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-激光技术与应用(整理完毕) 激光技术与应用 一、 名词解释 20（45） 1. 驰豫振荡 一般固体脉冲激光器所输出的并不是一个平滑的光脉冲，而是一群宽度只有微秒量级的短脉冲序列，即所谓“尖峰”序列。激励越强，则短脉冲之间的时间间隔越小。这种现象称为激光器驰豫振荡。 产生驰豫振荡的主要原因是：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的反转粒子数超过阈值条件时，即产生激光振荡，腔内光子数密度增加，并发射激光。随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，导致反转粒子数降低，当低于阈值时，激光振荡就停止。这时，由于泵浦光的继续抽运，上能级反转粒子数重新积累，当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。 2. 模式竞争 在均匀加宽激光介质中，通过增益饱和效应，某一模式逐渐把其他的模式振荡抑制下去，最后只剩下一个纵模振荡的现象，叫做模式竞争。竞争的结果通常是最靠近中心频率?0的一个纵模取胜，形成稳定的激光振荡，其他纵模都被抑制而熄灭。因此，理想情况下，均匀加宽稳态激光器的输出模式是单纵模，单纵模的频率总是位于谱线中心频率附近。 3. 同步泵浦锁模 同步泵浦锁模激光器采用一台主动锁模激光器的脉冲序列去泵浦另一台激光器，通过调制腔内增益的方法获得锁模，这种方式就是同步泵浦锁模。 4. 频率复现性 把在不同地点、时间、环境下稳定频率的偏差量与它们的平均频率的比值称之为频率的复现性，表示为 ?(?)式中，? 为被测激光器系列的平均频率或同一台激光器的标准频率（或原始工作频率），?为频率的偏差量。 5. 锁模振荡 未经锁模的自由运转激光器的输出一般包括若干个超过阈值的纵模，这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则的叠加结果，是一种时间平均的统计值。如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步，即把?=它们的相位相互关联起来，使之有一确定的关系（?+1?=常数），那么就会出现一种与上述情况有质的区别而有趣的现象：激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲。这就是说，该激光器各模的相位已按照?+1?=常数的关系被锁定，这种激光器叫做锁模激光器，相应的技术称为“锁模技术”。 1 6. 兰姆凹陷 非均匀加宽型谱线的输出功率P随频率?的变化曲线上，在中心频率?=?0处出现一个凹陷，这就是兰姆凹陷。 （多谱勒加宽的单纵模气体激光器中，输出功率总是随纵模频率向中心频率的靠近而增大，但是当纵模频率接近中心频率时，由于增益曲线上两个烧孔重叠而使能够受激辐射的粒子数减小，因而光强反而下降，在中心频率?0处出现凹陷，称为兰姆凹陷。） 7. 自锁模 当激活介质本身的非线性效应能够保持各纵模频率的等间隔分布，并有确定的初相位关系时，不需要在谐振腔内插入任何调制元件，就可以实现纵模锁定，这种方法称为自锁模。 8. 拍频原理 激光的相干性好，当两束光叠加在一起时，初相位的差值是暂时稳定的或缓慢变化的，因而会产生干涉现象。两束光波之间的可相干性，为测量光波频率稳定性提供了一种方法拍频测量法。 二、 简答 510 1. 实现调Q激光器的基本要求 （1）由于调 Q是把能量以激活离子的形式存储在激光工作物质的高能态上，然后集中在一个极短的时间内释放出来，因此，要求激光工作物质必须能在强泵浦下工作，即抗损伤阈值要高。其次，要求工作物质上能级必须有较长的寿命。 （2）光泵的泵浦速率必须快于激光上能级的自发辐射速率，即波形的持续时间（波形的半宽度）必须小于激光介质的上能级寿命；否则，不能够实现足够多的粒子数反转。 （3）谐振腔的Q值改变要快，一般应与谐振腔建立激光振荡的时间比拟。如果Q开关时间太慢，会使脉冲变宽，甚至会产生多脉冲现象。 2. 什么是被动锁模？ 在激光谐振腔中插入可饱和吸收染料来调节腔内的损耗，当满足锁模条件时，就可获得一系列的锁模脉冲。 3. 解释横模测量中的直接观察法原理 不同横模的光强在横截面上有不同的分布状况。对于连续的可见光波段的中、小功率激光器，这种方法比较适用，只需要在输出激光的通路上放置一个屏，就可在屏上用眼睛直接观测激光的横摸图样（光斑）；但这种方法鉴别能力比较差，而且对强光和不可见光不适用。