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
如果在应用中，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
16
色散腔粗选波长
棱镜色散腔

短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
激光单元技术
对激光束实行人为控制的技术称之为激光单元技术

激光选模技术


激光Q开光技术
激光锁模技术
2
1、激光选模技术

激光模式选择及其意义：
激光的优点在于功率高、方向性好、单色性 和相干性好，一个理想的激光器输出光应按 需要控制输出模式，很多情况下我们希望只
输出单一的横模和纵模。因此产生了以控制
t
I
t
28
通过锁模得到超短脉冲
29
30
被动锁模原理

在谐振腔内放入吸收介质，由于饱和吸收效应，介质 只吸收强度低的光，而强度高的光透过吸收介质形成 振荡逐步被放大
工作物质
染料
t
t
t
t
t
t
31
主动锁模原理

在激光谐振腔内加入一 个调制器
域值

对谐振腔内部损耗进行 调制 令调制频率等于C/2L
紫外滤光片
反射镜
光输出波长吻合
YAG
染料
染料应有适当的饱
和光强值
染料配成溶液后应
有较长 的保存期

染料盒
反射镜
影响染料调Q输出 特性的因素
染料浓度的影响
输入能量的影响 染料盒的影响
YAG
染料
谐振腔输出镜反射
率的影响
24
Output intensity
Cavity Loss
0% Time
The pulse length is limited by how fast we can switch and the round-trip time of the laser and yields pulses 10 - 100 ns long.
25
Cavity Gain
100%
3、激光锁模技术
弛豫振荡现象: 是由于腔内泵浦造成的粒子反转数的增加和激光振
荡造成的粒子反转数减少，交替占有优势造成的。
如果在泵浦开始时阻止激光振荡，在上能级积累了大量粒子时，
突然建立激光振荡，在一个很短的时间内将泵浦到上能级的粒子 充分利用，就可能获得一个峰值功率非常高的巨脉冲输出
I
激光 荧光 t
20
激光器Q值的定义
激光介质

短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
腔镜1
双标准具组
腔镜2

两标准具的厚度 不同 纵模间隔不同 振荡模式必须同 时符合三个谐振 腔的参数要求从 而达到选模目的
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色散腔粗选波长


短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
在光腔内插入一个色散分光元件，使不同波长 的光在空间上分离，只让其中一种波长的光满 足振荡条件，这样的光腔称为色散腔。在下列 情况用色散腔

介稳腔和非稳腔由于模式衍射损耗增加，高阶模起振比 较困难，所以只要适当控制腔参数就可以实现基模输出。 非稳腔还有模体积大，可以充分利用增益介质实现大功 率输出的优点。
g2

非稳区
1 -1
0
非稳区

L g 1 R
L为腔长 R为球面镜 曲率半径

1 -1
g1
非稳区
非稳区
8
3）特殊腔镜选模

高斯镜选模
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声光调Q

优点：重复频率高，性能稳定可靠。
声光调Q器件

利用声光介质中超声场产生衍射使损耗增加,不能形成激光振 荡。当粒子反转数积累达到饱和时，突然撤掉超声场，激光振 荡迅速建立，获得巨脉冲输出 声光调制器通常包括：
换能器 声光介质

23
染料调Q激光器及其特性

染料要求
染料吸收峰应与激
相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例
5
1）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，增 加了衍射损耗。适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。

小孔光阑方法最简单易行，且有效。但同时须考虑模体 积问题。
腔镜1
小孔光栏
腔镜2
6
小孔光阑选横模腔型举例
7
2）介稳腔和非稳腔选模

增益
损耗

实际振荡的纵模
10
纵模选择技术

短腔法选纵模 F-P标准具法


色散腔法粗选波长
行波腔选纵模
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短腔法选纵模


短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
谐振腔模间隔=c/2L 如果设计腔长L使模间 隔 >= 增益曲线宽度, 即： >= g 则可以实现单纵模工作
2L
凹面反射镜 染料
泵浦激光
输出镜
FP标准具
准直镜
泵浦光源为锁模激光器 调整激光器腔长令2L/C等于泵浦激光的脉冲周期
34
35
损耗

