激光器單元技術第1頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日調制方式:第2頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日第3頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日二.

振幅調制方式光載波的振幅分量隨調制信號的規律而變化,簡稱調幅.激光光電場:調制信號:調制波：

第4頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日第5頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日頻譜分布:與載波相比較，調幅波多了兩個邊頻分量第6頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日三、相位調制方式光載波的相位分量隨調制信號的規律變化。調相波：

調相就是光載波的總相角隨著調制信號的規律而變化的振蕩。第7頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日第8頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日四、強度調制方式由于起解調作用的光探測接受器一般都是平均光強直接響應（光頻波段光場振幅變化太快Hz，尚不能直接探測），所以強度調制是激光調制的主要方式。

第9頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日光載波的強度（功率）隨調制信號的規律變化。在激光調制的實際過程中，振幅、相位和強度調制是相互聯系的，主要利用光電場振幅分量的相位差調制導致的偏振態的變化或相干疊加條件實現光強度調制的效果。

第10頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日五、脈沖調制方式

脈沖調制就是用一種斷續的周期性脈沖序列作為載波，這種載波受到調制信號的控制，使脈沖的幅度或位置、頻率等隨之發生變化。脈沖調制方式具有較強的抗干擾能力，光通信中得到廣泛的應用。第11頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日第12頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日利用電光、聲光和磁光等物理效應，通過調制器來控制和改變激光的振幅、相位、偏振態和光強以及傳播方向等參量，是激光調制的主要方法。激光調制技術在能量和信息光電子領域有著廣泛而重要的應用。

第13頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日在外界強電場的作用下,某些本來是各向同性的介質會產生雙折射現象,而本來有雙折射性質的晶體,其雙折射性質也會發生變化,這就是電光效應.1.一級電光效應(泡克耳斯效應)外加電場引起的雙折射只與電場的一次方成正比.常用電光晶體:ADP(磷酸二氫銨)KDP(磷酸二氫鉀)縱向電光效應:外加電場的方向與光的傳播方向(光軸Z)一致.橫向電光效應:外加電場的方向(光軸Z)與光的傳播方向垂直.6.2電光調制（ElectroOpticModulation）一、電光效應(EOEffect)第14頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日第15頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日第16頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日2.平方電光效應(克爾效應)電光液體第17頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日二、縱向與橫向電光調制器

1．縱向運用：外加電場方向與入射光波矢共線平平行稱為縱向方式第18頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日系統的透過率為T:調制光強與調制信號的關系曲線如圖所示

第19頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日線性調制選取T=50%處為靜態工作點，在光路中插入一個1/4波片，其主軸與電光晶體的感應主軸平行，相當于引入固定相移。

對于適當大小的電壓信號，調制光強與其有線性關系。第20頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日2.橫向的運用

外加電場方向E與入射光波矢垂直正交稱為橫向方式，電極在通光方向容易形成均勻電場。

第21頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日3.電光相位調制電光相位調制器由起偏器和電光晶體組成。起偏器的偏振軸平行于晶體的感應主軸，此時入射晶體的線偏振光不再分解，而是沿著一個方向偏振，故外加電場不改變出射光的偏振狀態，僅改變其相位，出射光電場為：

第22頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日6.3聲光調制

一、聲光效應

聲光調制的物理基礎是聲光效應。聲光效應是指光波在介質中傳播時，按超聲波場衍射或散射的現象。由于聲波是一種彈性波，聲波在介質中傳播會產生彈性應力或應變，這種現象稱為彈光效應，介質彈性形變導致介質的密度產生疏密交替的變化，從而引起介質折射率的周期變化，并形成折射率光柵。當光波在介質中傳播時，就會發生衍射現象，衍射光的強度、頻率和方向等將隨著超聲場的變化而變化。聲光調制就是基于這種效應來實現其光調制或偏轉的。第23頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日1、彈光效應

