射频信号 激光脉冲
脉冲峰值功率
脉冲平均功率/脉冲重复频率 脉冲宽度
对于声光调Q，开关的时间 s主要由声行波通过光束的渡越时间决定， 相邻两个Q脉冲的时间间隔大致要与激光工作物质的上能级寿命相等。 声光调Q通常用于连续激光器，输出K 激光调Q技术
✮
被动调Q
饱和吸收体的能级应当与激光能级匹配， 即饱和吸收波长与激光波长一致。
透反镜 激光介质
泵浦 饱和 吸收体
全反镜
将饱和吸收体放在谐振腔内，初始腔内光强很弱,同时吸收 损耗大，Q值低,谐振腔处于关闭状态，不能形成激光振荡； 在泵浦的作用下，随着激光介质反转粒子数的不断积累， 腔内自发辐射荧光也逐渐增强; 当荧光光强可与饱和吸收光强相比拟时，吸收系数变小， 透过率增大，饱和吸收体突然被漂白，这时腔内Q值猛增，产 生激光振荡，输出调Q激光脉冲。
检偏器
V
入射光电场矢量按主轴分解， 出射光波按 分量相位差合成，经过检偏器后光强发生改变。
13 of End
2 电光调制与声光调制
电光调制晶体的性质
非中心对称晶系 晶体折射率均匀 吸收和散射损耗小 物理化学性能稳定
激光损伤阈值高
常用的电光调制晶体有： KDP，DKDP，RTP,LN等。
14 of End
脉冲宽度与测量精度的关系
c L t 2
21 of End
3 激光调Q技术
激光尖峰脉冲系列
增加激光器的泵浦功率,只能增加尖峰频率,减小尖峰的间隔 既不能减少激光脉宽，也不能增加激光器的峰值功率
22 of End
3 激光调Q技术
弛豫振荡现象：普通脉冲固体激光器输出脉冲由许多振 幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成。脉宽约 0.1~1us ，间隔为数 us ，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵 浦持续时间相等。
39 of End
4 激光锁模技术
在多纵模激光器中实现各纵模之间相位差恒定，纵模间隔 严格相等，以同步受激辐射为基础, 产生由激光介质增益线宽 倒数所决定的皮秒(PS)至飞秒(FS)量级的超短激光脉冲。
激光锁模
40 of End
4 激光锁模技术
锁模条件
激光增益线宽之内至少要有三个以上的纵模 各纵模之间的相位差恒定 所有相邻纵模的间隔严格相等 总光电场为各纵模光电场的相干叠加，实现 时间区域内的“干涉”效应
光信息技术
调Q技术 锁模技术
激光振荡
振幅调制
调幅
相位调制
调相
强度调制
改变光强
使光波的振幅、相位、光强随调制信号的变化而变化。
5
of End
1 调制的基本概念
振幅调制(AM)
时域 调制波形以信号波为上下对称包络的波形 频域 调制波形以信号波频率为间隔，左右对称两个边频
e( )
0
c m c
3 激光调Q技术
✿
声光调Q
在激光谐振腔内，利用声光调制器作为Q开关。 声光调Q器件一般采用行波工作方式。
声光调制器的1级衍射为损耗，要求衍射效率大于激光单程增益。
34 of End
3 激光调Q技术
在 Bragg 效应的作用下，轴向光线衍射出腔外 , 反转粒子 数上升；一旦消除行波场，则激光振荡建立，产生Q脉冲 输出。
锁模激光性质
锁模脉冲的峰值功率比自由运转的提高了纵模数倍，峰值功 率由所有纵模共同提供。在固体激光器中振荡纵模数量可达成千 上万个，所以单个锁模脉冲的峰值功率可以很高。
目前实现激光锁模的方法主要有主动锁模、被动锁模和自锁模
43 of End
4 激光锁模技术
♞
主动锁模
振幅调制(AM)锁模
7个振荡纵模输出的锁模脉冲
50 of End
4 激光锁模技术
✿
被动锁模
将快可饱和吸收体放在激光谐振腔内，来调节腔内的透射损耗,当满 足锁模条件时,则可得到一系列锁模脉冲。
51 of End
4 激光锁模技术
被动锁模由不规则的脉冲演变到锁模 激光脉冲，大致分为三个阶段：
线性放大阶段：光脉冲通过可饱和吸收 体和激光介质，在激光介质中产生线性 放大 非线性吸收阶段：激光辐射场的最强脉 冲使吸收饱和，而大量的弱脉冲受到吸 收而被抑制
36 of End
3 激光调Q技术
被动调Q激光器的多脉冲现象
输出调Q激光脉冲后，由于腔内光子数急剧下降，同时吸收损耗增 大，从而使谐振腔又处于关闭状态，这就是被动调Q开关的一个动作周 期。如此往复形成多脉冲调Q激光输出.
