调Q技术 晶体双折射

1、调Q（Q开关）技术调Q技术是将激光能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（一）自发辐射处于高能级E2的原子自发地向低能级El跃迁，并发射出一个频率等 于v = E2 一 El的光子的过程称为自发辐射跃迁自发辐射跃迁的过程是一种只与原子本身的性质有关，而与辐射场u （v ）无关的自发过程（二）受激辐射处于高能级E2上的原子在频率为v = （E2 一 E1） / h的辐射场激 励作用下，或在频率为v = （E2 一 E1） / h的光子诱发下，向低能 级E1跃迁并辐射出一个与激励辐射场光子或诱发光子的状态（包括 频率、运动方向、偏振方向、相位等）完全相同的

2、光子的过程称为受 激辐射跃迁受激辐射过程区别于自发辐射的地方在于，它是在辐射场的作用下产 生的，因此，其跃迁几率W21，不仅与原子本身的性质有关，还与 辐射场pv成正比（三）受激吸收处于低能级E1上的一个原子在频率等于v = （E2 一 E1） / h的辐射场作用下，吸收一个光子后向高能级E2跃迁的过程称为受激 吸收跃迁激光器弛豫振荡产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上能级 的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度 增加，而发射激光。随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，导 致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振荡就停止。这时，由于光 泵的继续抽运，上能级

3、粒子反转数重新积累，当超过阈值时，又产生 第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。每个尖 峰脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低。增大 泵浦能量也无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。 弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2.1-2来描述。它示出了在弛豫 振荡过程中粒子反转数乃和腔内光子数切的变化，每个尖峰可以分 为四个阶段（在t1时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数增长， 但尚未到达阈值乃址因而不能形成激光振荡。）图2.1-2腔内光子数和粒子反转数随时间的变=0；第一阶段（t1 一 t2）：激光振荡刚开始时，乃=nth， 由于光泵作用，乃继续增加，与此同时，

4、腔内光子数密度也开 始增加，由于的增长而使乃减小的速率小于泵浦使乃=0；第二阶段(t2 t3) : n到达最大值后开始下降，但仍然大于 nth，因此继续增长，而且增长非常迅速，达到最大值。第三阶段(t3 t4)： n V nth，增益小于损耗，光子数密 度减少并急剧下降。第四阶段(t4 一 t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作 用，于是n又开始回升，到t5时刻An又达到阈值nth，于是又 开始产生第二个尖峰脉冲。因为泵浦的抽运过程的持续时间要比每个 尖峰脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。 泵浦功率越大，尖峰脉冲形成越快，因而尖峰的时间间隔越小二、调Q的基本原理通

5、常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒 子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒 子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒子数，只 能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提高的原 因。既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那 么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变(增加)激光器 的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈 值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在 上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是

6、在极短的时间内将 能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。从“激光原理”得知，激光器振荡的阈值条件可表示为-二（2.1-1）21 c式中，g是模式数目，421自发辐射几率，7 c是光子在腔内的寿命，Q而 T c - gtc是腔内能量衰减到初始能量的1/e所经 历的时间g2兀u所址-A- 玄以（2.1-2）Q值称为品质因数，它定义为：Q=2nu 0X （腔内存储的能量/每秒损耗的能量）u 0为激光 的中心频率。用W表示腔内存储的能量，6表示 光在腔内传播单次能量的损耗率，那么光在一个单程中的能量损耗为 W 6。设L为谐振腔腔长，n为

7、介质折射率，c为光速，则光在腔内 走一单程所需的时间为nL/c。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为：_w& nL / c nL这样，Q值可表示为八 cW2丸nL-兀V 0 W ac / nL 也一（2.30式中，A 0为真空中激光中心波长。可见，当人0和L 一定时，Q值 与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔 的Q值（或损耗5）来实现。调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序 变化的技术。或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。激光脉冲的建立过m参量随时间的变化情况，调Q图2.1-3激光脉冲的建立过m参量随时间的变化情况，调Q图2.1-3所示。图(a)表示泵浦

8、速率Wp随时间的变化；图(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线);图(c)表示粒子反转数的变化；图(d)表示腔内光子数随时间的变化。在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很 高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至t0时刻，粒 子数反转达到最大值无，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)， 振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此尻/(阈 值粒子反转数)，因此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，结果产生了一个峰值功率 很高的窄脉冲。，光子数。增长十分缓慢，如，在t=to，光子数。增长十分缓慢，如，在t=to振荡

