Q调技术-激光原理-课件-北京工业大学-09解析.ppt

第九章Q调技术 1调Q原理 一 弛豫振荡现象 普通脉冲激光器输出波形由一系列不规则的尖峰脉冲组成 1 现象 2 解释 泵浦使激光器达到阈值 产生激光 反转粒子数减少至低于阈值 激光熄灭 3 特点 2 加大泵浦能量 只是增加尖峰的个数 不能增加峰值功率 1 峰值功率不高 只在阈值附近 4 原因 激光器的阈值始终保持不变 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 三 工作原理 2 阈值反转粒子数 1 t 0 n t 2 t 0 nt n t nt 1 腔损耗 1 t 0 Q开关打开前 2 t 0 Q开关打开后 3 泵浦速率 1 t 0 W大 2 t 0 W小 4 反转粒子数 n 1 t 0 n增大 t 0时为 n n0 2 t 0 n减小 t tp时为 n nt nt n0 n t 5 腔内光子数密度 1 0 nt而增强 2 t tp 因 n nt而减弱 3 t tp时 达最大 m 3 t 0 振荡结束时残余反转粒子数为 n nf 四 调Q激光器速率方程 三能级 固体 均匀加宽 1 非调Q 2 调Q 忽略泵浦与自发辐射 w13 0 A21 0 证 nt为 达最大时 即时的 n 令 由和w13 0可得 S32 0 五 腔内光子数密度 证 由和消t 当 n nt时光子数密度达最大值 六 最大光子数密度 七 峰值功率 1 计算公式 Pm h 0 mvST v 腔内光速 S 腔截面积 T 输出镜透过率 2 提高Pm的措施 1 提高Q开关打开前 后的腔损耗之比 越大 则也可以越大 2 提高泵浦功率 使达到水平 八 脉冲能量 每产生一个光子 消耗 个反转粒子数 九 能量利用率 1 定义 E0 储能 储藏在工作物质中能转变为激光的初始能量 Ef 剩余能 巨脉冲结束后工作物质中的剩余能量 通过自发辐射消耗掉 2 计算公式 证 光子数密度 0时 n达到 nf 令 3 计算曲线 十 脉冲的时间特性 1 脉冲宽度定义 tr 上升时间 光子数密度由 m 2升至 m所用时间 te 下降时间 光子数密度由 m降至 m 2所用时间 2 脉冲宽度计算方法 nr ne 分别为光子数密度升 降至 m 2时所对应的反转粒子数密度 c Q开关打开后的腔寿命 tp 光子数密度达到 m的时刻 相应反转粒子数密度为 nt 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 证 3 脉冲宽度的特点 1 增大 脉冲的前 后沿均减小 其中前沿比后沿减小的更显著 2 脉宽与调Q时的腔寿命成正比 故腔长不宜太长 损耗也不宜太小 3 最小脉宽为光在腔内往返一周所用时间 例1某气体激光器Q开关打开后 阈值反转粒子数及初始与阈值反转粒子数比分别为 nt 1022m 3 n0 nt 3 求 m 解 例2为使调Q激光器的能量利用率达到90 求反转粒子数比参数 n0 nt 解 例3求腔长1 5m的调Q激光器所能获得的最小脉宽 解 例4 红宝石调Q激光器输出镜反射率为r1 0 96 另一镜反射率在r2 0 1到r2 1之间变化 红宝石棒与腔长同为L 20cm 截面积S 10mm2 红宝石发射截面S21 2 5 10 24m2 设Q开关在反转粒子数达到r2低反射率所对应的阈值时开启 求 m及Pm 光波长 6943 折射率n 1 76 解 一 工作原理 1 Q开关开启 2 Q开关关闭 2转镜调Q激光器 二 装置 三 延迟时间 泵浦开始至形成高Q所用时间 镜架旋转角速度 1 定义 2 大小 延迟角 磁头方向与腔轴线夹角 四 开关时间 满足阈值条件产生激光至棱镜法线与腔轴线重合所用时间 1 定义 3 大小 开关角 能满足产生激光阈值条件时的镜面法线与腔轴线间所允许的最大偏离角 2 意义 开关时间越短 产生的激光脉宽越短 峰值功率越大 4 开关角计算公式 1 棱镜倾斜 所引起的单程损耗率 设光在腔内往返m次后逸出 棱镜倾斜引起的腔寿命 单程损耗率 L 8 棱镜长度d越小 开关角越小 腔长L越长 开关角越小 2 激光振荡阈值条件 其它损耗率 G 增益系数l 工作介质长度 3 开关角 即棱镜倾斜角 五 加速装置 1 折叠腔 光束两次通过棱镜 棱镜转过 角 光束转过4 1 二倍加速 2 棱镜加速 