第27讲 调Q激光器

1、激光原理与技术激光原理与技术第二十七讲第二十七讲调调Q激光器激光器227.1电光调电光调Q方法方法Q在在激激光光谐谐振振腔腔内内，利利用用电电光光调调制制器器作作为为 开开关关。Qns电电光光 开开关关时时间间在在量量级级。Q调调 时时间间可可以以精精确确控控制制。PRMQ一一、式式电电光光调调1/ 2 、波波片片式式12/ / /XPPY 加加压压式式12/ /PPX 退退压压式式/290 oEOxiyVEEVQn , , 值值低低，光光路路断断120 PPREVOQT ， 值值光光高高，路路通通120 , PPiREOTVQn 光光路路, , 值值低低，断断/290 ,oEOxyVVQEE

2、 光光路路通通， 值值高高，327.1电光调电光调Q方法方法2/ 4 起起偏偏与与检检偏偏、波波片片式式：合合二二为为一一/4VV 退退压压式式/2/2EOEOxyEPTPE 0,iTQn光光路路断断, , 值值低低，0V 00EOEOxxEPTPE 100%,TQ 光光路路导导通通， 值值高高，10100QQQnsPRM 上上述述方方法法称称为为方方式式调调 ，在在建建立立脉脉冲冲过过程程中中边边振振荡荡输输，出出，脉脉冲冲宽宽度度。/ 4/ 4QQ怎怎么么将将波波片片退退压压式式调调 变变成成波波片片加加压压思思题题：式式调调考考？427.1电光调电光调Q方法方法527.1电光调电光调Q方

3、法方法二二、偏偏振振器器件件627.1电光调电光调Q方法方法PTMQ三三、式式电电光光调调由由两两个个全全反反镜镜组组成成谐谐振振腔腔:10V max/2,2:nnVV in，不不能能振振荡荡11PMK Q 脉脉冲冲建建立立，没没有有输输出出损损耗耗，。,3:0mV 巨巨脉脉冲冲输输出出2PTMLtc12PPQ 思思考考：光光路路及及调调 过过程程如如何何？1/ 2 、波波片片式式 1PxKEP 波 0EOxEP 波 2PxEP 波A， 11PxMKEP 波波 EOyES 波波22PM EOxEP 波波 22PyESM 波波 1PxKEP 波波 0EOxEP 波波 2PxEP 波波A727.1

4、电光调电光调Q方法方法2/ 4 、波波片片式式：/41:VV 02: V /43:VV 1PxMKEP 波波 /2EO 圆圆偏偏振振光光 2M 圆圆偏偏振振光光 /2EOyESA 波波，,0,iP Tn不不能能通通过过激激光光不不能能振振荡荡， 1PxMKEP 波波 0EOxEP 波波 2MxEP 波波 0EOxEP 波波1PM ，Q 脉脉冲冲建建立立，没没有有输输出出损损耗耗，。 1PxMKEP 波波 /2EO 圆圆偏偏振振光光 2M 圆圆偏偏振振光光 /2EOyES 波波A，2PTMLtc巨巨脉脉冲冲输输出出，827.1电光调电光调Q方法方法Q四四、设设计计电电光光调调 激激光光器器要要考

5、考虑虑的的问问题题调调制制晶晶体体消消光光比比高高，调调制制器器的的电电极极结结构构要要形形成成均均匀匀电电场场纵纵向向运运用用用用环环形形电电极极，横横向向运运用用用用平平板板电电极极。对对工工作作物物质质的的要要求求上上能能级级寿寿命命长长，抗抗激激光光破破坏坏阈阈值值高高。对对泵泵浦浦源源的的要要求求泵泵浦浦光光的的脉脉宽宽和和工工作作物物质质的的上上能能级级寿寿命命要要匹匹配配。Q对对 开开关关控控制制电电路路的的要要求求开开关关速速度度要要快快，控控制制要要精精确确。透透过过率率高高， 半半波波电电压压低低，抗抗激激光光破破坏坏阈阈值值高高。晶晶体体潮潮解解问问题题927.2 声光调

6、声光调Q方法方法一一、机机理理Q在在激激光光谐谐振振腔腔内内，利利用用声声光光调调制制器器作作为为 开开关关。10声声光光调调制制器器的的 级级光光为为腔腔内内损损耗耗，级级光光为为激激光光振振荡荡。sBraggG 单单程程声声光光调调制制器器件件采采用用行行波波场场，衍衍射射，要要求求Q声声光光调调 多多用用于于增增益益较较低低的的连连续续激激光光器器。Q思思考考题题：为为什什么么声声光光调调 中中，声声光光调调制制器器件件要要采采用用行行波波场场？1027.2 声光调声光调Q方法方法Q二二、调调 过过程程声声光光调调制制器器调调制制信信号号为为211sf 2mBBraggnf 在在如如上上

