第十六十七次课-激光原理..ppt

1、7.5 调Q技术,一、弛豫振荡现象,泵浦使激光器达到阈值，产生激光反转粒子数减少至低于阈值激光熄灭重复上述过程,1、特点,(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率,(1)峰值功率不高，只在阈值附近,2、原因,激光器的阈值始终保持不变,(3)时间特性差，多脉冲输出，每个尖峰的宽度约为0.11s,3、应用局限 以测距为例 脉冲峰值功率较低(几十kw量级) 影响测距距离 时间特性差(多脉冲输出) 影响测距精度,弛豫振荡反映了激光振荡过程的不稳定，具有普遍性。为了改善激光器性能，获得单个巨脉冲，必须抑制弛豫振荡，使有限的激光能量在极短的时间内输出以提高脉冲峰值功率。 问题1：如何获得巨

2、脉冲？ 调Q 、锁模,当v0 和L一定时，Q值与成反比，调Q即调。,问题2：调Q是调什么？,问题3：调损耗怎么就能获得巨脉冲呢？,二、调Q原理,通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。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。 要使上能级积累大量的粒子，可以设法将激光器的初始振荡阈值调得很高，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。,调Q思路和规定程序：

3、 泵浦初期 (激光产生之前)： 设置高损耗, (低Q), nt 高，反转粒子数积累 在适当时刻(?) ： 降低损耗, (高Q), nt 低，受激辐射放大形成巨脉冲,调Q基本术语,调Q 调腔内损耗 Q开关 执行调Q功能的器件 巨脉冲调Q产生的激光脉冲（脉宽窄，峰值功率高）,Q开关关闭,Q开关打开,在腔内加入阶跃变化的损耗机制,适当时刻，也叫做Q开关的延迟时间： 反转粒子数积累最多,激光上能级寿命荧光寿命,（工作物质储能最多）,（谐振腔储能最多）,或腔内光子数最多,标志,三、调Q过程,2、阈值反转粒子数,(1)t0: nt,(2)t0: nt,( ntnt),1、腔损耗,(1)t0(Q开关打开前)

4、: ,(2)t0(Q开关打开后): ,( ),3、泵浦速率,(1)t0: Wp大,(2)t0: Wp小,4、反转粒子数n,(1) t0: n增大 (2) t=0: n=n0,(3) t0: n减小 (4) t=td: n=nt,(nt n0 nt),5、腔内光子数密度,(1)0nt而增强,(2) ttd: 因nnt而减弱,(3) t=td: 达最大m,(5) t0: 振荡结束时残余反转粒子数为n=nf,问题4：调Q效果 与哪些因素有关？,四、调Q激光器的速率方程,(二能级、固体、均匀加宽),1、非调Q,W12,P26(2.15) B12g1=B21g2 P39(2.50) W21=B21 W1

5、2=B12,P40(2.56),代入,2、调Q(忽略自发辐射和无辐射跃迁:S12=0, A21=0),P99(4.4),P18,二能级系统 的速率方程,调Q激光器 的速率方程,1、腔内光子数密度,由 和 消t,当n= nt时光子数密度达最大值,2、最大光子数密度,五、调Q激光器的性能参数,3、峰值功率,计算公式,Pm=h0mST,:腔内光速,S:腔截面积,T:输出镜透过率,提高Pm的措施,1)提高Q开关打开前、后的腔损耗之比/,越大,则 也可以越大,2)提高泵浦功率(使 达到 的水平),氦氖激光器与染料激光器不适合采用调Q技术,相同泵浦功率下,为什么？,3)选择合适的工作物质,4、单脉冲能量,

6、每产生一个光子，消耗个反转粒子数,5、单脉冲能量利用率,E0(储能):储藏在工作物质中能转变为激光的初始能量,Ef(剩余能):巨脉冲结束后工作物质中的剩余能量，通过自发辐射消耗掉,n0多大，单脉冲能量利用率较高？,光子数密度=0时, n达到nf,令,即,代入,得,即,计算并画出关系曲线,一般应保证,6、调Q脉冲的时间特性,脉冲宽度定义,tr:上升时间(光子数密度由m/2升至m所用时间) te:下降时间(光子数密度由m降至m/2所用时间),怎么求？,tp:光子数密度达到m的时刻,相应反转粒子数密度为nt,tr:光子数密度升到m/2的时刻,相应反转粒子数密度为nr,te:光子数密度降到m/2的时刻

7、,相应反转粒子数密度为ne,脉冲宽度计算方法,nr、ne:分别为光子数密度升、降至m/2时所对应的反转粒子数密度，c:Q开关打开后的腔内光子寿命,由 和,得,所以,脉冲宽度的特点,1)增大 , 脉冲的前、后沿均减小，其中前沿比后沿减小的更显著,2)脉宽与调Q时的腔内光子寿命成正比,故腔长不宜太长、损耗也不宜太小.,3)最小脉宽为光在腔内往返一周所用时间,例1某气体激光器Q开关打开后,阈值反转粒子数及初始与阈值反转粒子数比分别为nt=1022m-3、n0/nt=3,求m,解,例2为使调Q激光器的能量利用率达到90%，求反转粒子数比参数n0/nt,解,例3求腔长1.5m的调Q激光器所能获得的最小脉

