长春理工大学激光器件与技术第二章-1讲

1、长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 1第第2章章调调Q（Q开关）技术开关）技术长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 2第二章 调Q技术2.1 绪论绪论一、需求背景：一、需求背景：二、调二、调Q技术的目的：技术的目的：长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 3第二章 调Q技术2.1 绪论绪论一一. 普通脉冲固体激光器普通脉冲固体激光器 长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 4第二章 调Q技术2.1 绪论绪论弛豫振荡现象弛豫振荡现象长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学

2、与技术系Page: 5第二章 调Q技术2.1 绪论绪论二二. 调调Q的基本原理的基本原理 长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 6第二章 调Q技术2.1 绪论绪论2112tccgnAQv02Qv腔内存储的能量每秒损耗的能量002=2/()WnLQvWcnL其中g是模式数目，A21是自发辐射几率，c是光子寿命，Q值是谐振腔的品质因数，定义为： 还可表示为： 改变阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。改变阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。 激光器振荡的阈值条件：v0：激光中心频率；W：腔内存储能量；：光在腔内的单程损耗率；L：激光器腔长；0：真空中激光波长

3、。 (1)(2)(3)(4)长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 7第二章 调Q技术2.1 绪论绪论 002=2/()WnLQvWcnL调调Q技术：技术： (4)长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 8第二章 调Q技术2.1 绪论绪论调调Q激光脉冲的建立过程：激光脉冲的建立过程：长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 9第二章 调Q技术2.1 绪论绪论 ，振荡刚开始建立，光子数，振荡刚开始建立，光子数增长十分缓慢，受激发射几率很增长十分缓慢，受激发射几率很小，自发辐射占优势。小，自发辐射占优势。 ， ，雪崩

4、过程开，雪崩过程开始形成，始形成，迅速增长，受激辐射迅迅速增长，受激辐射迅速超过自发辐射而占优势。光子数速超过自发辐射而占优势。光子数的迅速增长使的迅速增长使n n迅速减少。迅速减少。 ， ，光子数，光子数达达到最大值后由于到最大值后由于 而迅速减而迅速减少。少。图图2.1-4 从开始振荡到巨脉冲的形成过程从开始振荡到巨脉冲的形成过程0tt Dtt 0DPtt tnntnn调调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！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长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 10第二章 调Q技术2.1 绪论绪论图图

5、-连续泵浦高重复频率调连续泵浦高重复频率调Q过程过程长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 11第二章 调Q技术2.1 绪论绪论调调Q方式：方式：长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 12第二章 调Q技术2.1 绪论绪论实现调实现调Q对激光器的要求：对激光器的要求： 长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 13第二章 调Q技术绪论绪论 小结小结 试列举出试列举出3个调个调Q技术的应用。技术的应用。 什么是驰豫振荡现象？什么是驰豫振荡现象？ 说明利用调说明利用调Q技术获得高峰值功率巨脉冲的原理，并简单说技术获得

6、高峰值功率巨脉冲的原理，并简单说明调明调Q脉冲形成过程中个参量随时间的变化。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。子数变化和上能级粒子数的变化情况。 实现调实现调Q对激光器的要求是什么？对激光器的要求是什么？长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 14第二章 调Q技术2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论一一. 调调Q的速率方程的速率方程长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 15第二章 调Q技术

7、2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论A2ngAn2W2ndtnd2131gAndtdAngAnWndtnd3141gAndtd(1)(2)(3)(4)长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 16第二章 调Q技术2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论 式中，式中， n为粒子反转数密度；为粒子反转数密度； 为腔内光子数密度；为腔内光子数密度； A为自发为自发辐射几率；辐射几率；g为腔内自发辐射波型数。为腔内自发辐射波型数。 为腔内损耗。为腔内损耗。 式式(6)中，右边第一项表示因受激辐射导致光子数的增加，第二项中，右边第一项表示因受激辐射导致光子数的增

