c4.6激光调Q技术

1、4.4 4.4 激光调制技术激光调制技术4.3 4.3 激光束的变换激光束的变换4.1 4.1 激光器输出的选模激光器输出的选模14.5 4.5 激光偏转技术激光偏转技术4.6 4.6 激光调激光调Q Q技术技术4.2 4.2 激光器的稳频激光器的稳频4.7 4.7 激光锁模技术激光锁模技术v一般脉冲激光器输出的脉冲都不是单一的光一般脉冲激光器输出的脉冲都不是单一的光滑脉冲，而是由如图所示的许多振幅、脉宽滑脉冲，而是由如图所示的许多振幅、脉宽（几微秒量级）和脉冲间隔作随机变化的小（几微秒量级）和脉冲间隔作随机变化的小尖峰脉冲组成，有时称为尖峰序列。尖峰脉冲组成，有时称为尖峰序列。调调Q技术的目

2、的：技术的目的：v 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。压缩脉冲宽度，提高峰值功率。一般固体脉冲激光器的输出特性：一般固体脉冲激光器的输出特性： 1. 输出的脉冲是系列尖峰振荡输出的脉冲是系列尖峰振荡 激光器在阈值附近工作。激光器在阈值附近工作。 2. 脉宽比较宽，输出功率低脉宽比较宽，输出功率低 如何改善脉冲性能如何改善脉冲性能? 调调Q技术是将一般输出的连续或脉冲激光能技术是将一般输出的连续或脉冲激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。峰值功率可提高几个数量级的一种技术。v调调Q技术可以产生脉宽为技术可以产生脉宽

3、为(10-710-9)秒量级、秒量级、峰值功率高达千兆瓦的巨脉冲；锁模技术则可产峰值功率高达千兆瓦的巨脉冲；锁模技术则可产生出生出(10-1210-15)秒量级的超短光脉冲，峰值功秒量级的超短光脉冲，峰值功率达到率达到T瓦量级。瓦量级。定义：定义：Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标指标-品质因数。品质因数。 每振荡周期损耗的能量谐振腔内储存的能量2Q光强光强I I0 0在谐振腔传播在谐振腔传播z z距离后会减弱为距离后会减弱为 00exp()expa cIIa zIt总总上上式可以改写为光子数密度的形式式可以改写为光子数密度的形式 00( )expe

4、xpca ctN tNtN总chtNtI0)()(由于cac总表示在腔中的光子平均寿命表示在腔中的光子平均寿命 体积为体积为V的腔内存储的能量为：的腔内存储的能量为： 0)( VhtNW 每振荡周期损耗的能量为：每振荡周期损耗的能量为： caVhtNWPc总)(0品质因子与谐振腔的单程总损耗的关系为品质因子与谐振腔的单程总损耗的关系为 总aPWQ22谐振腔的损耗越大，谐振腔的损耗越大，Q值越小；损耗越小，值越小；损耗越小，Q值越高。值越高。v调调Q的原理的原理: 采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时（采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时（激光上能级积累的反转粒子数不多）处于高损耗低激光上能级积累的反转

5、粒子数不多）处于高损耗低Q值状态，此时激光振荡的阈值很高，抑制激光振荡的值状态，此时激光振荡的阈值很高，抑制激光振荡的产生。在这种情况下，由于泵浦的激励，激光上能级产生。在这种情况下，由于泵浦的激励，激光上能级将不断地积累粒子数。当反转粒子数达到最大值时，将不断地积累粒子数。当反转粒子数达到最大值时，突然使腔的突然使腔的Q值增大，降低激光器的阈值值增大，降低激光器的阈值 。此时亚稳。此时亚稳态上的粒子的能量很快转换为光子能量，光子像雪崩态上的粒子的能量很快转换为光子能量，光子像雪崩一样以极高的速率增长，输出峰值功率高、宽度窄的一样以极高的速率增长，输出峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。激光巨脉冲