8、宽,解,例4,红宝石调Q激光器输出镜反射率为r1=0.96，另一镜反射率在r2=0.1到r2=1之间变化。红宝石棒与腔长皆为L=20 cm，截面积S=10mm2，红宝石发射截面21=2.510-24m2。设Q开关在反转粒子数达到r2为低反射率时所对应的阈值时开启，求m及Pm(光波长= 6943，折射率n=1.76),解,问题5：有哪些方法可以获得调Q激光？,根据损耗的控制方法不同分类 控制反射损耗 电光调Q 机械转镜调Q 控制吸收损耗 可饱和吸收染料（或晶体）调Q 控制衍射损耗 声光调Q 控制输出损耗 透射调Q,调Q即调,六、调Q方法,谐振腔一般的种损耗 反射损耗 吸收损耗 衍射损耗 散射损耗

9、 输出损耗,你能说说怎样利用电光效应来调节腔内损耗吗？,电光调的基本原理：利用某些单轴晶体的线性电光效应，使通过晶体的光束的偏振状态发生改变，从而达到接通或切断腔内振荡光路的开关作用。,线性电光开关按电场与光传播方向不同可分为两类： 利用KD*P(磷酸二氘钾）型晶体的纵向线性电光效应； 利用LiNbO3 （铌酸锂）型晶体的横向线性电光效应。,带偏振器的电光开关又可分为两种工作方式： 退压和加压。,1、 电光调Q激光器,按结构组成不同也可分为两类： 带偏振器的电光效应； 不带偏振器的电光效应。,d,激光工作物质,Q开关关闭 Dn积累,d,d,Q开关打开 形成巨脉冲,退压式 （1/2波片式）,d,

10、激光工作物质,思考：是否可以只用一个偏振控制器，V=? Q开关状态？,Q开关关闭 Dn积累,d,d,Q开关打开 形成巨脉冲,加压式（1/2波片式）,(/4波片式)：起偏与检偏合二为一,d,激光工作物质,Q开关关闭 Dn积累,Q开关打开 形成巨脉冲,退压式,正向 /2,反向 /2,正向,反向,因所需器件较少、工作电压较低，得到更多应用,U=0,退压式调示意图,损耗高 不能振荡,损耗低 输出巨脉冲,聚光腔,实际应用情况(退压式，1/4波片式),O光,格兰付克棱镜,其工作程序是： （1）先开主电源对电容C充电，并接于氙灯电极，但不导通故不点燃； （2）开动晶体电源给KDzP晶体加电压，使Q开关处于关

11、闭状态； （3）由单结晶振管产生一脉冲时标信号输入到控制电路，控制激光主电源，使其停止对电容充电，同时触发氙灯，开始泵浦，使反转粒子数大量积累。但此时由于KDzP晶体上加有V/4电压，所以谐振腔损耗最大，不能形成激光振荡。 （4）当反转粒子数达到最大时，通过延时电路的信号加到闸流管的栅极上(使之导通)，将KDzP晶体上的电压瞬时退掉，使谐振腔Q值突增，形成激光振荡，输山巨脉冲。,实验关键问题（获得高效率调Q的关键） 1.严格保持格兰棱镜的起偏方向与调制晶体的x（或y）轴方向一致 2.准确控制Q开关打开的延迟时间 3.精确控制 U/4 的大小 实际运用中，关键问题的解决 第一，做好“关门”实验

12、调Q激光器安装好后,给KDP电光晶体加恒定的V/4电压,并绕其光轴转动晶体,打激光.反复微调电光晶体,直至其x轴(或y轴)与偏振棱镜的起偏方向平行.同时,适当微调U/4电压值,直至发射激光时,激光器完全不能振荡.说明电光Q开关已处于完全关闭的状态。,第二，准确调整开关的打开的延迟时间 接通电光晶体上的高压退压电路,发射动态激光,微调氙灯开始泵谱到退去V/4电压之间的延迟时间电位器,边测量激光的强弱,边微调延时电位器旋纽,直到激光输出最强为止. 消除电光晶体的光弹效应 在外电场作用下,晶体内部会产生机械应力使晶体的折射率发生变化. 给晶体加一个瞬时的负高压来消除光弹效应所造成的影响,思考：是否可

13、以不用偏振器件来实现调Q？,单块双45电光调激光器 利用LN晶体的横向电光效应,单块双45电光调激光器结构,LN45斜面矩形长方体 光轴Z轴 电压X轴 不影响通光,电场均匀 优点: 不需要加偏振器 插入损耗小 结构简单,工作原理,当在晶体上加有U/2 时 ,通过晶体的o光和e光都偏离了原来入射光的传播方向.此时, Q开关处于关闭状态,不能形成激光振荡. 双45LN晶体等效于在两个偏振器之间夹一个电光晶体 典型的双45LN调Q器件的脉宽为610ns ,峰值功率大于10MW,单脉冲能量可达200mJ,消光比：KDP晶体可达104以上，LN晶体最高可达103 半波电压：对1064nm激光，KD*P【

