华中科技大学激光工程第10讲-激光调制,调Q,激光技术-A-朱长虹-
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激光调Q原理与技术PPT课件
tr te
m
tp:光子数密度达到m的时刻,相 应反转粒子数密度为nt
t
tr:光子数密度升到m/2的时刻, 相应反转粒子数密度为nr
te:光子数密度降到m/2的时刻, 相应反转粒子数密度为ne
tr tp te
t
第2页/共16页
§2 转镜调Q激光器
一、工作原理
1、Q开关开启 激光
半反
2、Q开关关闭
半反
晶体沿电场方向的长度若45则入出射线偏振光方向互相垂直相当于半波片使入射线偏振光的偏振方向绕任一本征偏振光的偏振方向转过2角为入射线偏振光与该本征偏振光的夹角相当于四分之一波片使入射线偏振光变为椭圆偏振光a电场沿x轴光传播方向沿z轴横两本征偏振光方向分别沿xy2铌酸锂lnb电场沿y轴光传播方向沿z轴横两本征偏振光方向分别沿xy1磷酸氢钾kdp电场与光传播方向都沿z轴纵两本征偏振光方向分别沿xy激光介质激光电光器件激光介质1q开关开启2q开关关闭1带偏振器的kdp电光调q激光器yag激光输出镜偏振器kdp氙灯2双45ln电光调q激光器yag激光输出镜ln氙灯4545时所需电压称作四分之一波电压记作v从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后沿x和x方向的偏振分量产生了2位相延迟经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又将产生2延迟合成后虽仍是线偏振光但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向因此不能通过偏振器
二、电光调Q工作原理
1、Q开关开启
激光
输出镜
2、Q开关关闭
电光器件 全反镜
激光介质 起偏镜
检偏镜
电光器件
+
全反镜
输出镜
激光介质 起偏镜 - 检偏镜
第11页/共16页
三、电光调Q激光器装置
1、带偏振器的KDP电光调Q激光器
激光器的基本技术激光调Q技术讲解课件
微型化与集成化
新材料与新波段
微纳激光器、芯片上集成激光器等技术的 发展，为光通信、光互联等领域提供有力 支撑。
探索新型激活介质与光学材料，拓展中红 外、太赫兹等波段的激光技术与应用。
02
激光调Q技术原理及优势
调Q技术基本原理
调Q开关
通过调节激光腔内的Q值来控制激光的输出。Q值高时，激光腔内存储能量多 ，输出激光脉冲峰值功率高；Q值低时，激光腔内能量损失多，输出激光脉冲 宽度窄。
的相关参数。
数据处理
02
对采集到的光信号进行处理，如滤波、放大等，以提取有效信
息。
数据分析
03
采用统计方法对处理后的数据进行分析，如计算平均值、标准
差等。
结果展示和讨论
结果展示
将实验结果以图表形式进行展示，如绘制光信号波形图、功率谱 图等。
结果讨论
根据实验结果进行讨论，分析激光调Q技术对激光器性能的影响 及其可能原因。
参数设置和影响因素分析
初始参数设置
根据激光器类型和实验条件，设置初始参数 ，如增益系数、损耗系数、腔长等。
调Q参数设置
设置调Q开关的参数，如调制频率、调制深度等， 实现不同的调Q效果。
影响因素分析
分析增益介质特性、泵浦源特性、腔镜反射 率等因素对激光器性能的影响，为性能优化 提供依据。
性能优化策略提出
窄脉冲宽度
调Q技术可以将激光脉冲压缩至纳秒甚至皮秒量级，有利于实现高精度、高质量的激光加 工和微观探测。
广泛应用
调Q技术在激光加工、医疗、科研、军事等领域有着广泛的应用。例如，可以用于切割、 焊接、打孔等激光加工过程，也可以用于激光雷达、光谱分析、非线性光学等科研领域。
03
调Q技术PPT课件
2、加 U : 相当于四分之一波片,使入射线偏振光变 为椭圆偏2 振光
若=45，则出射椭圆偏振光变为圆偏振光
31
7、常用电光晶体工作模式
(1)磷酸氢钾(KDP) 电场与光传播方向都沿z轴(纵) 两本征偏振光方向分别沿x、y
(2)铌酸锂(LN) a)电场沿x轴，光传播方向沿z轴(横) 两本征偏振光方向分别沿x、y b)电场沿y轴，光传播方向沿z轴(横) 两本征偏振光方向分别沿x、y
tr
tp dt
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c
nt nr
n(n0
dn lnn0
n)
nt n nt
te
te dt
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c
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n(n0
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14
3、脉冲宽度的特点
te
c
(
n0 nt
)1
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)
2
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1
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2
nt
t
(比1)后增沿大减 小nn 0t ,的脉更冲显的著前、后沿均减小，其中前沿
二、调Q基本概念
泵浦时令腔损耗很大(Q很小),突然减小损耗(增大 Q),使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射, 形成光脉冲
2
三、工作原理 1、腔损耗 (1)t<0(Q开关打开前):
(2)t>0(Q开关打开后): (>> )