7、图图所所示示的的的的驱驱动动下下，轴轴向向光光线线受受衍衍射射作作用用，以以角角度度被被衍衍射射出出谐谐调调制制信信号号振振腔腔外外， 0siGQPumpnn 单单程程，。ssQfBraggf ，在在下下，消消除除了了衍衍射射，巨巨脉脉冲冲以以调调激激光光振振制制的的重重复复荡荡建建立立，率率输输出出。1127.2 声光调声光调Q方法方法1227.2 声光调声光调Q方法方法Q三三、声声光光调调 激激光光器器输输出出特特性性1Q、声声光光调调 实实验验装装置置 DsDsttt 脉脉冲冲建建立立时时从从超超声声场场消消失失到到巨巨脉脉冲冲形形成成有有一一时时间间间间隔隔，这这就就是是一一般般为为，

8、开开关关的的开开关关时时间间 必必须须小小于于间间。,QQ微微秒秒量量声声光光调调 的的开开关关时时间间是是比比电电光光调调 要要级级长长得得多多。1327.2 声光调声光调Q方法方法2、输输出出特特性性inMPPt ，sMfPtP ，10sfkHzQQ调调 的的平平均均功功率率不不调调 的的连连续续功功率率的的比比值值当当时时，动动静静比比1 11427.2 声光调声光调Q方法方法重重复复频频率率对对输输出出性性能能的的影影响响ssfA ，反反转转粒粒子子数数未未饱饱和和；ssfA ，反反转转粒粒子子数数饱饱和和；isnfQ ，较较低低，调调 脉脉冲冲的的峰峰值值功功率率较较低低，过过高高时

9、时脉脉宽宽较较宽宽；sf，部部分分反反转转粒粒子子数数会会由由于于自自发发辐辐射射而而损损耗耗，过过低低时时影影响响效效率率:230451/ssssNd YAGsk zffH 一一般般取取，对对于于，取取，则则sHHf 定定义义，峰峰值值功功率率连连续续则则关关系系如如右右下下输输出出功功率率图图所所示示。1527.2 声光调声光调Q方法方法/itDnn 超超阈阈度度的的影影响响QDQD提提高高泵泵浦浦功功率率声声光光调调 的的 比比电电光光调调 低低很很多多，可可以以通通过过和和来来提提减减小小激激光光损损耗耗高高超超阈阈度度器器Q四四、声声光光调调 器器件件1石石英英铌铌部部件件 为为酸酸

10、锂锂换换能能器器，由由、等等晶晶体体构构成成。 242TiOPbMO部部件件 为为声声光光介介质质，可可以以采采用用熔熔融融石石英英、玻玻璃璃、氧氧化化碲碲、钼钼酸酸铅铅等等材材料料。1627.2 声光调声光调Q方法方法3部部件件 是是吸吸声声材材料料，一一般般采采用用铅铅橡橡胶胶、玻玻璃璃棉棉等等材材料料。dcf 为为锐锐角角90oBadbcabc 面面一一般般采采用用平平行行四四边边形形，使使00sin222sBssskfnnBgkra g 公公式式：02LLBragg 判判据据：sG 单单程程rffstttt超超声声场场有有上上升升时时间间 和和下下降降时时间间 ，就就是是开开关关时时间

11、间 , ,由由两两部部分分构构成成：一一是是换换能能器器的的功功率率下下降降时时间间；/zd V二二是是光光束束的的渡渡越越时时间间。1/ssf 1727.2 声光调声光调Q方法方法PTM四四、声声光光激激光光器器2Ltc 输输出出效效率率高高，脉脉宽宽窄窄，MHz重重复复频频率率高高，可可达达以以上上对对声声光光器器件件有有更更高高的的要要求求：100%衍衍射射效效率率接接近近550nsm 开开关关速速度度要要求求快快得得多多，上上升升时时间间大大约约为为，则则要要求求光光束束必必须须聚聚焦焦到到一一个个直直径径的的区区域域上上1827.2 声光调声光调Q方法方法1927.2 声光调声光调Q

12、方法方法2027.3 被动调被动调QQQQQ主主动动式式调调人人为为的的利利用用某某些些物物理理效效应应来来控控制制激激光光谐谐振振腔腔的的损损耗耗，从从和和都都是是而而达达到到电电光光调调值值，即即声声光光调调得得突突变变；QQ被被动动式式调调利利用用某某些些可可饱饱和和吸吸收收体体本本身身特特性性来来改改变变激激光光谐谐振振腔腔的的 而而损损耗耗，达达到到调调方方式式，是是目目的的。2127.3 被动调被动调Q一一、可可饱饱和和吸吸收收体体可可饱饱和和吸吸收收体体采采用用二二能能级级近近似似，21,nn上上下下能能级级粒粒子子数数分分别别为为、12nnn 为为全全部部粒粒子子数数密密度度0