14、V/26000】， LiNbO3【V/29250(d/L)】 抗激光破坏阈值：KD*P可达500MW/cm2，LN晶体低 透过率：KD*P从可见光到1.4um,透过率85%，LN晶体0.45um,最高透过率可达98%,哪种好？,利用KD*P(磷酸二氘钾）型晶体的纵向电光调Q 利用LiNbO3 （铌酸锂）型晶体的横向电光调Q。,比较：,设计电光调Q激光器要考虑的问题 调制晶体 消光比高 半波电压低 抗激光破坏阈值高 透过率高 调制器的电极结构 要形成均匀电场 纵向运用用环形电极，横向运用用平板电极。 对工作物质的要求 上能级寿命长，抗激光破坏阈值高。 对泵浦源的要求 泵浦光的脉宽和工作物质的上能

15、级寿命要匹配。 对Q开关控制电路的要求 开关速度要快，控制要精确。,？,巨脉冲形成的三个特殊时刻： .值阶跃上升的时刻（t0) 2雪崩过程形成的时刻（ t） .光子数密度达到最大值的时刻（ tp) 三个过程： .自发辐射为主的过程 .雪崩过程 .光子数密度衰减的过程,两个时间： 从Q值最小变到最大需要的时间叫开关时间 tD-t0称为脉冲建立的延迟时间,Q开关开启的快慢直接影响巨脉冲的性能,快开关 开关时间远小于脉冲建立的延迟时间 阶跃函数开关 慢开关 开关时间与脉冲建立的延迟时间相差不多或者更长 线性函数开关 抛物线函数开关 不足：容易引起多脉冲的形成,优点： 开关时间短（可以小到10-9秒）

16、；效率高；调Q的时间可以精确控制；系统工作稳定；重复频率高；输出脉冲窄（10-20ns);峰值功率高（几十兆瓦以上） 主要缺点： 半波电压较高，需要几千伏的高压脉冲，对其他电子线路易造成干扰。 由于较高的插入损耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器。 KDP易潮解，使用时必须密封安装。,电光调Q技术特点,2、声光调Q激光器,为获得高的衍射效率，通常采用布拉格衍射方式。,你能说说怎样利用声光效应来调节腔内损耗吗？,声光介质主要采用熔融石英、玻璃、钼酸铅等。换能器常采用石英、铌酸锂等晶体制成。吸声材料常用铅橡胶或玻璃棉等。,声光调Q激光器基本结构和工作原理,产生布拉格衍射时，衍射光相对于0级光

17、有2角的偏离（如当超声频率在2050MHz范围时，石英对1.06m的光波的衍射角为0.3-0.5），这一角度完全可以使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低Q值状态。,声光调制器的1级光为腔内损耗，0级光为激光振荡,声光调Q激光器的动态实验,优点: 性能稳定、重复频率高、调制电压低（一般小于200V）； 可获得中小峰值功率（几几百KW）、高重复频率（1几十KHz）的短脉冲（几十几百纳秒），且脉冲的重复性好； 属于主动调Q快开关类型，开关时间在100ns以上。 缺点： 对于高能量激光器的开关能力较差，容易“关不死门”，所以，只能用于低增益的连续激光器上。 脉宽比较宽 开关速度比电光Q开关慢。,声光

18、调Q技术特点,3、可饱和吸收调Q激光器,利用某些物质对入射光具有强烈的非线性吸收而改变腔内损耗从而达到调Q的目的。 目前应用的可饱和吸收物质有两类：可饱和吸收晶体和可饱和吸收染料。,染料调Q在重复频率不很高的中小功率情况下，是最经济实惠的调Q方法。,可饱和吸收染料调Q原理,某些有机染料的吸收系数并不是常数，当在较强激光作用下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料，其吸收系数为：,光强很小时的吸收系数,染料的饱和吸收光强,IS大小与染料的种类和浓度有关，一般来说，染料的浓度增加，IS值也增加。,染料调Q激光器,1)开始泵浦腔内荧光弱吸收系数大Q值低不能形成激光,2)继续泵浦腔内荧光变强吸收系数变小荧光达到一定值时，吸收系数饱和燃料被漂白 Q值突增，形成激光脉冲泵浦结束,装置,工作过程,对可饱和吸收体的要求,1)吸收中心频率：与激光介质增益中心频率一致,2)饱和吸收光强：小于激光工作物质的增益饱和光强,IsIs,3)吸收饱和光强Is的大小要适当,Is太大，开关速度慢，影响调Q效果,Is太小,很弱的光即可使其透明，导致工作介质的反转粒子数不能充分积累,4)染料吸收带宽要尽量窄， 太宽不仅会使吸收的选择性降低，而且会使染料不易迅速达到饱和吸收状态而影响Q开关效率,染料调Q技术的特点,