9、图2.1-4所示，其值始终很小( -0i)，受激辐射几率很小，此时仍 是自发辐射占优势。只有振荡持续到t=tD时，增长到了0D，雪崩 过程才形成，0才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。因此，调Q脉冲从振荡开始建立到娜如激光形成需要一定的延迟 时间，（也就是Q开关开启的持续时间）。光子数的迅速增长，使 ni迅速减少，到t=tp时刻，4ni= nt，光子数达到最大值m之 后，由 n n,， 因此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，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲输出。随后谐振腔内的光场 迅速减弱，Cr4+：YAG晶体重新变得不透明，起到将Q

10、开关关闭的作用，从而为 产生下一个巨脉冲积累反转粒子数做准备。这就是一个完整的Cr4+：YAG晶体调 Q过程，如图3.2所示。ni气nni气ntt图3.2 Cr4+：YAG品体的调Q过程由于采用Cr4+被动调Q技术的微片激光器，在连续抽运或脉冲抽运条件下， 存在对输出脉冲序列的重复频率不可控等缺点3。，31。于是有人利用连续抽运时叠 加脉冲抽运的预抽运技术，实现了对Cr4+被动调Q微片激光器脉冲重复频率的 可控输出36。其具体方法为：先用LD对激光器进行连续抽运，其中连续抽运功 率需接近激光阈值，这样增益介质中的反转粒子数将接近阈值水平，而且又不能 形成激光振荡。然后再在连续抽运基础上叠加一脉

11、冲抽运，在此脉冲抽运下，增 益介质中的反转粒子数将迅速超过阈值，腔内光强将迅速增大，可饱和吸收体将 由于吸收荧光跳到激发态而对激光变得透明，于是腔内损耗骤降，谐振腔内光子 数密度猛增并瞬间形成激光振荡而输出激光巨脉冲。通过调节脉冲抽运速率和脉 冲抽运宽度可以使单个抽运脉冲内只输出一个激光脉冲，这样激光脉冲的重复频 率就等于抽运脉冲的频率了。根据上面的分析，为获得稳定可控的脉冲输出，需采用预抽运技术来抽运激 光器。用Cr4+,Nd3+:YAG双掺杂品体同时来作为激光增益介质和可饱和吸收体。 Cr4+,Nd3+:YAG晶体是在YAG基质中同时掺入Cr4+、Nd3+两种离子生长而成。 它既具有激活离

12、子Nd3+的特性，又具有可饱和吸收离子Cr4+的可饱和吸收特性 非常适合用于被动调Q微片激光器。用808nm LD来抽运Cr4+,Nd3+:YAG晶体产生被动调Q1064nm脉冲激光输 出是非常合适的。从图中可以看出，每个激光脉冲发射之前，可饱和吸收体的基态粒子数密度很高， 即腔内损耗很大，反转粒子数密度不断积累；当反转粒子数密度超过阈值时，可 饱和吸收体由于吸收荧光而跳到激发态，基态粒子数密度骤降，即腔内损耗降低， 光子数密度猛增，从而发射一个激光巨脉冲旷E)*幕山米-?旷E)*幕山米-?E)*幕山禁髀原 榔燃篥照11111111111111111 100.20.401.60.811.21.

13、41.61.82时间闾x1x 1024iiiiiii11111111-可以看出，在叠加脉冲抽运之前，连续抽运将反转粒子数密度维持在阈值附 近。当叠加脉冲抽运之后，反转粒子数密度迅速增加，当超过阈值时，激光器就 产生一个调Q脉冲输出。所以只要控制好抽运脉冲的宽度和幅度，可以使单个 抽运脉冲内只产生一个激光脉冲，这样激光器输出脉冲的重复频率就等于抽运脉 冲的频率。同时，由于每个调Q脉冲输出之前，初始反转粒子数密度都在相近 的水平，所以输出脉冲在能量、宽度以及输出时间上都会很稳定。因此，采用预 抽运技术可以实现激光脉冲的稳定可控输出。微片激光器是指谐振腔长度在毫米量级的微小型固体激光器。典型的微片激