对中等功率的红外激光，可采用一种烧蚀法，即用木块、有机玻璃、耐火砖等观测激光烧蚀出的图形，以鉴别其横模图样。对于1.06m的近红外激光，可采用上转换材料（波长由长变短）做成的薄片，将近红外光转换成可见光，这对观测横模光斑图样十分方便。对于中、小功率的红外激光器，还可以采用变像管或CCD摄像机观测横模。 4. 主动稳频有哪几种方法？ 2 5. 6. 7. 8. 9. 主动稳频的方法大致可以分为两类：一类是利用原子跃迁谱线中心频率作为鉴别器进行稳频，如兰姆凹陷稳频法；另一类是利用外界参考频率作为鉴别器标准进行稳频，如饱和吸收稳频法。 （1）兰姆凹陷稳频（2）塞曼效应稳频（3）饱和吸收稳频 什么叫做激光散斑现象？ 当一束光照射到具有漫反射特性的粗糙表面上时，在反射光的空间中用观察屏去接受光总可以看到一些斑点，这就是激光散斑现象。 什么是主动锁模？ 主动锁模采用周期性调制谐振腔的参量的方法，即在激光谐振腔内插入一个受外部信号控制的调制器，用一定的调制频率周期性地改变谐振腔内振荡模的振幅或相位。当选择的调制频率与纵模间隔相等时，对各个模的调制会产生边频，其频率与两个相邻纵模的频率一致。由于模之间的相互作用，所有的模在足够的调制下达到同步，形成锁模序列脉冲。 模式选择技术的基本方法 1） 横模选择的方法： 横模选择方法可分为两类：一类是改变谐振腔的结构和参数以获得各模衍射损耗的较大差别，提高谐振腔的选模性能；另一类是在一定的谐振腔内插入附加的选模元件来提高选模性能。 （1） 谐振腔参数g和N的选择法 （2） 小孔光阑法选模 （3） 腔内插入透镜选横模 （4） 非稳腔选模 2） 纵模选择的方法： （1） 色散腔粗选频率 （2） 短腔法 （3） F-P标准具法 （4） 复合腔法 （5） 其他选纵模方法：环形行波腔选纵模；利用Q开关选单纵模等 影响激光频率稳定的主要因素 （1） 温度变化影响 （2） 大气变化影响 （3） 机械振动影响 （4） 磁场的影响 激光精细加工的特点 （1） 激光功率小：mWW量级； （2） 功率密度高； （3） 加工尺寸小，分辨率高； （4） 脉冲、连续两种方式； 3 三、 作图 10 1. 稳频技术中，要测量比较各种激光频率，试根据其原理画出两台激光器的拍频测量 装置的原理示意图，并给出原理性的解释。 拍频测量实验装置如图所示。图中?1、?2是两台稳频的激光器，各自通过稳频器稳定（锁定）在参考基准中心；两台激光器输出的光经全反射镜R和部分反射、透射镜S后完全重合，并射到光电探测器上得到一差频电信号，进而进行放大输入到拍频测量与数据处理系统。通过频谱分析仪可直接进行观察，另外通过频率计数器可读取拍频频率值。设?1作为参考频率，?0=4.741014?(?0=632.99142?)，?2为各待测激光器。在相同的运转条件下，先后测得各激光器相对于参考激光器的拍频频率，如其中某一激光器相对于参考激光器的?1，?2，?，?等，N为取样测量次数。由于频率起伏是随机的，所以频率稳定度常采用统计的阿伦方差进行处理。这是因为在观测平均时间内，任何时刻都可能出现大的频率变化，若把最大的频率变化值简单地取算术平均值作为频率变化值，就会产生很大的误差，因此，一般都采用统计的方法。激光频率偏差的双取样阿伦方差为 1?2?2?122 ?2,? = ?=1? 式中，?2i、?2i?1为平均取样时间?内连续连续测量两个相邻的差频信号的频率。激光频率稳定度的双取样阿伦方差为： ?=?2?2?1?1 2 ?=1 2 1式中，? 为激光平均频率，1/2是假定每一台激光器对差频频率起伏具有相同作用的因子。因此，只在数字频率计上测出N组相邻差频频率序列，用上式即可计算出取样时间?内每台激光器的频率稳定性。 2. 激光放大中有一个主要的技术问题，是消除不同放大器之间的耦合，电光隔离器常 常有其用处，试画出电光隔离器在放大器中的应用示意图，并解释其工作原理。 电光隔离器主要利用大功率脉冲时间短的特点，即在放大器之间插入电光开关隔离元件，在光脉冲信号到来之前的时间内，电光开关处于关闭状态，只有当光脉冲到来的一瞬间，开关才迅速打开，使脉冲通过而进入下级放大器。电光隔离器的结构如图所示，由两个偏振棱镜?1、?2（成正交放置），K?泡克耳斯盒K，放电 4 火花隙G，聚光镜L等组成。在光脉冲信号到来之前，光路处于断开状态；当光脉冲到来时，经分光镜?1反射的小部分光束被透镜L聚焦在放电火花隙上将球隙空气击穿，此时电路导通将半波电压立即加到K?