例如：
He-Ne :10cm CO2: 23cm

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F-P标准具选模

短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模

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F-P标准具选单纵模
激光介质

短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
腔镜1
标准具
腔镜2
14

生物等很多领域中都有广泛应用

根据实现锁模的方式的不同，可分为：
被动锁模
主动锁模
同步锁模
26
激光器的输出特性

一般情况下多模激光器形成振荡的各模式之 间相位是无关的，频率间隔为C/2nL

激光输出是无规的光脉冲
光强
光强

t
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多模激光器模式锁定特性

如图设3个波1, 2, 3, 2=213=3 1，且三个波振幅相等。 设t=0时三个波相位相同，得到的将是一列周期脉冲 E

调Q技术的关键是把激光能量压缩在宽度极窄 的脉冲中发射，它可以使激光光源的单色亮度
提高几个数量级

调Q技术实现了高峰值功率窄脉宽的激光巨脉
冲输出（脉冲能达到纳秒量级）

它使激光强光光学现象研究得以发展，同时推 动了激光测距、激光雷达、激光加工等应用的 发展
19
一般固体脉冲激光器的输出特性

在毫秒量级泵光激励下产生弛豫振荡
Q=20

腔内储存的激光能量 每秒损耗的激光能量
腔内损耗一般包括5种
= 1+ 2+ 3+ 4+ 5

其中1为反射镜损耗， 2为吸收损耗； 3为衍射损耗； 4 为散射损耗； 5为输出损耗 用不同技术控制不同损耗就形成了不同的调Q技术。主要 讨论应用广泛的电光调Q、声光调Q和可饱和染料吸收调Q。

激光振荡的建立条件是增益G大于损耗
G = i + m+ d
○ 其中i为激光在腔内传输由于散射、吸收产
生的损耗, m为反射镜产生的损耗； d为谐 振腔中由衍射产生的损耗。

选择横模的两个原则
○ 必须尽量增大高阶模与基模的衍射损耗比 ○ 尽量减少腔内其他损耗i和镜面损耗m, 从而

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电光晶体调Q

优点：同步精度高，系统稳定可靠，输出脉冲窄。
起偏器 电光晶体 检偏器

工作原理是，在开始泵浦时，电光晶体加/2电压，检偏器和 起偏器同向放置，沿轴向传播的光不能通过，所以腔内损耗很 大。在泵浦一段时间后，突然撤掉电光晶体的半波电压，腔内 损耗突然下降，达到调Q目的，激光振荡迅速建立并加强，获 得调Q巨脉冲输出。
○ 腔镜反射率呈高斯分布，使腔镜选择性对基模提供
反馈，而对高阶模损耗很大，由此实现基模振荡。 此技术可以有效选择模式输出，并实现大模体积运 转，提高激光器的单模输出功率。
R
D
9
纵模选择及其意义
在激光器纵模频率间隔小于增益曲线宽度的情况下，如果不加任 何控制，激光器一般将产生多纵模输出 激光的很多应用中需要单色性很好的窄线宽光源（如精密干涉计 算、全息照相、光外差通信、高分辨率激光光谱学等），纵模选 择在这时就是必不可少的技术
输出光束发散角和光强分布为主要目的的横 模选择技术，以及以获得窄线宽为主要目的 纵模选择技术。
3
横模选择及其意义

激光器的横模决定了输出光束的光强分布和发散角 从工业的钻孔、焊接到光通信，从激光医疗到激光 测距，横模输出的选择都非常重要
TEM00 TEM10
TEM20
TEM11
4
横模选择技术
光栅色散腔
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行波腔选纵法


短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
用多于两个的反射镜构成环形光腔，其中一个臂置 工作介质，一个臂置一单向隔离器，只允许一个方 向传播的光通过，这样激光只能以行波方式沿顺时 针或逆时针方向传播，从而获得单模输出。
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2、激光Q开关技术
ν0-Δν ν0 ν0+Δν
ν

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主动锁模激光器举例