當晶體材料受外應力的作用產生形變時，分子間的相互作用力發生改變會導致介質密度的變化，從而引起介電常數(折射率)的改變，這就是彈光效應的物理起因。

2、聲波在介質中的傳播

聲波是一種彈性波(縱向應力波)，在介質中傳播時，它使介質產生相應的彈性形變，從而激起介質中各質點沿波的傳播方向振動，引起介質的密度呈疏密相間的交替變化，因此，介質的折射率也隨著發生相應的周期性變化。超聲場作用的這部分介質如同一個光學的“相位光柵”，該光柵間距(光柵常數)等于聲波波長。當光波通過此介質時，就會產生光的衍射。其衍射光的強度、頻率、方向等都隨著超聲場的變化而變化。第24頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日第25頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日二、聲光衍射——聲光互作用的兩種類型當超聲被頻率較低，光波平行于聲波面入射(即垂直于聲場傳播方向)時，聲光互作用長度L較短，產生喇曼—納斯衍射。由于聲速比光速小得多，故聲光介質可視為一個靜止的平面相位光柵。而是聲波長比光波長大得多，當光波平行通過介質時，幾乎不通過聲波面，因此只受到相位調制，于是通過聲光介質的平面被被陣面將出現凸凹現象，變成一個折皺曲面，由出射波陣面上各子波源發出的次波將發生相干作用，形成于入射方向對稱分布的多級衍射光，這就是喇曼—納斯衍射。1、喇曼—納斯衍射第26頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日2、布喇格(Bragg)衍射當聲波頻率較高，聲光作用長度較大，而且光束與聲波波面間以一定的角度斜入射時，光在介質中要穿過多個聲波面。故介質具有“體光柵”的性質。當入射光與聲波面夾角滿足一定關系時，介質內各級衍射會相互干涉。在一定條件下，各高級次衍射光將互相抵消，只出現零級和+1級(或-l級)(視入射光的方向而定)衍射光，即產生布喇格衍射。若能合理選擇參數，超聲足夠強，可使入射光能量幾乎全部轉移到十1級或一1級衍射圾值上。因而光束能量可以得到充分利用，即利用布劑格衍射效應制成的聲光器件可以獲得較高的效率。第27頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日衍射零級和一級光強度分別為：第28頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日三、聲光調制器

1、聲光調制器的組成聲光調制器是由聲光介質、電—聲換能器、吸聲(或反射)裝置及驅動電源等所組成。第29頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日6.4激光調Q技術一、調Q原理什么是調Q技術?在泵浦開始激勵時，使光腔具有高損耗值，高能級上的粒子積累到較高的水平，即：使反轉粒子數密度達到一定的值；在適當的時刻，使腔的損耗突然降低，閾值隨之突然下降，此時反轉粒子數密度大大超過閾值，受激輻射迅速增加；在極短的時間內，強的激光巨脈沖輸出。第30頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日動態損耗：Q開關處于關閉狀態時，諧振腔應具有最大的損耗，以保證Q開關打開之前沒有激光產生；

插入損耗：Q開關處于打開狀態時，由開關本身引起的損耗應最小，一般會引入反射及散射損耗；開關時間，Q開關應有優異的開、關轉換性能，快的開關時間，將產生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開關時間會使所存儲的能量在開關完全打開之間迅速衰竭；同步性能，

Q開關應能夠精確地控制，與外界信號保持同步。調Q技術關鍵:第31頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日調Q激光器結構示意圖第32頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日機械調Q技術轉鏡調Q技術－－－主動式Q開關電光調Q技術

－－－主動式Q開關聲光調Q技術

－－－主動式Q開關染料調Q技術

－－－被動式Q開關

能夠使諧振腔損耗發生突變的元件都能用作Q開關二、實現Q開關的方法第33頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日轉鏡調Q激光器示意圖旋轉鏡面的角度，以改變Q值。當旋轉鏡面與諧振腔的另一端面平行時，Q值最大，產生激光脈沖輸出。旋轉速度：每秒10,000-60,000轉，相當與每秒166-1,000個脈沖。1.轉鏡調Q技術原理第34頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日機械調Q技術適用于連續式激光器的調Q機械調Q技術的劣勢：較低的開關轉換率，即開關時間過長；機械調Q技術的優勢：

機械調Q技術的優缺點開關元件本身無損耗；開關關閉時可以達到100％的最大損耗；簡單的運行機制；較高的可靠性；第35頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日利用晶體的電光效應實現Q的突變一般來講，電光調Q激光器的Q開關由起偏器和一個電光晶體組成：2.電光調Q技術第36頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日Q開關開狀態：

Q開關關狀態：

電光調Q技術原理若在某一時刻突然撤去電光晶體兩端的電壓，此時，諧振腔的損耗很低，處于高Q狀態，形成巨脈沖；激光器產生的激光，經過起偏器后，變成線偏振光，若給電光晶體一適當電壓，４分之一波電壓，則經反射鏡反射回的偏振光將垂直偏振器的偏振方向，無法通過偏振器，此時，諧振腔的損耗很大，處于低Q狀態，激光器不振蕩；第37頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日有較高的動態損耗（９９％）和插入損耗（１５％）;開關速度快，同步性能好。開關時間可以達到秒，典型的Nd:YAG電光調Q激光器的輸出光脈沖寬度約為１０-２０ns，峰值功率達到數兆瓦至數十兆瓦;適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術較高的插入損耗使激光器無法振蕩而不適用于連續泵浦激光器.電光調Q技術特點第38頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日聲光調Q技術原理圖聲光調Q技術利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調Q任務。在聲光器件工作時產生很高的衍射損耗，此時，腔具有很低的Q值，Q開關處于關狀態；在某一特定時間，撤去超聲，光束則順利通過均勻的聲光介質，此時Q開關處于開狀態；3.聲光調Q技術原理第39頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日有低的動態損耗和低的插入損耗;可以實現重復連續的激光脈沖輸出；聲光調Q技術特點同步性能好；開關速度較慢，開關時間在１００ns以上;

