第26讲调Q激光器的基本理论--朱广志

1、激光原理与技术激光原理与技术第二十六讲第二十六讲调调Q激光器的基本理论激光器的基本理论226.1调调Q技术概述技术概述Q调调 技技术术是是将将一一般般输输出出的的连连续续或或脉脉冲冲激激光光能能量量压压缩缩到到宽宽度度极极窄窄的的脉脉冲冲中中发发射射，从从而而使使光光源源的的峰峰值值功功率率可可以以提提高高几几个个数数量量级级的的一一种种技技术术。激激光光有有着着单单色色性性好好，方方向向性性好好，高高亮亮度度的的特特点点：EPBS tS 提提高高激激光光的的功功率率，可可以以提提高高激激光光的的亮亮度度。 在在不不增增加加激激光光的的和和这这两两个个因因素素的的前前提提下下，提提高高激激光光

2、的的功功率率最最有有效效的的方方法法就就减减少少模模体体积积激激光光器器的的泵泵浦浦是是激激光光的的脉脉冲冲宽宽度度能能量量1/固固体体激激光光工工作作物物质质的的谱谱线线宽宽度度比比较较宽宽，由由可可知知，固固体体激激光光器器具具有有压压缩缩脉脉冲冲宽宽度度的的潜潜力力。326.1调调Q技术概述技术概述Q调调 技技术术的的应应用用举举例例：强强相相干干光光与与物物质质非非线线性性光光学学相相互互作作用用：需需要要高高功功率率、激激光光医医学学、激激光光窄窄脉脉宽宽激激加加工工光光光光源源。：提提激激光光高高测测测测距距、雷雷达达量量精精度度。22cLctLt 1150tmsLkm 1150t

3、sLm 1150tnsLmm 1150tpsLm 激激光光脉脉冲冲的的分分类类 300msc tkm 长长脉脉冲冲 mss 脉脉冲冲100 nsns 短短脉脉冲冲100 psfs 超超短短脉脉冲冲426.1调调Q技术概述技术概述一一、激激光光器器的的弛弛豫豫振振荡荡对对四四能能级级系系统统，速速率率方方程程可可以以写写为为：2()ptotcd nnWnnn cdtdn cSdt 1010thnntpumpn 时时刻刻时时刻刻：122thttnnn cpumpn cn 时时刻刻时时刻刻：23max3ththttpumpnnnnn 时时刻刻时时刻刻：受受激激辐辐射射当当时时534min4thnnn

4、 cttpumpn cnn 时时刻刻时时刻刻：45min5,ththpumpn cnttnnnn 时时刻刻时时刻刻：当当时时开开始始新新的的循循环环26.1调调Q技术概述技术概述626.1调调Q技术概述技术概述 增增加加泵泵浦浦功功率率只只能能减减少少尖尖峰峰的的间间隔隔，增增加加尖尖峰峰频频率率， 不不能能减减少少激激光光脉脉宽宽， 也也不不能能增增加加激激光光器器的的峰峰值值功功率率726.1调调Q技术概述技术概述Q二二、 值值的的定定义义Q品品质质因因数数 值值有有其其他他多多种种等等价价的的定定义义：0Q 谐谐振振腔腔内内存存储储的的能能量量单单位位时时间间内内损损耗耗的的能能量量00

5、2=22QT储储能能储储能能谐谐振振腔腔的的储储能能功功耗耗功功耗耗一一个个振振荡荡周周期期的的能能量量损损耗耗=2Q 谐谐振振腔腔中中光光场场能能够够存存在在的的周周期期数数0Q 谐谐振振中中心心频频率率半半功功率率点点频频宽宽c 为为腔腔内内光光子子寿寿命命；01c 00/2LLL cL c 为为腔腔内内光光子子单单位位时时间间内内的的损损耗耗率率；LL为为腔腔内内单单程程损损耗耗， 为为腔腔长长， 为为折折射射率率0c826.1调调Q技术概述技术概述Q三三、调调 原原理理通通常常的的激激光光器器谐谐振振腔腔的的损损耗耗是是不不变变的的，一一旦旦光光泵泵浦浦使使反反达达到到或或略略超超过过