6、。v调调Q方法方法: 控制不同类型的损耗，就形成了不同的调控制不同类型的损耗，就形成了不同的调Q技术技术 总aPWQ22控制反射损耗控制反射损耗 -电光调电光调Q技术技术控制吸收损耗控制吸收损耗 -可饱和吸收染料调可饱和吸收染料调Q技术技术 控制衍射损耗控制衍射损耗 -声光调声光调Q技术技术 v 激光腔中插入起偏振片及作为激光腔中插入起偏振片及作为Q开关的开关的KD*P晶体。晶体。v 原理原理:晶体在晶体在z轴方向加电压后，产生感应双折射，进入晶体的轴方向加电压后，产生感应双折射，进入晶体的x方向振动的线偏振光分解为方向振动的线偏振光分解为x和和y振动的二线偏振光。振动的二线偏振光。v 加有半

7、波电压时，损耗非常大，加有半波电压时，损耗非常大，Q值很低；去掉半波电压时，值很低；去掉半波电压时，损耗小，损耗小，Q值很大，输出一个激光巨脉冲。值很大，输出一个激光巨脉冲。v KD*P晶体对晶体对1.06 m光的半波电压约为光的半波电压约为4000 V。图4-27 电光调Q装置示意图2xyVEE与相位相差往返一次两者相位相差电光调电光调Q工作原理：工作原理：激光介质激光介质 激光激光全反镜全反镜输出镜输出镜起偏镜起偏镜检偏镜检偏镜电光器件电光器件激光介质激光介质全反镜全反镜输出镜输出镜起偏镜起偏镜检偏镜检偏镜电光器件电光器件+-1、Q开关开启开关开启2、Q开关关闭开关关闭v 图图4-28是一

8、个声光调是一个声光调Q的的YAG激光器的示意图。腔内激光器的示意图。腔内插入的声光调插入的声光调Q器件由声光器件由声光互作用介质互作用介质(如熔融石英如熔融石英)和键和键合于其上的超声波发生器所构成的。合于其上的超声波发生器所构成的。v 原理原理: 当光通过介质中的超声场当光通过介质中的超声场时，由于衍射造成光的偏折偏离时，由于衍射造成光的偏折偏离腔轴，此时损耗大，腔轴，此时损耗大，Q值小。一定时间后，撤去超声场，光束不值小。一定时间后，撤去超声场，光束不发生偏折，发生偏折，Q值升高。值升高。v 声光调声光调Q与电光调与电光调Q相比，后者电压较高相比，后者电压较高(103104V)，前者电压较

9、，前者电压较低低(102V)。声光调。声光调Q技术是应用较广泛的一种技术。技术是应用较广泛的一种技术。图4-28 声光调Q装置示意图声光调声光调Q工作原理工作原理激光介质激光介质声光器件声光器件全反镜全反镜输出镜输出镜激光介质激光介质声光器件声光器件 激光激光全反镜全反镜输出镜输出镜1、Q开关开启开关开启2、Q开关关闭开关关闭染料的可饱和吸收系数染料的可饱和吸收系数sII10 0是光强很小时的吸收系数；是光强很小时的吸收系数；Is 为染料的饱和吸收光强为染料的饱和吸收光强(与染料种类及浓度有关与染料种类及浓度有关)（1）染料吸收特性）染料吸收特性光强很小时，吸收系数很大，光强很小时，吸收系数很

10、大，I = 0 时时, = 0光强很大时，吸收系数很小，光强很大时，吸收系数很小，I Is 时时, = 0开始泵浦开始泵浦 腔内荧光弱腔内荧光弱 吸收系数大吸收系数大 Q 值低值低 不能形成激光不能形成激光继续泵浦继续泵浦 腔内荧光变强腔内荧光变强 吸收系数变小吸收系数变小 荧光荧光达到一定值时，吸收系数饱和达到一定值时，吸收系数饱和 染料被漂白染料被漂白 Q值值突增，形成激光脉冲突增，形成激光脉冲 泵浦结束泵浦结束激光介质激光介质染料盒染料盒 激光激光全反全反镜镜输出镜输出镜氙灯氙灯（2）染料调）染料调Q原理原理（3）对染料的要求）对染料的要求吸收体是染料吸收体是染料Q开关的核心，它对调开关的核心，它对调Q的效果影响的效果影响最大，因此合理的选择染料很重要。最大，因此合理的选择染料很重要。染料需满足下面条件：染料需满足下面条件： （1）吸收体的吸收峰和激光器的中心波长对应；）吸收体的吸收峰和激光器的中心波长对应； （2）染料溶液要具有一定