第40頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日利用有機材料對光的吸收系數會隨著光強變化的特性來達到調Q的目的。

染料調Q技術原理圖4.染料調Q技術原理有極高的動態損耗（>９９％）和插入損耗;與外界信號無同步特性，屬被動調Q；染料調Q技術的特點第41頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日6.5激光器的鎖模技術調Q技術是壓縮激光脈寬、提供峰值功率的有效方法，但是受到光子平均駐腔壽命的限，利用調Q技術只能獲得脈寬為毫微秒量級的激光脈沖；利用鎖模技術可以獲得皮秒和飛秒量級的激光脈沖。第42頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日無鎖模激光器的輸出功率與頻率鎖模技術的基本原理為什么要鎖模？第43頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日瞬時輸出功率是這些模式無規則的疊加，輸出功率隨時間無規則起伏。無鎖模激光器的輸出功率與時間第44頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日

經過特殊的調制技術，使各振蕩模式的頻率間隔保持一定，并具有確定的相位關系，則激光器將輸出一列時間間隔一定的超短脈沖，這種技術稱為鎖模技術。第45頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日一、鎖模的基本原理通常情況下，激光器內有多個縱模同時起振，各個模式的振幅、初始相位均無確定關系，它們之間是互不相干的。由于各縱模間是不相干，輸出平均光強可表示為諸模光強的簡單和.假如各振蕩縱模的相位被鎖定，即振蕩模的頻率間隔保持一定，初始相位關系亦保持一定，那么激光器的輸出光強由于諸模相干疊加的結果將發生很大的變化。可見鎖模后的脈沖峰值光功率比未經鎖模的提高了N倍。第46頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日主動鎖模振幅調制鎖模位相調制鎖模

被動鎖模

同步泵浦鎖模注入鎖模對撞鎖模二、實現鎖模的方法第47頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日6.6激光器的穩頻為什么要穩頻？激光頻率的自然不穩定度:由于溫度等其它條件的變化，腔長和介質折射率將發生變化，從而造成縱模頻率的不穩定。q階縱模頻率可以表達為：第48頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日

單模輸出功率蘭姆凹陷方法一：蘭姆凹陷法穩頻對非均勻加寬單模激光器，當輸出光的頻率與介質躍遷中心頻率相同時，激光器輸出功率下降，在輸出功率對頻率的關系曲線上出現一個凹陷，稱為蘭姆凹陷。

第49頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日

光電接前置選頻收器放大放大穩頻激光器音頻振蕩相敏檢波

直流放大IIIfft2ft

ν1ν0ν2νtttf壓電陶瓷ν0ff音頻相敏音頻相敏第50頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日飽和吸收法穩頻的示意裝置如圖所示。與激光輸出功率曲線的蘭姆凹陷相似，在吸收介質的吸收曲線上也有一個吸收凹陷，如圖所示由于吸收管內的壓強很低，碰撞增寬很小，所以吸收線中心形成的凹陷比激光管中蘭姆凹陷的寬度要窄得多。方法二：飽和吸收法穩頻第51頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日激光通過激光管和吸收管時所得到的單程凈增益應該是激光管中的單程增益和吸收管中的單程吸收的差，即如圖(a)，只有頻率調到附近激光才能振蕩。如圖(b)，頻率在整個線寬范圍內

調諧均能振蕩。反轉蘭姆凹陷比蘭姆凹陷

的寬度窄，其中心頻率兩

側的斜率比蘭姆凹陷曲線

兩側的斜率大，故可以減小

搜索信號的幅度以提高穩定性．

第52頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日激光的優點在于它具有良好的單色性、方向性和相干性理想的激光器輸出光束應該只有一個模式，但是對于實際的激光器，如果不采取模式選擇，它們的工作狀態往往是多模的。含有高階模式橫模的激光束光強分布不均勻，光束發散角大。含有多縱模及多橫模的激光器單色性及相干性差。