8、加，第二项表示因各种损耗导致光子数的减少。表示因各种损耗导致光子数的减少。 基于以上几条假设，基于以上几条假设，Q开关打开后，反转粒子数密度和腔开关打开后，反转粒子数密度和腔内光子数密度随时间变化的方程为：内光子数密度随时间变化的方程为： (5)(6)gAn2dtndgAndtd长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 17第二章 调Q技术2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论 令令(6)式为式为0 (腔的增益等于损耗的阈值条件腔的增益等于损耗的阈值条件)，可求得稳态，可求得稳态振荡时，阈值反转粒子数振荡时，阈值反转粒子数nt为：为： 将将(8)式分别代入式分

9、别代入(5)、(6)两式，即可得到调两式，即可得到调Q激光振荡的激光振荡的速率方程为：速率方程为：gAnt(7)tngA(8)tnn2dtnd(9)1tnndtd(10)长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 18第二章 调Q技术2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论二、速率方程的求解二、速率方程的求解 假定腔内损耗在时间上有一突变，阶跃函假定腔内损耗在时间上有一突变，阶跃函数表示为：数表示为： 对对t=0以前的过程由初始反转粒子数密度以前的过程由初始反转粒子数密度 这个初始条件表示，故对这个初始条件表示，故对 的积累过程的积累过程可不涉及，可只考虑可不涉及

10、，可只考虑t=0以后的变化过程。以后的变化过程。inin长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 19第二章 调Q技术2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论 在在t=0时刻，时刻，n到达最大值到达最大值ni，而受激，而受激发射光子数为发射光子数为0，即，即=i=0。随后，。随后，开始开始增加，到增加，到tD时雪崩过程形成，时雪崩过程形成，急剧增长，急剧增长，n也开始剧减，这一过程一直持续到也开始剧减，这一过程一直持续到tp时刻，这时刻，这时时n= nt，腔内光子数达到极大值，腔内光子数达到极大值m。1211nnnn2nndtnddtdnddttt图图2.1-4

11、 从开始振荡到巨脉冲的形成过程从开始振荡到巨脉冲的形成过程(11)i长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 20第二章 调Q技术2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论将式将式(11)进行积分，进行积分， 积分后得出：积分后得出：利用泰勒级数展开后，得到近似式：利用泰勒级数展开后，得到近似式：提高初始反转粒子数提高初始反转粒子数n ni i与阈值反转与阈值反转粒子数粒子数n nt t之比，有利于腔内最大光之比，有利于腔内最大光子数子数m m的提高。的提高。ndnndtimnnt1210(12)itttimnnnnnln21(13)214titmnnn(14)长

12、春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 21第二章 调Q技术2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论调调Q脉冲的峰值功率：脉冲的峰值功率： cthvP(15)ittticnnnnnthvPln2(16)iticnnnnnthvPln2(17)hvtnPci21(18)长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 22第二章 调Q技术2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论调调Q脉冲的能量及能量利用率：脉冲的能量及能量利用率： hvVnnEfi21(19)长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 23第二章 调

13、Q技术2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论ndnndfifnnt1210iftfifnnnnnln21tififnnnnnexp(20)(21)1expiffiifnnnnnn(22)ndnndtimnnt1210长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 24第二章 调Q技术2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论 由于剩余反转粒子数由于剩余反转粒子数nf在巨在巨脉冲结束后，就以荧光形式消散掉脉冲结束后，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，可以用式没有贡献的。因此，可以用式(23)表示调表示调

14、Q脉冲可以从介质中提取能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量的效率，称为单脉冲的能量利用率。率。 当当n ni i/ /n nt t33时，时，90%90%，也就是说为了获得也就是说为了获得90%90%以上的能量以上的能量提取效率，需要提取效率，需要n ni i/ /n nt t33。 ifinnn(23) =（ni -nf ）/ninf /nini /nt长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 25第二章 调Q技术2.2 调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论调调Q脉冲的时间特性：脉冲的时间特性： tnn2dtnd由式由式(9) 可得可得 再将式再将式(13) 代入到式代入到式(24)后，进行积分，得到激光器输出脉冲的宽度为：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，于是式可以忽略，于是式(25)变为：变为： ndn2ndtt(24)nnittitinnnnnnnnndt/0/ln212(25)nnittiinnnnnnnndtln(26)长春理工大学电子科学与技术系长春理工大学电子科学与技术系Page: 26第二章 调Q技术调调Q激光器的基本理论激光器的基本理