2、阈值反转粒子数
(1)t<0: nt
( nt>>nt) 3、泵浦速率
n0 lnn0 nf 0
nt
nf nt
n0lnn0 nf n0 0 nt nf n0 nt
激光技术综述 ppt课件
激光器不能有效聚集能量，每个尖峰脉冲输出发 生在阈值附近。
3 激光调Q技术
激光尖峰系列 调Q效果
激光调Q脉冲
3 激光调Q技术
品质因数（Q值）定义:
Q
腔内储存的能量 单位时间损耗的能量
Q值与腔内损耗成反比关系
TIPS 所谓调Q，就是调损耗
ts: Q开关时间
3 激光调Q技术
调Q的比喻
调Q脉冲
Q低值则损耗大,可抑制激光产生，使 粒子在上能级不断积累到一定程度后,突然提 高Q值降低损耗,激光振荡迅速建立,形成调Q 脉冲输出。
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。
2 电光调制与声光调制
电光调制器件
声光调制器件
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。
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。
2
P PC 0 R PC 0 P E（x T 100%）损耗小，Q值高，
3 激光调Q技术 电光调Q (PTM)
腔倒空谐振腔: 有两个全反射镜
3 激光调Q技术 蝶片激光腔倒空装置
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。
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 激光损伤阈值高
常用的电光调制晶体有： KDP，DKDP，RTP,LN等。
3 激光调Q技术
激光尖峰系列 调Q效果
激光调Q脉冲
3 激光调Q技术
品质因数（Q值）定义:
Q
腔内储存的能量 单位时间损耗的能量
Q值与腔内损耗成反比关系
TIPS 所谓调Q，就是调损耗
ts: Q开关时间
3 激光调Q技术
调Q的比喻
调Q脉冲
Q低值则损耗大,可抑制激光产生，使 粒子在上能级不断积累到一定程度后,突然提 高Q值降低损耗,激光振荡迅速建立,形成调Q 脉冲输出。
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。
2 电光调制与声光调制
电光调制器件
声光调制器件
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。
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。
2
P PC 0 R PC 0 P E（x T 100%）损耗小，Q值高，
3 激光调Q技术 电光调Q (PTM)
腔倒空谐振腔: 有两个全反射镜
3 激光调Q技术 蝶片激光腔倒空装置
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。
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 激光损伤阈值高
常用的电光调制晶体有： KDP，DKDP，RTP,LN等。
激光调q技术》ppt课件模板
通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒
6 子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级
的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒
子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率
(一般为几十千瓦数量级)。不能提高的原因。
既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那
图(a)表示泵浦速率Wp随时间 的变化；
图(b)表示腔的Q值是时间的阶 跃函数(蓝虚线)；
图(c)表示粒子反转数△n的变 化；
图(d)表示腔内光子数Φ随时间 的变化。
On the evening of July 24, 2021
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2
0 2
在泵浦过程的大部分时间里谐振
内转变为受激辐射场的能量， 结果产生了一个峰值功率很 高的窄脉冲。
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On the evening of July 24, 2021
2 0
（2） 两阶段
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2 ①储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值 。
1
/
7 调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立 /2至以后一个较长的时间过程中，光子数Φ增长十分缓慢，如图3所示，其值始终
1
/ 7
一、电光晶体调Q原理
/ 2
▪ 1. 电光Q开关原理。
6
利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调
节腔内光子的反射损耗。
图4-27 电光调Q装置示意图
（1）第一阶段：积累阶段
电光调Q激光器如图所示。未加电场前晶体的折射率主轴为z、y、z。沿晶体
《激光调制修改》PPT课件
制作声光调制器； ➢ 利用法拉第效应可以制作磁光调制器与光隔离器.
