损耗低高 输不出能巨振脉荡冲
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
调制电压
输
全
出 镜
聚光腔 YAG 晶体棒
偏振片
电光 晶体
反 镜
……
脉冲氙灯 激光电源
调Ｑ模块
加压式调Ｑ示意图
超短脉冲产生条件（一）--锁模技术
纵模间隔的角频差为
锁模使各相邻模的初相位 差相同，即
N个纵模迭加后的总光场为
锁模光场的特性
(1) 锁模后激光的光强
腔内振荡的纵模数越多（腔长越长、荧光线宽越宽）， 则锁模脉冲的峰值功率越高。
电子科学与技术学科前沿课程 -光电子领域
司金海
光电子学
一、激光原理与技术 u 高斯光束和光学谐振腔 u 光与物质相互作用--光放大原理 u 激光振荡原理及辐射特性 u 实现脉冲激光振荡的调Q与锁模技术 u 若干典型激光器 u 飞秒激光及其应用
二、非线性光学 u 非线性光学材料 u 非线性光学波动方程 u 二阶非线性效应 u 三阶非线性效应
激光器的组成
1. 激光工作物质 2. 泵浦源 3. 谐振腔
100%
R
I0
工作物质
I’ l
激光器中谐振腔的作用
1、提供光学正反馈： 在腔内共振频率处建立高的场强，
维持自激振荡。
2、频率滤波： 有效地控制腔内实际振荡的模式数目，使大量光子集结在少数几个
状态中，提高光子简并度，获得单色性好的相干光。
3、控制激光束（高斯光束）的空间特性： 调节腔的几何参数可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑尺寸、
谐振频率、光束发散角等。
增益介质 增益系数：
激光工作物质
阈值反转粒子数密度：
四能级系统激光的跃迁过程
受激辐射放大条件： N 0 （粒子数反转） 激光器产生激光振荡的条件：N Nt （增益大于损耗）
激光器（谐振腔+增益介质）
激光器输出激光的波长
实现单纵模运转的方法
方法之一：采用短的谐振腔，使
增加，
一、激光与飞秒激光技术 二、非线性光学与超快光子技术 三、光通信与传感技术
第一台激光器
1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器
第一台红宝石激光器的拆卸图 方向性好：发散角小（10-3rad）；空间立体角小（π×10-6 ） 单色性好：7.5 ×103 Hz, 是单色性最好的氪灯的10-5倍 相干性好：时间和空间相干性 亮度高：单一模式光子数（同频率、同位相、同方向、同偏振）
TR
大损耗
声光调制（AOM）
无损耗
周期性地调节超声波的功 率，调制激光的衍射损耗
调Q与锁模的区别
调Q：调制周期 TM>>TR，重复率1-10 kHz。脉冲宽度由Q 开关速度决定，产生高能量的ns脉冲。对光强的调制幅度 大（开---关）。
锁模：调制周期 TM=TR ， 重复率=1/TR~100MHz。脉冲宽 度小于调制信号的宽度，产生 ps, fs量级的高功率脉冲 。 对光强的调制幅度较小（高---低）。
2019/5/16
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知识点---光纤通信与传感
通信的主要要素？
信息 调制 载波
传输媒介
解调 接收
2009年度诺贝尔物理学奖“光纤之父”？主要贡献？ 当前光纤通信三个低损耗“窗口”？ 光纤通信的优点？
光纤传感系统主要组成？ 光纤传感主要优点？ 光纤光栅（FBG）传感原理？
2019/5/16
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光电子领域专题
在阈值增益宽度内只有一个纵模达到阈值，单纵模运转。 （短腔长法、色散腔法、标准具法）
当抽运功率低于阈值时，辐射功率分布在 p （
）个无规跃迁
模式中。当抽运功率增加到高于阈值时，辐射集中到一个模式中（假定
均匀加宽）。
激光器举例：氦-氖（He-Ne）激光器
激光介质：在激光管内填充1.0毫米汞高的He原子和0.1毫米汞高的Ne原子混 合气体。 输出波长：0.6328微米。 泵浦方式：通过在1.0毫米汞高的He和0.1毫米汞高的Ne的气体放电。
主要技术原理？ u 1999年诺贝尔化学奖相关的使用飞秒激光超快光谱技术首次
实验观测到分子光解离过程中原子（或自由基）的运动。
2019/5/16
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知识点---非线性光学
u 1961年P.A. Franken首次观测到非线性光学效应：在石英 晶体上观测到二次谐波（简要描述其产生过程）；
u 提高二次谐波转换效率最重要的三个因素？ u 如何实现二次谐波位相匹配？位相匹配的物理实质？ u 几种典型的二阶和三阶非线性光学效应？ u 二阶和三阶非线性光学材料的主要区别？ u 飞秒超快光克尔门主要原理和用途？
(2) 锁模脉冲的宽度
超短脉冲产生条件（二）--增益介质光谱线宽
锁模脉冲的宽度 长脉冲 短脉冲
可见，锁模脉冲宽度近似与增益线宽成反比。
锁模的方式
（一）被动锁模----克尔透镜（钛宝石飞秒激光（Ti3+:Al2O3） ）
克尔透镜效应： 等效于一快速可饱和吸收体
（二）主动锁模-----声光调制（AOM）
4. 2000-2003 高次谐波软X射线技术又把人们引进到阿秒的领 域
脉冲激光产生的调Q与锁模技术
调Q 技术 锁模技术 调Q 技术:
脉冲宽度
ns ps 或 fs
峰值功率
MW GW TW
EOM
Vp 0
利用电光效应改变光束的偏振， 控制谐振腔的损耗。
备注
电光调Q 声光调制
激光器的调Q技术
λ4 波片使激光器处于关门状态，当在晶体上施加 λ4 电压后，电光晶体抵消 λ4 波片的作用，接通光路，产生短 脉冲激光输出。
光电子学
三、光调制技术 u 电光调制 u 声光调制
四、光在介质波导中的传输 u 光波导和光纤 u 光通信 u 光传感
五、光电测量与光电显示技术 u 光电二极管与光电倍增管 u 光电显示技术
知识点---激光
u 1960年Ted Maiman发明了第一台激光器：红宝石激光器。 u 激光器由那几部分组成？其主要作用？ u 四能级模型激光产生过程中的电子跃迁过程？ u 受激辐射放大条件？产生激光振荡条件？ u 超短脉冲产生的基本条件？ u 超短脉冲（飞秒）激光器的主要组成部分？ u 2018年诺贝尔物理学奖相关的“啁啾脉冲放大(CPA)技术”
激光上、下能级： 粒子数反转条件：
超短脉冲激光器
超短脉冲发展的四个阶段
1. 1960-1980 被动-主动锁模固体激光器的出现，产生皮秒级的 光脉冲
2. 1982-1990 对碰脉冲锁模的概念引进染料激光器，使皮秒脉 冲被压缩至飞秒量级
3. 1991-2000 克尔透镜自锁模和啁啾脉冲压缩新概念，又使脉 冲压缩至亚10飞秒范围