13、0120annn，Ic 可可饱饱和和吸吸收收体体的的能能光光强强为为激激光光入入射射时时级级速速率率方方程程为为： 为为可可饱饱和和吸吸收收体体的的纵纵向向弛弛豫豫时时间间121222121dnBn Bndtn 11222212Bn Bnnn 11212212=+n BBBn 2227.3 被动调被动调Q 121212212+dnn BBBndt 11212211121221+qn BBBn BBpB 对对于于给给定定的的辐辐射射场场 ，和和为为常常数数，令令，上上式式变变为为：22dnqpndt 200n 21expqnppt 12112212+n BtBqnpB 2327.3 被动调被动调

14、Q20dndt 当当系系统统趋趋于于稳稳定定时时，有有，可可以以得得到到 12211221=+n BnBB 12 annn 11221111122112211aaBBnnnBBBB 下下面面考考虑虑可可饱饱和和吸吸收收体体中中光光强强的的变变化化：221112dn Bn Bdt Ich czct 可可以以得得到到：221112dIdhhn Bn BIIdzdtc 112221hn Bn Bc 上上式式可可以以用用另另一一种种方方法法求求得得：2427.3 被动调被动调Q 11222112211221121111221=+ahn Bn BcBnnBBBnnBB 11211221ah n BcBB

15、 12211211ah n BccBIB 1201221=ash n BcIcBB 定定义义，01sII 最最终终可可以以得得到到：0sI 为为可可饱饱和和吸吸收收体体的的初初始始吸吸收收系系数数为为饱饱和和吸吸收收体体的的饱饱和和光光强强2527.3 被动调被动调Q可可饱饱和和吸吸收收体体的的透透过过率率为为：LTe 0T 为为可可饱饱和和吸吸收收体体的的初初始始透透过过率率1T 可可饱饱和和吸吸收收时时称称为为体体被被漂漂白白2:BDNLiFFCr YAG 染染料料色色可可饱饱和和吸吸收收材材料料心心晶晶体体有有、等等。对对于于可可饱饱和和吸吸收收材材料料有有如如下下一一些些要要求求：可可

16、饱饱和和吸吸收收材材料料对对激激光光波波长长有有吸吸收收峰峰“”可可饱饱和和吸吸收收材材料料的的吸吸收收截截面面要要远远远远大大于于激激光光工工作作物物质质的的吸吸收收截截面面，这这让让饱饱和和光光强强较较小小，易易于于 漂漂白白 。吸吸收收体体上上能能级级激激光光工工作作物物质质上上能能级级可可饱饱和和吸吸收收材材料料的的物物理理化化学学性性能能稳稳定定。0000lim,LITeT lim0,1IT 2627.3 被动调被动调QQ二二、被被动动调调 过过程程QTQ当当腔腔内内光光强强很很弱弱的的时时候候，调调 片片的的， 值值，。isnnII 随随着着泵泵浦浦强强度度增增加加，腔腔内内光光强

17、强在在自自发发辐辐射射作作用用下下逐逐渐渐增增长长，当当时时，。0Q在在正正反反馈馈作作用用下下，染染料料被被漂漂白白，激激光光振振荡荡形形成成， 脉脉冲冲输输出出，开开始始新新的的循循环环。0 10n 初初始始、max2/snIcI自自发发辐辐射射、1230,1nnT 、当当时时，饱饱和和体体被被“漂漂白白”，变变得得“透透明明”， Q调调 过过程程自自动动完完成成，非非人人为为控控制制，是是被被动动式式的的。2727.3 被动调被动调QQ三三、被被动动调调 激激光光器器的的运运转转特特性性0T 的的选选取取与与泵泵浦浦强强度度有有关关。对对不不同同参参数数的的激激光光器器有有各各自自的的最

18、最佳佳初初始始透透过过率率激激光光输输出出镜镜透透过过率率的的选选取取Q染染料料调调 激激光光器器的的输输出出镜镜反反射射率率一一般般取取值值应应低低于于静静态态激激光光器器的的最最佳佳值值强强泵泵浦浦、高高透透过过率率时时是是快快开开关关。Q脉脉冲冲被被动动调调 激激光光器器会会出出现现多多脉脉冲冲现现象象。Q连连续续被被动动调调 激激光光器器输输出出脉脉冲冲重重复复率率取取决决于于泵泵浦浦强强度度，不不能能人人为为控控制制；0QT连连续续被被动动调调 激激光光器器输输出出脉脉冲冲峰峰值值功功率率取取决决于于和和输输出出镜镜透透过过率率，与与泵泵浦浦强强度度无无关关。28 27.3 被动调被动调QQ四四、被被动动调调 过过程程速速率率方方程程激激光光腔腔内内平平均均光光强强变变化化方方程程激激光光介介质质激激光光介介质质采采用用四四能能级级模模型型可可饱饱和和吸吸反反转转粒粒子子数数的的速速率率方方程程可可饱饱和和收收体