长春理工大学激光器件与技术第二章-1讲

第2章调Q（Q开关）技术,2.1绪论,一、需求背景：高峰值功率推进非线性光学的发展；窄脉宽激光测距、激光雷达等应用的发展。二、调Q技术的目的：压缩脉冲宽度，提高峰值功率。,2.1绪论,一.普通脉冲固体激光器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)峰值功率不高，只在阈值附近(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率输出特性：振幅、脉宽和脉冲间隔随机变化的尖峰。,2.1绪论,弛豫振荡现象,(t1t2)激光开始振荡时，n=nth，=0。持续泵浦下，n增加，也增加，的增长使n减小的速率小于泵浦使n增加的速率，因此n一直增加到最大值；(t2t3)n达到最大值后开始下降，但仍大于nth，因此继续增长，直至最大值；(t3t4)nnth，受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间内转变为受激辐射场的能量，因此产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。,调Q激光脉冲的建立过程：,2.1绪论,，振荡刚开始建立，光子数增长十分缓慢，受激发射几率很小，自发辐射占优势。，雪崩过程开始形成，迅速增长，受激辐射迅速超过自发辐射而占优势。光子数的迅速增长使n迅速减少。，光子数达到最大值后由于而迅速减少。,图2.1-4从开始振荡到巨脉冲的形成过程,调Q脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数的时刻！,i,2.1绪论,图-连续泵浦高重复频率调Q过程,2.1绪论,改变谐振腔的损耗，可以使Q值发生变化。谐振腔的损耗一般包括反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q技术：控制反射损耗机械转镜调Q、电光调Q控制衍射损耗声光调Q控制吸收损耗可饱和吸收染料调Q,调Q方式：,2.1绪论,对于激光介质，要求：抗损伤阈值要高；上能级有较长的寿命，利于储能；光泵速率要快于激光上能级的自发辐射速率，即泵浦的持续时间必须小于激光介质的上能级寿命；谐振腔的Q值改变要快，太慢会使脉宽变宽，甚至会产生多脉冲现象。,实现调Q对激光器的要求：,绪论小结,试列举出3个调Q技术的应用。什么是驰豫振荡现象？说明利用调Q技术获得高峰值功率巨脉冲的原理，并简单说明调Q脉冲形成过程中个参量随时间的变化。试根据下图所示的泵浦速率和腔损耗情况画出相应的腔内光子数变化和上能级粒子数的变化情况。实现调Q对激光器的要求是什么？,2.2调Q激光器的基本理论,一.调Q的速率方程调Q脉冲形成过程以及各种参量对激光脉冲的影响，可以采用速率方程来进行分析。在脉冲输出的瞬态过程中起主导作用的是受激辐射，因此可以忽略自发辐射和泵浦速率的影响。所以下述分析中基于三条假设：(1)Q开关“打开”前后均不考虑自发辐射；(2)Q开关“打开”后忽略泵浦作用；(3)腔内损耗按阶跃式突变处理。,2.2调Q激光器的基本理论,因为激光上、下能级之间的粒子数反转能够集中体现粒子能级跃迁的主要过程。所以为了便于分析，可将工作物质简化为二能级系统，即工作物质无论是三能级系统还是四能级系统，均简化为只有激光上、下两个能级的二能级系统。,(1),(2),(3),(4),2.2调Q激光器的基本理论,式中，n为粒子反转数密度；为腔内光子数密度；A为自发辐射几率；g为腔内自发辐射波型数。为腔内损耗。式(6)中，右边第一项表示因受激辐射导致光子数的增加，第二项表示因各种损耗导致光子数的减少。,基于以上几条假设，Q开关打开后，反转粒子数密度和腔内光子数密度随时间变化的方程为：,(5),(6),2.2调Q激光器的基本理论,令(6)式为0(腔的增益等于损耗的阈值条件)，可求得稳态振荡时，阈值反转粒子数nt为：将(8)式分别代入(5)、(6)两式，即可得到调Q激光振荡的速率方程为：,(7),(8),(9),(10),2.2调Q激光器的基本理论,二、速率方程的求解假定腔内损耗在时间上有一突变，阶跃函数表示为：对t=0以前的过程由初始反转粒子数密度这个初始条件表示，故对的积累过程可不涉及，可只考虑t=0以后的变化过程。,2.2调Q激光器的基本理论,在t=0时刻，n到达最大值ni，而受激发射光子数为0，即=i=0。随后，开始增加，到tD时雪崩过程形成，急剧增长，n也开始剧减，这一过程一直持续到tp时刻，这时n=nt，腔内光子数达到极大值m。,图2.1-4从开始振荡到巨脉冲的形成过程,(11),i,2.2调Q激光器的基本理论,将式(11)进行积分，积分后得出：利用泰勒级数展开后，得到近似式：提高初始反转粒子数ni与阈值反转粒子数nt之比，有利于腔内最大光子数m的提高。,(12),(13),(14),2.2调Q激光器的基本理论,调Q脉冲的峰值功率：,可以近似认为光子在腔内的寿命tc内逸出，每个光子的能量为hv，则激光的瞬时功率为：将式(13)代入到式(15)，可得：当n=nt时，输出功率达到极大值，即峰值功率为当nint时(高Q值下)，可近似得到：,(15),(16),(17),(18),2.2调Q激光器的基本理论,调Q脉冲的能量及能量利用率：,激光脉冲的能量是由消耗反转粒子数的受激辐射过程提供的，若以光子数从极大值m下降到f的时刻作为脉冲结束，则f对应的反转粒子数为nf。因此，调Q脉冲的总能量为：式中，V为激活介质的体积，nf为激光振荡终止时的反转粒子数密度。通常情况下，ninf，所以调Q脉冲的能量随参数ni的变大而线性增加。,(19),2.2调Q激光器的基本理论,将式(12)的积分上限换成f，则有积分后得到由于激光振荡终止时，受激辐射光子数为0，所以有,(20),(21),(22),2.2调Q激光器的基本理论,由于剩余反转粒子数nf在巨脉冲结束后，就以荧光形式消散掉了，也就是说它对巨脉冲的产生是没有贡献的。因此，可以用式(23)表示调Q脉冲可以从介质中提取能量的效率，称为单脉冲的能量利用率。当ni/nt3时，90%，也就是说为了获得90%以上的能量提取效率，需要ni/nt3。,(23),=（ni-nf）/ni,nf/ni,ni/nt,2.2调Q激光器的基本理论,调Q脉冲的时间特性：,由式(9)可得再将式(13)代入到式(24)后，进行积分，得到激光器输出脉冲的宽度为：t仅指激光脉冲的宽度这一段时间，所以在该段时间内，初始光子数密度0可以忽略，于是式(25)变为：,(24),(25),(26),调Q激光器的基本理论小结,有一红宝石阶跃式调Q激光器，棒