选纵模方法
短腔法－缩短腔长，增大纵模间隔
q
c 2L
osc
适用于荧光线宽窄的激光器
例：He-Ne D 1.5GHz
g0
osc
l
F
L 0.1m q 1.5GHz 单模
YAG： F 2 1011
L 0.5mm
腔内插入 F-P标准具
激光工作物质
L
d
自由光谱区
j
c
2 d cos
g0
2
2 q 2 q
T
2
q
1 1
R R
2 2
1
T
2q
1
1 1
R R
2 2
R1
0
R 0.99
T 2q 1 2.53105
透过率T
1
R=0.7
0.9
R=0.8
0.8
R=0.9
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1 I
Is
1
1
1
放置吸收管的谐振腔单程损耗 1 1L
输出功率
P
1 2
ATIs
gml '
2
1
P~1曲线上形成反兰姆凹陷
频率稳定性: 10-11~10-12
频率复现性 10-11
632.8nm: 碘同位素蒸汽；3.39mm: 甲烷；1530.3718 nm ：乙炔
F-P标准具稳频
F-P
2 4
2 ,
1 2
R1R2 1 R1R2 1
2 4
q
sin
2
,
2
,
q
2kL
q
2
c
2 L
2
qc
2 L
,
q L 0 2
1 2
c
2 L
2
c
2 L
2
c
2 L
1RR11RR221142
Q
1 2
2 L R1R2 1 4 0 1 R1R2 1 2
L Q 0 Q R Q
圆形平面镜腔 圆形镜共焦腔
• 小孔光阑选横模
小孔
小孔
小孔光阑选模
聚焦光阑选模
基本思路： 减小谐振腔的菲涅耳数，增加衍射损耗 TEM00模和其它高阶模有不同的光斑尺寸
特点：方法简单 不易获得大功率输出
• 非稳腔选横模 适用于高增益激光器选横模 非稳腔的输出光束为球面波或平面波
双凸
平凹
平凸
单程放大率 m1 a1 a1 m2 a2 a2 本征函数 u x xn
Iout I E E* 2 ' ' / 1 2 波阻抗
T2,R2
Iout ITT2 IT 1 R2 I0 IinT1 Iin 1 R1
R1 1 2 , R2 2 2
Ε T
E0 1 Γ1 Γ2e jΔ
Γ1 Γ2e jΔ
2
Γ1 Γ2e jΔ
3
E0
1
2
ni nt
为什么？
工作介质 红宝石 荧光寿命 3ms
钕玻璃 YAG CO2 0.7ms 0.23ms 1ms
He-Ne 染料 20ns ~ns
3. 调Q脉冲能量（E） 腔内脉冲总能量 E’
半导体激光器
光电 接收
稳频系统
T
j
§7.3 Q 调制 一、Q调制激光器工作原理
1. 调Q意义
压窄光脉冲宽度, 使有限的激光能量在极短的时间内
输出以提高脉冲峰值功率
E Pm t
2. 调Q基本思路：
抑制弛豫振荡,使激光在n达到最大时的极短时间内
发生
通过某种方法使腔内损耗按规定的程序变化
3. 调Q基本术语
Delay time
在腔内加入阶跃变化的损耗机制 适当时刻 ? 泵浦 Q开关打开 延迟时间：反转粒子数积累最多
～激光上能级寿命～荧光寿命
二、调Q方法
转镜调Q：反射损耗 慢开关 电光调Q：反射损耗 快开关
声光调Q 衍射损耗 染料调Q 吸收损耗
主动调Q：外加驱动源调节腔内损耗 如电光、声光调Q
被动调Q：由腔内光强调节损耗 如染料调Q
插入FP后 透射宽度 c 1 r
2 d r
l
F-P标准具的设计考虑
j osc
T
q
c 2L
j
1、谐振腔的锐度：品质因数Q和精细度F F-P腔中的平面波为例，两反射镜反射率分别为R1R2
Iin
I0 E0
E1
E2 E3
T1,R1
ET E0 E1 E2 E3 E4
E0-
Es1 12 Ese j
1/2=480 kHz; Q=9.88×108, F=313