DBC 90 2 ABC 45 DBA DBC ABC 90 2 45 45 3 ABC 45 45 3 4 棱镜转过 角 光束转过4 2 四倍加速 六 优缺点 1 无插入损耗 不存在光损伤 可用于能量较大的脉冲激光器中 2 高转速的磨损 影响使用寿命 脉宽的进一步缩短受限制 一 电光效应 沿电光晶体的某一特定方向加直流电场后 在光轴方向上产生双折射现象 即入射线偏振光将分解为两个偏振方向正交的本征偏振光 1 纵向电光效应 电场方向与光传播方向一致 2 横向电光效应 电场方向与光传播方向垂直 3电光调Q激光器 1 定义 2 类型 加电场后两个正交的本征偏振光折射率之差 4 相移 入射线偏振光通过晶体后两本征模产生的相位差 3 折射率差 no 晶体o光主折射率 晶体有效电光系数 E 直流电场强度 L 晶体沿通光方向长度 真空中光波长 5 半波电压 使相移等于 所须电压 纵向电光效应 横向电光效应 H 晶体沿电场方向的长度 证 令 对于纵向L H 6 电光晶体的作用 若 45 则入 出射线偏振光方向互相垂直 1 加 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 2 加 相当于四分之一波片 使入射线偏振光变为椭圆偏振光 若 45 则出射椭圆偏振光变为圆偏振光 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x y 2 铌酸锂 LN 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 1 磷酸氢钾 KDP 7 常用电光晶体工作模式 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 例 计算KDP晶体纵向电光效应的半波电压 使用He Ne激光 0 6328 m no 1 51 ne 1 47 10 6 10 12m v 解 例 计算LN晶体横向电光效应的半波电压 使用He Ne激光 0 6328 m no 2 29 ne 2 16 3 4 10 12m v 晶体的宽度与长度之比为 解 二 电光调Q工作原理 1 Q开关开启 2 Q开关关闭 三 电光调Q激光器装置 1 带偏振器的KDP电光调Q激光器 2 双45 LN电光调Q激光器 1 不加电压 Q开关打开 a 入射o光 b 入射e光 nesin45 nosin 2 沿x方向加电压U Q开关关闭 a 入射o光 b 入射e光 nesin45 nosin nosin45 nesin 4声光调Q激光器 一 声光效应 1 定义 2 类型 介质中有超声波时 其折射率产生一分布 相当于位相光栅 对入射激光产生衍射作用的现象 衍射光的偏振方向与入射光相同 因而折射率也相同 一般由超声纵波引起 1 正常声光效应 2 反常声光效应 衍射光的偏振方向与入射光不同 因而折射率也不同 一般由超声切变波引起 二 声光器件 1 结构 1 声光晶体 实现声光互作用 钼酸铅 PM 正常器件 氧化碲 TeO2 反常器件 2 压电换能晶片 铌酸锂 LN Y36 切激发纵波 X切激发切变波 利用反压电效应将驱动电信号转变为超声波 2 分类 1 按声光互作用长度分类 声光互作用区域短 相当于平面光栅 对入射光方向要求不严格 能产生多级衍射光 a 喇曼 奈斯声光器件 b 布拉格声光器件 声光互作用区域长 相当于体光栅 对入射光方向要求严格 只有一级衍射光 2 按用途分类 a 声光偏转器 正常布拉格器件 偏转角 光在真空中的波长 f 声频率 即驱动换能器的电信号频率 V 声速 ki kd 入射 衍射光波矢 K 声波矢 b 声光调制器 正常布拉格器件 衍射效率 Pa 声功率 与驱动电功率成正比 M2 声光优值 反映晶体声光效应强弱的参数 L H 换能器长 宽度 三 声光调Q工作原理 1 Q开关开启 2 Q开关关闭 5染料调Q激光器 一 染料的可饱和吸收系数 0 光强很小时的吸收系数 I s 染料的吸收饱和光强参数 与染料种类及浓度有关 二 染料吸收特性 光强很小时 吸收系数很大 I 0时 0 光强很大时 吸收系数很小 I Is时 0 三 染料调Q激光器 1 开始泵浦 腔内荧光弱 吸收系数大 Q值低 不能形成激光 2 继续泵浦 腔内荧光变强 吸收系数变小 荧光达到一定值时 吸收