晶体上，使入射光束偏振面旋转90，与?2的偏振轴平行。这时，光脉冲就可以通过开关而进入下级放大器。由于开关时间非常短（上升时间约数纳秒），所以光脉冲通过后开关立即关闭，起到了只允许光束单向导通的作用。 四、 综合题 5,5,10 1. （1）锁模技术中，被动锁模的工作原理是什么？ 产生超短脉冲的另一种有效方法是被动锁模。此方法是把可饱和吸收体放在激光谐振腔内实现的。可饱和吸收体是一种非线性吸收介质，对腔内激光的吸收是随光场强度而变化的，当光场较弱时对光吸收很强，因此光透过率很低；随着激光强度增加，吸收减少，当达到一特定值时吸收饱和，光透过率达100%，使强度最大的激光脉冲经受最小的损耗，从而得到很强的锁模脉冲。它类似于被动Q开关，但又有区别，被动锁模要求可饱和吸收体的上能级寿命特别短，同时放在腔内必须紧靠反射镜。 （2）被动锁模的物理过程有几个阶段，分别是什么？ 线性放大阶段：在闪光灯泵浦开始时自发辐射荧光产生，当超过激光阈值 时，初始的激光脉冲具有荧光带宽的光谱含量，并且具有随机相位关系的激光膜之间的干涉，因而导致光强度的起伏，脉冲总量很大。在一个周期2L/c时间内，光脉冲通过有机染料和激光介质各一次，在吸收体燃料中，对强脉冲吸收得少而对弱脉冲吸收得多。在激光介质中，产生线性放大，其结果就发生自然选模作用。线性放大过程使频谱变窄，被放大后的信号起伏得到平滑和加宽。线性放大的持续时间比较长，例如，在谐振腔长度为1m并且有效增益为百分之几时，线性放大阶段大约为2000个循环。 非线性吸收阶段：此阶段内激光介质的增益虽然是线性的，但激光辐射场 的最强脉冲使饱和吸收染料呈非线性吸收。该阶段的主要特点是强脉冲使染料吸收饱和，“漂白”了染料，从而使脉冲强度得到了很快的增长，而大量的弱脉冲受到染料的吸收而被抑制掉，使发射脉冲变窄，频谱增宽。 非线性放大阶段：由于选择出的强脉冲不但能使染料吸收饱和，而且使激 光工作物质的增益达到饱和，所有工作物质的放大进入非线性阶段。当强脉冲经过激活介质时，前沿及中心部位放大得多，由于反转粒子数的消耗，增益下降，致使脉冲后沿放大的少，甚至得不到放大， 其结果使后沿变陡， 5 脉冲变窄，小脉冲几乎被完全抑制，最后输出一个高强度、窄脉宽的脉冲序列。此阶段脉冲压缩，频谱进一步加宽。 （3）请画出被动锁模激光器的谐振腔的基本结构。 2. （1）调Q技术中，声光调Q的原理是什么？ 把声光Q开关器件插入谐振腔内，当声光电源产生的高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，所形成的超声波振动在声光介质中使折射率发生变化，形成等效的“相位光栅”，当光束通过声光介质时，便产生布拉格衍射。衍射光相对于0级光有2角的偏离（如当超声频率在20-50MHz范围时，石英对1.06m的光波的衍射角为0.3-0.5），这一角度完全可以使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能产生振荡，或者说Q开关将激光“关断”。当高频信号的作用突然停止，则声光介质中的超声场消失，于是谐振腔又突变为高Q值状态，相当于Q开关打“打开”。Q值交替变化一次，就使激光器输出一个调Q脉冲。 （2）试根据其技术原理，画出声光调Q激光器的示意图。 （3）简要解释一下普通声光调Q器件的设计要点，画出声光器件两种工作方式的示意图。 材料的选择 对声光介质材料的选择应综合考虑如下要求：介质的品质因数M2要大，对光的吸收要小（即对光的透过率要高），对超声波的吸收要小，有良好的热稳定性，介质在光学上是均匀的，有足够大的尺寸。对功率大的调Q器件，还要考虑采用抗激光损伤阈值高的材料。 器件的设计 声光器件设计的关键是合理地确定超声柱的尺寸；换能器与声光介质的粘接工艺也是十分重要的问题。 器件的结构形式 换能器的电-声能转换过程及超声波被吸收后都会产生热量，如不及时散掉，就会在声光介质中形成温度梯度场，从而扰乱超声场的“相位光栅”作用，严重时 6 会使器件失去调Q作用，因此器件还需要考虑散热问题。 驱动声功率的确定 为了关断有一段增益的激光器振荡，必须有足够的声功率。 另外，在高重复频率运转过程中，声光调Q器件不断地在存在超声场（称为状态2）的两种状态中交替的变化，其衍射效应的变化不可能是阶跃式的，而是有一定的上升和下降的时间（设为tr和tf）。对一定的激光器来说，由Q突变的时刻到巨脉冲输出的时刻中间有一定的时间间隔tD，那么在设计声光调Q器件时，必须使tf<tD，这样才能避免散乱的干扰，保证输出高峰值功率的调Q脉冲。 7