1. 振幅调制 使载波的振幅随着信号的变化规律而变化.
E (t)A ccos(ctc) E(t) Ac(1ma cosmt)cos(ct c)
激光的电场
=
Ac
cos(ct
c
)
ma 2
Ac
cos[(c
m)t
c]
a(t)Amcosmt
〔2〕设某时刻加在电光晶体上的电压为V,入射到晶体的在x方 向上的线偏振光电矢量振幅为E0
➢进入晶体时沿快轴 x和' 慢轴 的y' 电矢量振幅都变为 E0 2
➢通过晶体后沿 x和' 方y ' 向的二线偏振光之间的位相差
2
n0263V
通过振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅分别
为 E x ' ，y E，y '则y 有：
E x'yE 20eit， Ey'yE 20ei(t)
投影之和为： EEyE 20eit(ei1)
输 出 I E 光 2 E 0 2 s强 2 i 2 n I 0 s ： 2 in n 0 36V 3
图(4-22) I/I0-V曲线
（3）画出 I I0 曲V线的一部分以及光强调制的情形。为使工
E ( t) A c co c t s m f( sim tn c )
调频系数：m f /mkfA m /m
相位调制： E ( t) A cc o s (c t m c o sm tc )
频率调制和相位调制都是调总相角,写成统一形式：
E ( t) A c co c t m ss(im tn c )
x2 y2 z2 1 n12 n22 n32
1. 振幅调制 使载波的振幅随着信号的变化规律而变化.
E (t)A ccos(ctc) E(t) Ac(1ma cosmt)cos(ct c)
激光的电场
=
Ac
cos(ct
c
)
ma 2
Ac
cos[(c
m)t
c]
a(t)Amcosmt
〔2〕设某时刻加在电光晶体上的电压为V,入射到晶体的在x方 向上的线偏振光电矢量振幅为E0
➢进入晶体时沿快轴 x和' 慢轴 的y' 电矢量振幅都变为 E0 2
➢通过晶体后沿 x和' 方y ' 向的二线偏振光之间的位相差
2
n0263V
通过振动方向与 y 轴平行的偏振片检偏后产生的光振幅分别
为 E x ' ，y E，y '则y 有：
E x'yE 20eit， Ey'yE 20ei(t)
投影之和为： EEyE 20eit(ei1)
输 出 I E 光 2 E 0 2 s强 2 i 2 n I 0 s ： 2 in n 0 36V 3
图(4-22) I/I0-V曲线
（3）画出 I I0 曲V线的一部分以及光强调制的情形。为使工
E ( t) A c co c t s m f( sim tn c )
调频系数：m f /mkfA m /m
相位调制： E ( t) A cc o s (c t m c o sm tc )
频率调制和相位调制都是调总相角,写成统一形式：
E ( t) A c co c t m ss(im tn c )
x2 y2 z2 1 n12 n22 n32
激光原理本科期末考试试卷及答案
、班 姓 名 座 号
……封……………线……………密……………封……………线…………………
2.一两块球面镜组成的直腔, 腔长为L, 球面镜的曲率半径分别为R1和
R2, 写出其往返矩阵的表达式。
答:往返矩阵为:
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡-
⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡=120110112
01
1011
2
R L R L T
3. 什么是对成共焦腔,计算对成共焦腔g 参数.: 答: 对成共焦腔:R 1=R 2=L
对成共焦腔g 参数.:
0111=-
=R L g 012
2=-=R L g 021==g g g
4.画出声光调Q 激光器原理图, 说明声光调Q 基本原理.
答.电光晶体两端加一定电压, 使沿x 方向的偏振光通过电光晶体后, 沿
轴两方向偏振光的位相差为 , 电光晶体相当于1/4波片, 光束两次通
过电光晶体时, 偏振方向旋转90°, 偏振方向及偏振片检偏方向垂直, 光束无法通过检偏片, 腔内损耗高, 激光无法振荡;突然撤除电压后,
损耗迅速下降, 上能级反转粒子数迅速转化为激光脉冲输出.