6、阈阈值值激激光光器器便便转转开开粒粒子子数数时时，始始振振荡荡，上上能能级级的的粒粒子子 数数因因受受激激辐辐射射 于于是是激激光光，致致使使上上能能级级不不能能积积累累很很大大的的反反转转粒粒子子数数，只只能能被被限限制制在在阈阈值值反反转转粒粒而而减减少少子子数数附附近近。这这是是普普通通激激光光器器峰峰值值功功率率不不能能提提高高的的原原因因。要要使使上上能能级级积积累累大大量量的的粒粒子子，可可以以设设法法通通过过改改变变激激光光器器的的阈阈值值来来实实现现高高阈阈值值，抑抑制制激激光光振振荡荡的的产产生生，积积累累反反转转泵泵浦浦初初期期：粒粒子子数数；突突然然降降低低阈阈值值，上上

7、能能级级粒粒子子在在极极短短时时间间内内雪雪崩崩式式跃跃迁迁到到低低能能级级，将将能能量量释释放放出出来来，反反转转粒粒子子数数积积累累到到最最获获得得巨巨脉脉冲冲大大：激激光光输输出出。926.1调调Q技术概述技术概述由由阈阈值值条条件件可可知知：/ththcGnc 212112cthcnnncAQA Q要要改改变变激激光光器器的的阈阈值值，可可以以通通过过突突变变谐谐振振腔腔的的 值值 或或损损耗耗来来实实现现。QQ调调 技技术术是是通通过过某某种种方方法法使使腔腔内内 值值按按一一定定程程序序变变化化的的技技术术。QQ低低则则抑抑制制激激光光产产生生，使使粒粒子子在在上上能能级级积积累累

8、到到一一定定程程度度后后提提高高 值值，建建立立激激光光振振荡荡，形形成成巨巨脉脉冲冲输输出出。1026.1调调Q技术概述技术概述Qn 开开始始谐谐振振腔腔处处于于低低 值值状状态态，不不断断积积累累；0tQ时时， 值值突突然然升升高高，开开始始建建立立激激光光振振荡荡0DDttt 时时间间内内， 增增长长十十分分缓缓慢慢，后后， 才才开开始始雪雪崩崩式式地地快快速速增增长长；0DDttt为为脉脉冲冲建建立立时时间间tmnn 时时， = =fn 为为剩剩余余反反转转粒粒子子数数1126.1调调Q技术概述技术概述Q四四、实实现现调调 对对激激光光器器的的要要求求工工作作介介质质抗抗损损伤伤阈阈值

9、值要要高高。上上能能级级寿寿命命要要比比较较长长泵泵浦浦过过程程使使上上能能级级粒粒子子增增加加，在在没没有有产产生生受受激激辐辐射射的的情情况况下下，自自发发辐辐射射使使上上能能级级粒粒子子减减少少，当当两两者者平平衡衡时时就就是是上上能能级级能能够够积积累累的的最最大大粒粒子子数数。202pnn W 202pnn W 泵泵浦浦的的持持续续时时间间与与激激光光介介质质的的上上能能级级寿寿命命匹匹配配DQt谐谐振振腔腔的的 值值改改变变要要快快，一一般般应应小小于于谐谐振振腔腔建建立立激激光光振振荡荡的的时时间间 ，Q 如如果果 开开关关时时间间太太慢慢，会会使使脉脉冲冲变变宽宽，甚甚至至会会

10、产产生生 多多脉脉冲冲现现象象。1226.2调调Q速率方程速率方程1132222scd nnWn cn Adtdn cdt 三三能能级级系系统统的的速速率率方方程程003:scd nn Wn cnAdtdn cdt 四四能能级级系系统统的的速速率率方方程程因因为为粒粒子子受受到到外外界界激激励励在在能能级级间间跃跃迁迁过过程程中中，主主要要发发生生在在两两个个能能级级之之间间，因因此此可可以以从从二二能能级级系系统统模模型型取取代代实实际际的的三三能能级级和和四四能能级级系系统统。12222psd nnWn cn Adt c 为为谐谐振振腔腔单单位位时时间间损损耗耗2csdn cn Adt 1