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1 2
行波环形腔
激光工作物质
隔离器
抑制空间烧孔效应
组合腔
分布反馈(DFB)半导体激光器
（Distributed Feedback）
p-TYPE n-TYPE
定义：精细度(Finesse)
自由光谱区宽度
F= 半高全宽度
1 2
F-P腔内平面 波传输时
F
1 2
c 2L 1 2
R1R2 1 4 1 R1R2 1 2
R F
结论：精细度与腔长、 波长无 1
R=0.7
0.9
R=0.8
关，由F-P腔端面反射率决定
0.8 0.7
R=0.9
例：L=1m， 0=632.8nm R1=R2=0.99, =c/0=4.74×1014 Hz,
单模氦氖激光器频率稳定性：10-4-10-5 =1010Hz 采取恒温、防震、隔声、稳压、稳流措施：10-7
二、稳频基本原理：－稳定谐振腔光学长度
• 选择标准参考频率
• 获取误差信号
• 驱动电子伺服系统自动调节腔长
三、稳频方法 *兰姆凹陷 *饱和吸收 塞曼吸收 F-P标准具
<0 反相
>0 同相
1 Γ1Γ2e
jΔ
IT I0
1
2
1 R1R2 4 R1R2 sin2 2
Iout IT 1 R2
Iin
1 R1 1 R2
2
1 R1R2 4 R1R2 sin2 2
F-P 腔透过率曲线 (R1 R2 R)
T
I out Iin
1
R2
1 R2
4R sin2
理想阶跃开关；忽略泵浦及自发辐射引起的n的变化
dN dt
21vNn
N
R
nt
1
21v R
dN dt
N
R
n nt
1
dn dt
2 21vNn
2n2 A21
2n1W13
dn dt
2
n nt
N
R
两式相除 dN 1 nt 1 积分 dn 2 n
N
Ni
dN
1 2
n
ni
nt n
1dn
Ni－ t=0 时光子数密度 ni－t=0 时反转粒子数密度
• 锁模方法
主动锁模：振幅调制、相位调制 被动锁模：染料锁模
7.1 模式选择
选模意义：
基横模（TEM00）～发散角小～空间相干性 单纵模 ～单色性好～时间相干性
1. 横模选择
横模选择的物理基础： 不同横模有不同的衍射损耗
横模选择原则
exp g000l r1r2 1 00 1 exp g100l r1r2 1 10 1
N
m
vST
Pm
1 2
Nmh
vST
其中
Nm
1 2
nt
ni nt
ln
ni nt
1
结论：Pm
ni nt
－开关比;
如何使
ni 大
nt
ni Q开关“关死” nt Q开关插入损耗小
（1）
H
ni nt
Pm
H为t 0 时的单程损耗， 为t 0 (Q开关打开时刻）单程损耗
（2）
PP
ni nt
（3） 相同泵浦功率下
• 慢开关 • 快开关
开关时间 > 脉冲建立时间 如转镜调Q 开关时间 < 脉冲建立时间
反射镜
工作物质
转镜
• 电光调Q
激光工作物质
d
2d c
y x
2 03 63 Ed 2 03 63V
c
c
V V
d
V 0
d
Q开关关闭 Q开关打开
n积累 振荡形成巨脉冲
思考：是否可以只用一个偏振控制器，V=? Q开关关闭？
2nL’/c 几十ns 2L’/c 几ns
• 泵浦激励时，V＝0 谐振腔处于低Q状态，积累n • V=V 两全反镜构成高Q腔，光子能量储存在腔内，不能输出 • V＝0 腔内光脉冲从格兰棱镜2 输出
三、调Q激光器的基本理论
用速率方程方法讨论调Q脉冲形成，研究Q突变过
程中n和N的变化规律，脉冲峰值功率(Pm)及脉冲宽度 (t)与n的关联性
速率方程 增益饱和
激光器 工作特性
谐振腔 理论
高斯光束
振荡阈值
振荡模式
选模
输出功率 输出线宽 弛豫振荡
调Q/锁模 /放大
稳频
LD直接调制/ 增益开关DFB,调Q/锁模