四. 计算
题（36分） 题 号 一 二 三 四 合计
得 分
试计算连续功率均为1W 的两光源, 分别发射 ＝0.5000(m, =3000MHz 的光, 每秒从上能级跃迁到下能级的粒子数各为多少？ （8分）
解：若输出功率为P, 单位时间内从上能级向下能级跃迁的粒子数为n, 则：
由此可得:
其中 为普朗克常数, 为真空中光速。
c
P nh nh
νλ
==。
激光调制技术
入射光 声波 x 声波阵面 y
s
b.两种类型
光波平行于声波面(垂直于声场传播方向)入射
光 波 阵 面
衍 射 光
L
图3.2 超声行波在介质中的传播
Laser beam Modulation Technology
6
of
9
3.声光调制
2. 布拉格衍射（选择光的方向与波长） 当超声波频率较高 声光互作用长度L较长 光束与声波波面间以一定的角度斜入射 3. 声光调制应用：
电信号输入
驱动器
根据调制信号的类型，可分为： 连续的模拟调制和不连续的数字（脉冲编码）调制 特点：技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的
频率特性所限制
Laser beam Modulation Technology
8
ofLeabharlann 96.总结与展望◆激光是一种理想的用于传递信息（包括 语言、文字、图像、符号等）的光源
总
结
◆将信息加载于激光的过程即为调制
◆在不同的应用环境中，需采用不同的激光调制技术，由此延 伸出了多种激光调制技术
展
未来，激光器将向大功率、大电流、小型化、高集成方向发展 相应的，激光调制技术也应与时俱进，以提供更高精度、更稳定 的激光调制作用！！！
Laser beam Modulation Technology
n n n0
x
vs
a.物理基础
s
图3.1 超声行波在介质中的传播
Laser beam Modulation Technology
5
of
9
3.声光调制
按照声波频率的高低及声波和光波作用长度的不同，
分为拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射 1. 拉曼-奈斯衍射（多级衍射） 当超声波频率较低 声光互作用长度L较短
s
b.两种类型
光波平行于声波面(垂直于声场传播方向)入射
光 波 阵 面
衍 射 光
L
图3.2 超声行波在介质中的传播
Laser beam Modulation Technology
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3.声光调制
2. 布拉格衍射（选择光的方向与波长） 当超声波频率较高 声光互作用长度L较长 光束与声波波面间以一定的角度斜入射 3. 声光调制应用：
电信号输入
驱动器
根据调制信号的类型，可分为： 连续的模拟调制和不连续的数字（脉冲编码）调制 特点：技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的
频率特性所限制
Laser beam Modulation Technology
8
ofLeabharlann 96.总结与展望◆激光是一种理想的用于传递信息（包括 语言、文字、图像、符号等）的光源
总
结
◆将信息加载于激光的过程即为调制
◆在不同的应用环境中，需采用不同的激光调制技术，由此延 伸出了多种激光调制技术
展
未来，激光器将向大功率、大电流、小型化、高集成方向发展 相应的，激光调制技术也应与时俱进，以提供更高精度、更稳定 的激光调制作用！！！
Laser beam Modulation Technology
n n n0
x
vs
a.物理基础
s
图3.1 超声行波在介质中的传播
Laser beam Modulation Technology
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3.声光调制
按照声波频率的高低及声波和光波作用长度的不同，
分为拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射 1. 拉曼-奈斯衍射（多级衍射） 当超声波频率较低 声光互作用长度L较短
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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
15 of End
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
47 of End
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
29 of End
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
30 of End
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
16 of End
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
17 of End
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
44 of End
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
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2 电光调制与声光调制
电光调制器件 声光调制器件
9
of End
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。
10 of End
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
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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
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
15 of End
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
47 of End
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
29 of End
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
30 of End
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
16 of End
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
17 of End
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。
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1 调制的基本概念
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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
44 of End
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
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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
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2 电光调制与声光调制
电光调制器件 声光调制器件
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2 电光调制与声光调制
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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
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1 调制的基本概念
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激光调制的意义
“调节”与“控制”激光
外调制
激光调制
内调制
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外调制与内调制有啥不同？
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1 调制的基本概念
外调制与内调制
Electro-optic crystal V
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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。
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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