11、326.2调调Q速率方程速率方程Q受受激激辐辐射射泵泵浦浦激激在在 值值突突变变过过程程中中励励自自发发辐辐射射，起起主主导导地地位位的的是是，和和过过程程的的影影响响可可以以忽忽略略不不激激光光器器参参数数计计，则则前前式式剧剧烈烈化化，变变简简化化为为： maxmin00tt 2cd nn cdtdn cdt 0tdnndt 当当时时，可可以以得得到到 0cn cctnc Q可可以以得得到到最最终终的的调调 速速率率方方程程为为：221(0)(0)()ctctitsd nndtndndtnnnnn A 很很小小的的值值1426.3 调调Q速率方程的求解速率方程的求解21ctctd nndt

12、ndndtn 112tndd nn 112tndd nn 0112intnndd nn 1ln2itinnnnn 积积分分后后可可以以得得到到: :Q分分析析 脉脉冲冲形形成成过过程程，可可以以得得到到：inn tnn m fnn 0 0 一一、方方程程求求解解15246810 12 14ninth0.1110100mnthmnthninth26.3 调调Q速率方程的求解速率方程的求解二二、峰峰值值光光子子数数密密度度1ln2itinnnnn tmnn 当当时时，有有1ln2tmittinnnnn 1D 将将上上式式在在点点级级数数展展开开， 211lnx12xx + + 214tmnD 1l

13、n2tiittnnnnn itnDn 定定义义为为超超阈阈度度，则则 1ln2tDDn 1626.3 调调Q速率方程的求解速率方程的求解1ln2itinnnnn 三三、峰峰值值功功率率mc可可以以近近似似认认为为，光光子子在在腔腔内内的的光光子子寿寿命命的的时时间间内内逸逸出出，mmchhP 而而每每个个光光子子能能量量为为，则则激激光光的的瞬瞬时时功功率率为为，则则有有：ln2tmittcinhPnnnn itnn 如如果果，则则上上式式可可以以化化简简为为2imcnPh 17123450.00.81.0ninthnfnthnfnthninth26.3 调调Q速率方程的求解

14、速率方程的求解fn 四四、剩剩余余反反转转粒粒子子数数1ln2itinnnnn ln=0fiftinnnnn lnffiitnnnnn expfifitnnnnn expffttnnnnDD ftDnn 60.015ftnDn 0fnn 1826.3 调调Q速率方程的求解速率方程的求解Q五五、 脉脉冲冲能能量量利利用用率率1234560.00.81.0ninthninthifinnnQ 代代表表调调 脉脉冲冲从从激激光光介介质质中中可可以以提提取取多多大大比比例例的的能能量量，称称为为单单脉脉冲冲能能量量利利用用率率，有有：111ififiththinnnnnnnniffii

15、nnneenn 1expD即即：1.50.5830.94DD 19ninth =10ninth =20ninth =30ninth =40ninth =500.010.020.030.040.050.06s5000010000015000020000025000026.3 调调Q速率方程的求解速率方程的求解Q六六、调调 脉脉冲冲的的时时间间特特性性：D 脉脉冲冲上上升升时时间间下下降降时时间间同同时时缩缩随随着着，和和，短短脉脉冲冲变变窄窄，上上升升时时间间迅迅速速缩缩短短下下上上升升沿沿变变降降沿沿变变化化更更大大，化化缓缓慢慢，c 因因为为下下降降沿沿时时间间主主要要取取决决于于光光子子的的自自由由衰衰减减寿寿命命，:1.6499827.38D前前沿沿变变窄窄 倍倍，后后沿沿变变窄窄当当倍倍2026.3 调调Q速率方程的求解速率方程的求解Q七七、调调 的的关关键键参参量量1itnDn 、超超阈阈度度：mmPDEt 01icttnndndtn 在在附附近近，要要获获得得高高的的超超阈阈度度，要要求求泵泵浦浦强强，损损耗耗低低。 0e