6.7選模技術第53頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日在激光準直、激光加工、非線性光學、激光遠程測距等領域都需要基橫模激光束。在精密干涉測量，光通訊及大面積全息照相等應用中更要求激光是單橫模和單縱模光束。因此，設計和改進激光器的諧振腔以獲得單模輸出是一個重要課題。第54頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日所謂橫模的選擇，就是從諧振腔可能產生的許多模式中，選出基模，而其他的模式被抑制，不能產生振蕩在穩定腔中，基模的衍射損耗最小，隨著橫模階次的增高，衍射損耗將迅速增加。

諧振腔中不同的橫模具有不同的衍射損耗是橫模選擇的物理基礎。為了提高模式的鑒別能力，應該盡量增大高階模式和基模的衍射損耗比。6.7.1橫模的選擇第55頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日選擇橫模的方法一：腔內加光闌在諧振腔內設置小孔光闌和限制工作物質橫截面面積可以增加高階模衍射損耗，使激光器單模運行。

這一方法實際是使光斑尺寸較小的基模無阻攔地通過小孔光闌，而光斑尺寸較大的高階橫模卻受到阻攔而遭受較大的損耗。第56頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日為了擴大基模體積充分利用工作物質，通常采用聚焦光闌選模

第57頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日物理基礎：基模體積最小，高階模的體積較大，當腔鏡發生傾斜時，高階橫模損耗顯著增大，基模受到的影響較小。缺點：腔鏡的傾斜導致激光的總功率輸出顯著降低選擇橫模的方法二：傾斜腔鏡法第58頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日選擇橫模的方法三：正確選擇腔的結構形式

衍射損耗的大小及模鑒別能力的值與諧振腔的腔型有關，可適當選擇腔的結構，增大高階模式和基模的衍射損耗比,提高模式的鑒別能力。第59頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日激光器的振蕩頻率范圍和頻譜：由工作物質增益曲線的頻率寬度來決定。6.7.2縱模的選擇激光縱模形成條件：滿足諧振條件；落在工作物質的熒光譜線寬度內；滿足閾值條件。所謂激光縱模選擇，就是通過使激光器只允許有一種頻率振蕩，二其余的頻率則均被抑制。第60頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日缺點：腔長太短，輸出功率低。選擇縱模的方法一：縮短腔的長度(短腔法)相鄰兩個縱模的頻率差：則當：時可以實現單縱模諧振。第61頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日物理基礎：F-P只能對某些特定頻率的光通過。產生振蕩的頻率不僅要符合諧振腔共振條件，還要對標準具有最大的透過率選擇縱模的方法二：腔內插入F-P標準具法第62頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日法布里－帕羅標準具透過光的頻率為獲得最大透射率的兩相鄰頻率間隔適當的調整角，就可以達到選頻的目的第63頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日激光器一端的反射鏡被三塊反射鏡的組合所代替，其中M3和M4為全反射鏡，M2是具有適當透射率的部分透射部分反射鏡這相當于兩個諧振腔的耦合，一個是由M1、M3組成，其腔長為L1+L2；另一個由M3、M4組成，其腔長為L2+L3，兩個諧振腔的縱模頻率間隔分別為：

c/2(L1+L2)和c/2(L2+L3)只有同時滿足兩個諧振條件的光才能形成振蕩，故只要L2+L3足夠小就可以獲得單縱模輸出選擇縱模的方法三：三反射鏡法第64頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日6.8激光束的變換激光從激光器里輸出以后都要經過一定的光束變換以后才會被用到各種應用場合光束變換的基本工具是透鏡,薄透鏡對高斯光束的作用與平常的成象作用有一定的不同,需要進行研究本節從薄透鏡的光束變換特性出發討論高斯光束通過薄透鏡時的變換,繼而研究高斯光束的聚焦高斯光束的準直第65頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日激光切割第66頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日長度測量第67頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日6.8.1高斯光束通過薄透鏡時的變換透鏡的變換應用到高斯光束上，如下圖所示，有以下關系前式是薄透鏡假設：透鏡足夠薄至

使入射高度和出射高度不變實際問題中，通常和是已知的，

此時，則可以根據高斯光束

的性質計算出入射光束在鏡面處的

波陣面半徑和有效截面半徑，利用上述透鏡的變換公式進一步計算出由透鏡出射的波陣面半徑和有效截面半徑就可以得到出射光束的束腰位置和束腰半徑，因而可以確定變換后得到的出射高斯光束高斯光束通過薄透鏡的變換第68頁，共75頁，2023年，2月20日，星期日高斯光束通過薄透鏡時的計算入射光束在鏡面