14、 光器是直接在增益介质两端镀膜，从而形成一体化的微型谐振腔。微片激光增益 介质的厚度大都在1mm以下，这就使得纵模间隔很有可能超过增益带宽，从而 比较容易获得高质量单频激光输出。微片激光器可以在连续或脉冲状况下运行， 其脉冲输出模式主要采用被动调Q机制和增益开关机制来实现。目前，对于连 续输出LD抽运微片激光器的研究主要集中在频率调谐特性和获得高功率连续激 光输出上；对于脉冲输出的微片激光器的研究则主要集中在如何获得脉宽更窄、 峰值功率更高和输出脉冲频率可控的脉冲输出上。益开关技术在LD抽运的微片激光器中，除了被动调Q以外，增益开关技术也可获得高 峰值功率、高重频的窄脉冲。增益开关技术的原理为

15、：在激光器运转过程中，谐 振腔的损耗保持不变，通过调制抽运光强来实现激光腔内增益的突变，以达到压 缩脉冲宽度和提高峰值功率的目的。增益开关技术是通过控制腔内增益突变，而不改变腔内Q值来实现激光巨 脉冲输出的。对于应用增益开关技术的固体激光器，其原理可以描述为：通过采用抽运速 率足够高的光脉冲对激光器进行抽运，使反转粒子数在抽运脉冲持续时间内快速 积累，这个期间，激光器谐振腔的损耗保持不变，阈值也保持不变。当反转粒子 数超过阈值，获得高增益时，谐振腔内将迅速建立激光弛豫振荡光场，从而实现 巨脉冲激光输出。在这个过程中只要控制好抽运光脉冲的幅度和宽度，可以使激 光器在一个抽运光脉冲内只实现一个巨脉

16、冲输出。在LD抽运的固体激光器中运用增益开关技术时，一般采用预增益机制，它 是连续抽运和脉冲抽运的结合体。其过程为：在叠加脉冲抽运之前，先用连续抽 运将腔内反转粒子数抽运并保持在接近阈值的水平，然后再叠加一个脉冲抽运， 此时激光增益介质内的反转粒子数将瞬间超过阈值反转粒子数，从而迅速形成激 光振荡发射激光脉冲。在这个过程中，如果脉冲抽运速率过小或脉冲宽度太窄 将出现反转粒子数还未及超过阈值，抽运速率就下降到阈值抽运速率以下的情 况，此时激光器是不会发出激光的。如果脉冲抽运速率过大或脉冲宽度过大，则 会出现输出一个激光脉冲以后，还有足够的抽运时间使反转粒子数再次超过阈值 的情况，那么这将导致激光

17、器在一个抽运脉冲持续时间内输出多个脉冲。所以控 制好抽运脉冲的幅度和宽度，可以使激光器在一个抽运脉冲内只发射一个脉冲。 如此重复，激光器将以抽运脉冲的重复频率输出激光脉冲。Nd3+:YVO4晶体的激光特性掺钕粒子的钒酸钇品体（Nd3+:YVO4）属于四方晶系，锆英石（ZrSiO4）型 结构，是正单轴品体。由于YVO4基质对Nd离子具有敏化作用，所以该晶体激 活离子的吸收能力比较强。同时Nd3+:YVO4也是一种双折射特性很强的晶体（在 1.064 pm处，气=1.958，为=2.168），容易产生偏振激光输出。掺钕粒子的钒酸钇品体在1.06pm处有很强的增益，它的有效受激发射截面 大约为25x

18、10-i9cm2，是Nd3+:YAG的45倍，在808nm附近的吸收带宽约为20 nm且有很大的吸收截面，因而它有着高的能量转换效率和低的激光阈值，是非 常适合LD抽运的高效激光晶体79。同时由于其具有大的吸收截面，在纵向抽运 下仅需要很小的晶体长度就可以吸收大部分抽运光，所以很薄的Nd3+:YVO4晶 体就可以用来当做固体激光器的增益介质，有助于实现固体激光器的小型化。图4.1为预抽运单脉冲输出时，增益开关Nd3+:YVO4微片激光器动态特性的 数值仿真图，其抽运脉冲宽度为4s从图中可以看出，叠加脉冲抽运之前，归 一化反转粒子数密度被维持在0.8,在叠加脉冲抽运后（在T=0时刻叠加脉冲抽 运

