调Q技术a.ppt

1《激光原理与技术》 激光技术部分调Q技术§2.1概述§ 调Q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，从而是光源的峰值功率可 以提高几个数量级的一种技术Ø非线性光学：强相干光与物质相互作用Ø激光医学、激光加工：需要高功率、窄脉宽激光光源Ø激光测距、雷达：提高测量精度§2.1概述§ 激光器的弛豫振荡Ø对四能级系统，速率方程可以写为：Ø增加泵浦功率只能减少提高尖峰的间隔，增加尖峰频率，不能减少激光脉宽，也不能增加激光器的峰值功率§2.1概述§ 调Q基本原理（一）Ø品质因数Q值的定义Ø调Q技术是通过某种方法使腔内Q值按一定程序变化的技术 Q低则抑制激光产生，使粒子在上能级积累到一定程度后 提高Q值，建立激光振荡，形成巨脉冲输出§2.1概述§ 调Q基本原理（二）§2.1概述§ 实现调Q对激光器的要求Ø工作介质抗损伤阈值要高Ø上能级寿命要比较长¡泵浦过程使上能级粒子增加，在没有产生受激辐射的情况下， 自发辐射使上能级粒子减少，当两者平衡时就是上能级能够积 累的最大粒子数Ø泵浦速度必须快于激光上能级的自发辐射速率Ø谐振腔的Q值改变要快§2.2调Q激光器的基本理论§ 调Q速率方程Ø调Q速率方程以两能级模型给出Ø如果考虑到在Q突变过程中，激光器参数剧烈变化，可以忽 略泵浦过程和自发辐射过程。

同时令激光器在Q值突变之前 处于低阈值状态，反转粒子数不断积累，假设Q值是阶跃式 变化，则在Q值突变时刻定为零时刻，给以给出下面的方程 ：§2.2调Q激光器的基本理论§ 调Q速率方程的求解Ø光子数密度与反转粒子数密度关系Ø峰值光子数密度ØQ脉冲峰值功率ØQ脉冲能量ØQ脉冲能量利用率ØQ脉冲宽度§2.2调Q激光器的基本理论§2.2调Q激光器的基本理论§2.2调Q激光器的基本理论§ 调Q的关键参量Ø超阈度¡要获得高的超阈度，要求泵浦强，损耗低ØQ开关时间ts ¡δ由高损耗变到低损耗实际所需时间是开关时间ts ¡Tstd时，Q脉冲参数变差 ¡Tstd为慢开关 ¡td是特征时间，与Δni/Δnth有关§2.3电光调Q方法§ 机理Ø在激光谐振腔内，利用电光调制器作为Q开关Ø开关时间在ns量级Ø调Q时间可以精确控制 § 方法Øλ/2波片式§2.3电光调Q方法Øλ/4波片式：起偏与检偏合二为一Ø上述方法称为PRM方式调Q，在建立Q脉冲过程中，边振荡边 输出，Q脉冲宽度在10ns左右§2.3电光调Q方法§2.3电光调Q方法§2.3电光调Q方法§ PTM方式Ø由两个全反镜组成谐振腔Øλ/2波片式§2.3电光调Q方法§ PTM方式Øλ/4波片式§2.3电光调Q方法§ 设计电光调Q激光器要考虑的问题Ø调制晶体¡光学均匀性好，透过率高，半波电压低，抗激光破坏阈值高。

¡对1064nm激光，KD*P【Vλ/2~6000】，LiNbO3【Vλ/2~9250(d/L) 】Ø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Ø对工作物质的要求¡上能级寿命长，抗激光破坏阈值高Ø对泵浦源的要求¡泵浦光的脉宽和工作物质的上能级寿命要匹配Ø对Q开关控制电路的要求¡开关速度要快，控制要精确§ 机理Ø在激光谐振腔内，利用声光调制器作为Q开关Ø声光调制器的1级光为腔内损耗，0级光为激光振荡 § 结构§ 调Q过程Ø声光调制器调制信号为Ø Ø在fm的作用下，轴向光线受Bragg衍射作用，以 角度被 衍射出腔外，这时要求 激光不振荡Ø在fs的调制下，消除了Bragg衍射作用，激光振荡建立，产 生Q脉冲§2.4声光调方法§2.4声光调方法§ 参量设计ØBragg判据ØBragg公式Ø M2，L/H,Ps→PEØQ开关时间 § 输出特性§ 声光PTM激光器§2.4声光调方法§2.4声光调方法§2.4声光调方法§2.5被动调Q方法§ 机理Ø利用非线性可饱和吸收体特性：“反”变色眼镜Ø线性吸收：α与I无关Ø非线性吸收：¡“变色眼镜”：¡可饱和吸收体：Ø调Q过程¡当腔内光强很弱的时候，调Q片的α↑，T↓，Q值↓，δ↑。

随着泵浦强度增加，Δn不断增长，腔内光强在自发辐射作用 下逐渐增长，当I→Is时，α↓，δ↓在正反馈作用下， φ↑→α↓→φ↑→α≈0，激光振荡形成，Q脉冲输出， φ↓→α↑,开始新的循环Ø调Q过程自动完成，非人为控制，属于被动式§2.5被动调Q方法§ 饱和吸收体的速率方程Ø采用二能级模型Ø定义饱和共振吸收截面¡“透明”概念Ø远离共振吸收的激光波长对粒子数无影响Ø在共振区范围内，当受激吸收与受激辐射粒子数相等的时 候也是“透明”（动态平衡）Ø速率方程——非齐次常微分方程§2.5被动调Q方法§ 运转特性ØT0的选取对应染料浓度，与泵浦强度有关Ø激光输出镜透过率的选取Ø强泵浦、高透过率时是快开关Ø脉冲被动调Q激光器会出现多脉冲现象Ø连续被动调Q激光器输出脉冲重复率取决于泵浦强度，不能 人为控制；输出脉冲峰值功率取决于T0和输出镜透过率，与 泵浦强度无关 § 可饱和吸收材料：Ø染料：BDNØ色心晶体：Cr:YAGØ饱和吸收波长与激光波长一致Ø光化学性能稳定Ø §2.5被动调Q方法§2.5被动调Q方法。