；

图21.1. -73 Q开关激光脉冲建立过程
在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很 高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻， 粒子数反转达到最大值△ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下 降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ni >>△nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质 存储的能量在极短的时间
设三个振动频率分别为ν1 、 ν2 、 ν3 的三个光波沿同一方向传播，
且有关系式： ν3=3ν1，
ν2= 2ν1 , E1 = E 2 =E3 = E0
若相位未锁定，则此三个不
E(t)
v3=3v1, v2=2v1， 初相位无 规 律
E0
-E0
I(t)
v2 v3
v1
同频率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此无关，如左图， 由于破坏性的干涉叠加，所
可以推得总光强：
N 2
E
2 m
该式说明了平均光强是各个纵模光强之和,每
个脉冲的宽度 约为：
1
q
假如各个模的振幅及相位都固定，也可推得输出脉冲的峰值功率
正比于
N
2
E
2 0
，因此，由于锁模，峰值功率增大了N倍。
每个脉冲的宽度
窄的锁模脉冲。
1 1 , 可见增益线宽愈宽，愈可能得到
N q
二、锁模的基本原理 先看三个不同频率光波的叠加：Ei = E0cos(2π νi t+ i ) i=1,2,3
21世纪的激光技术与产业的发展将支撑并推进高速宽带海量的光通信以及网络通信并将引发一场照明技术革命小巧可靠寿命长节能半导体led发光将主导市场此外将推出品种繁多的光电子消费类产品如vcddvd数码相机新型彩电掌上电脑电子产品智能手机手持音响播放设备摄影投影和成像办公自动化光电设备如激光打印传真和复印等以及新型的信息显示技术产品如crtlcd及pdpfedoel平板显示器等并进入人们的日常生活中

2 速 率 方
程
§.
n0
n 1
n0 I f (ν)
1 I [(ν
Is ν0
)2
(ν
2)2 ]n0
Is f (ν0) (ν ν0)2 (1 I Is )(ν 2)2
ν ν0 ν ν0
2.当腔内光强一定时，粒子数密度反转分布值n随腔内光波频率而变，图(2-6)给
出了I一定时n随ν 变化的曲线。
§.
光 E3为抽运高能级。其主要特征是激光的下能级为基态，发光过程中下能级的粒
器 2 子数一直保存有相当的数量。
的 工 作 原 理
2 速 率 方
3. 四能级系统：如图(2-4b)，下能级E1不是基态能级，而是一个激发态能级，在 常温下基本上是空的。其激励能量要比三能级系统小得多，产生激光要比三能级 系统容易得多。
激
粒子抽运到E1、E2能级上的速率；则E2能级在单位时间内增加的粒子数密度为：
§.
光 器2
dn2 dt
R2
n2 A2
(n2B21 n1B12)f
(ν)
的 工 作 原 理
2 速 率 方
同理，单位时间内E1能级上增加的粒子数密度为 ：
dn1 dt
R1
n2 A21
(n2B21
n1B12)f
(ν) n1A1
n0
12B21f (ν)
可得：n0
R2 2
(R1 R2 )1
激 光
器2
的 工 作 原 理
2 速 率 方
程
组
与
粒
子
数
反
转
分
布
§.
它是当分母中的第二项为零时的粒子数密度反转分布值。而分母中的第二项一 定是个正值，因此它又是粒子数密度反转分布值可能达到的最大值。显然只有 在谐振腔中传播的单色光能密度可能趋近于零，换句话说，参数 n0对应着谐 振腔的单色光能密度为零或者近似为零时的粒子数密度反转分布的大小。

激光工作方式：多数以四能级方式工作 激光输出特性： 单色性、方向性优于其它激光器；
频率稳定，易获得连续的激光输出。
激光器装置：激光管（放电管），电极，光谐振腔 光谐振腔：内腔式，外腔式
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
19
8.2.2 He-Ne激光器 1.基本结构
2022/11/19
侧面激励： 采用大功率半导体激光器列阵作泵浦光源，
激光输出功率大
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
10
8.1.2 红宝石激光器
1. 发光机理 (1)激光工作物质
基质： Al2O3 晶体 掺杂： Cr2O3
（质量比约为0.05 ％）
(2)激光的产生
激光波 长：
694.3nm
4 A2 泵浦
输出功率大，体积小，效率高，适合实现调Q、锁模等技术
8.1.1 固体激光器的基本结构和抽运方式
1. 闪光灯泵浦
脉冲激光器：脉冲氙灯 连续激光器：氪灯，碘钨灯
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
9
2. 半导体激光二极管泵浦 端面激励： 装置简单，泵浦光束与谐振腔模匹配良好，
阈值功率低，斜效率高
染料分子的能级图
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
32
§8.4 新型激光器
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
33
8.4.1 准分子激光器
准分子： Excimer 一种在激发态能够暂时结合成不稳定分子，而 在基态又迅速离解成原子的缔合物，因而也称 “受激准分子”。
准分子的能级结构
脉冲输出能量达百焦耳量级，脉冲峰值功率达

由四边形ABCD知 T+2 α+(180- Φ)=360
由四边形ABCO知 β+T=1800
上两式联立得: α= (Φ + β)/2,所以 (由折射定律，见上面公式）
nsin 2()/sin 2
2arcnssiin 2n ) (
式中,α为入射角,n为析射率；β为棱镜的顶角；Φ为偏向
角。定义棱镜的角色散率为
4.1.1 激光单纵模的选取
1. 均匀增宽型谱线的纵模竞争
(1) 当强度很大的光通过均匀增益型介质时粒子数反转分布值下降，增 益系数相应下降，但光谱的线型并不改变。
(2) 多纵模的情况下，如图4-1所示，设有q-1，q，q+1三个纵模满足振 荡条件。随着腔内光强逐步增强，q-1和q+1模都被抑制掉，只有q模的 光强继续增长，最后变为曲线3的情形。
d (sa 1 i n sia 2 n ) m式求出： d (0coa2sd2a)md D d2a m sia n1sia n2
d dcoa2s coa2s 通常光栅工作在自准直状态下，即α1= α2= α (α为光栅的闪耀角，即光栅平面 的法线Ｎ0 与每条缝的平面的法线N2之间的夹角，对小斜面而言是正入射），
环形行波腔激光器示意图
4.1.2 激光单横模的选取 1. 衍射损耗和菲涅耳数 (1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。 (2)如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的基横 模高斯光束光强分布可以表示为
0 I()2 d I00 ex 2 p 1 2 2)d (2 2 I0 1 2
Δν=c/[2(l1-l2)]
1i 2 j
Δν=c/[2(l1-l2)] 适当选择l1及l2，可以使复合腔的频率间隔足够大，即两 相邻纵模间隔足够大，与增益线宽相比拟时，即可实现 单纵模运转。