19、），反转粒子数密度快速增加，当其超过激光阈值时，增益开关就打开，腔内 光子数就开始快速增加。这时反转粒子数密度并没有减小，而是继续增加到一个 最大值，当达到最大值以后，其将会由于光子的大量消耗而下降，在其下降到刚 好低于阈值时，增益开关就会关闭，此时腔内光子数密度达到最大。若此时抽运 脉冲结束，则腔内反转粒子数密度将会继续减少，于是腔内光子数密度将迅速减 少，从而激光器将发出一个峰值功率比较高的窄脉冲。若激光器在发出一个脉冲 后，抽运并没有结束，那么反转粒子数密度将会再次被抽运而增加，一旦超过阈 值，就又会发出一个脉冲。以此下去，激光器便可以在一个抽运脉冲下输出多个 脉冲。 TOC o 1-5

20、 h z 0.8 11111-10123456时间x甘双频激光器是指能同时输出两个频率的激光的激光器。双频微片激光器大多 是基于双折射效应产生的双频输出光外差技术的原理最为简单而且有效，其原理就是将两列相十光投射到具有 电场平方率检测特性的光电探测器上进行外差产生毫米波，毫米波的频率等于相 十光的频率差。由于光外差技术对两列激光的相干性要求很高，所以目前主要采 用双频激光器来拍频产生毫米波。(a)阈值附近抽运(b) 2倍阈值抽运图5.1微片激光器的纵模示意图图5.1(a)表示阈值附近微片激光器输出纵模示意图；图5.1(b)表示抽运功率 为2倍阈值的微片激光器输出纵模示意图。可以看出在阈值附近的

21、时候，微片激 光器容易实现单纵模振荡；随着抽运功率的增加激光器的纵模数随之增加。对于 本章中所用到的微片激光器，即使在较大抽运功率下也最多输出两个纵模。由于 双纵模输出微片激光器的一个纵模对应一个波长，所以双纵模输出的微片激光器 也可以叫做单纵模双波长微片激光器光学仪器的分辨本领透镜的分辩本领瑞利判据:对于两个等光强的非相干物点，如果一个像斑中心恰好 落在另一像斑的边缘（第一暗纹处），则此两像被认为是刚好能分辨。此 时两像斑中心角距离为最小分辨角(5 =中牝 1.22中0自然光可用两个相互独立、没有固定相位关系（不相干）、等振幅 且振动方向相互垂直的线偏振光表示。自然光反射和折射后产生部分 偏

22、振光部分偏振光可用两个相互独立、没有固定相位关系、不等振幅且 振动方向相互垂直的线偏振光表示。偏振度=I +1n pIP = P 十偏振度=I +1n pIP = P 十tIPI + Ip n线偏振光可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、相干的线 偏振光。马吕斯定律尸=I C0S2 口光矢量（E）只在一个固定平面内沿单一方向振动的光叫线偏 振光，或平面偏振光。光振动方向与传播方向决定的平面称为振动面。由自然光获得偏振光的光学器件叫“起偏器”。用偏振器件分析、检验光束的偏振状态称“检偏”。二.布儒斯特定律ib+Y =90o时，反射光为线偏振光（反射光中只有垂直入射面 的分量。强度为垂直振动的1

23、5%左右）要提高反射线偏振光的强度， 可利用玻璃片堆的多次反射ib 布儒斯特角或起偏角n sin i = n sin y = n cos i1b22btani =n2 = nbn 21i玻璃片堆（反射光是完全线偏振光强度几乎50%）（透射光接近完全线偏振光强度几乎50%）部分偏振光3.品体的光轴当光在品体内沿某个特殊方向传播时不发生双折射，该方向称为 晶体的光轴。光轴是一特殊的方向，凡平行于此方向的直线均为光轴。单轴品体：只有一个光轴的晶体双轴品体：有两个光轴的晶体对于各向异性品体，一束光射入晶体后，可以观察到有 两束折射光的现象。一条遵守通常的折射定律(nlsini =n2sinr)，折射光线在入射面内， 这条光线称为寻常光线(ordinary rays)，简称o光。另一条光线不遵守通常的折射定律，它不一定在入射面内，这条光线称为非常光线(extraordinary rays)，简称e光。产生双折射的原因:o光和e光的传播速度不同。o光在晶体中各个方向的传播速度相同，因而折射率no=c/uo二恒量。e光在晶体中的传播速度