37 of End
4 激光锁模技术
高精度激光测距、精细激光加工，微观超快过程的研究和 非线性光学应用等，必须采用超短激光脉冲。
2 电光调制与声光调制
♞
声光效应
介质中声波和光波相互作用 折射率呈空间周期性变化 声波波阵面对光波呈现部分 “反射”和“透射”
声行波场
声驻波场
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2 电光调制与声光调制
布拉格（Bragg)衍射
声波频率较高，声光作用长度较大，且光束 与声波波面之间以一定的角度斜入射时，光波在 介质中要穿过多个声波面，有“体光栅”的性质 。
4 激光锁模技术
电光相位调制锁模
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4 激光锁模技术
电光相位调制锁模
在相位调制时，激光脉冲和调制信号之间的相位关系存在 双重性（极大与极小值）， 每半个周期出现一次，导致存在 180˚自发相位开关效应，也称为锁模脉冲的“������跳变”，即锁模 激光器的输出脉冲自发地由一列跳列另一列，须采取相应的措 施加以消除。
被动式
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3 激光调Q技术
典型的Q开关调制器件
电光调Q器 饱和吸收体Cr:YAG
声光调Q器
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3 激光调Q技术
♞
电光调Q
TIPS
V V /4
PC PC X//P R （ P E y T=0）损耗大，Q值低，ni
2 2
W. L. Bragg
布拉格衍射只出现0级和1级衍射光。合理选择参数，可以使 入射光能量全部转移到1级衍射上。
入射光 衍射光
非衍射光
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2 电光调制与声光调制
粒子模型（利用动量守恒条件推导）
波矢量图
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2 电光调制与声光调制
Bragg 公式
2s sin B
0
LASER Pump M
M
LASER Pump
外调制
在激光器以外的光路上放置调 制器 (M) ，当激光通过调制器时，会 使光波的参量发生变化。
内调制
在激光谐振腔内放置调制器(M)， 改变激光器的振荡参数，从而改变激 光器的输出特性。
4
of End
1 调制的基本概念
♞
调制的基本方式
实现信息加载
激光调制 控制工作状态 内调制
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4 激光锁模技术
声光振幅（损耗）调制锁膜激光器的装臵，采用声光Bragg衍射 方式，声光调制器位于紧靠反镜射的一端。
45 of End
4 激光锁模技术
对于Nd:YAG声光锁模激光器的典型数值是：光学腔长1.5m，调制频率100MHz 其锁模脉宽大约为100ps
46 of End
6 of End
c m
1 调制的基本概念
相位调制（PM)
时域 调制波形为等振幅变周期振荡形式
7
of End
1 调制的基本概念
♞
调制的基本方法
对激光进行调制，必须考虑通光介质中电偶极子振荡 机制，利用折射率的变化，对激光进行调制。 根据光与物质相互作用类型，主要表现为电场、声场 对光的控制作用，相对应为电光调制、声光调制。
调Q技术可将连续或脉冲激光能量压缩到时间宽度 为纳秒量级的短脉冲中发射，从而使激光的峰值功率提 高几个数量级。
激光脉冲的分类
20 of End
3 激光调Q技术
激光测距——提高测量精度
2 L ct
参数对比
t 1 ms L 150 km t 1 s L 150 m t 1 ns L 150 mm t 1 ps L 150 m
8
of End
2 电光调制与声光调制
电光调制器件 声光调制器件
9
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2 电光调制与声光调制
♞
电光效应
电光效应就是电致折射率变化。 体现为介质折射率椭球的形变， 即主轴的方向与长度发生变化。
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2 电光调制与声光调制
电光调制
晶体受到外加电场作用，其折射率发生改变，当偏振光 通过时，其偏振特性发生改变，利用电光效应来调节控制光 波称为电光调制。
激光技术综述
主讲人：朱长虹
华中科技大学〃激光技术系
2015年12月
主要内容
调制的基本概念 电光调制与声光调制 激光调Q技术 激光锁模技术
2
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1 调制的基本概念
♛
激光调制的意义
“调节”与“控制”激光
外调制
激光调制
内调制
+
外调制与内调制有啥不同？
3
of End
1 调制的基本概念
外调制与内调制
Electro-optic crystal V
11 of End
2 电光调制与声光调制
电光 相位调制（PM）
入射光 偏振器 载波 出射光
V
相位调制波
入射光电场偏振方向 平行主轴 ，无检偏装臵， 光波偏振状态不发生改变。
12 of End
2 电光调制与声光调制
电光强度调制（IM）
出射光
入射光
起偏器
退压式
V 0