第十六十七次课激光原理

1、7.5 调调Q技术技术一、弛豫振荡现象一、弛豫振荡现象泵浦使激光器达到阈值，产生激光泵浦使激光器达到阈值，产生激光反转粒子数减少至低于反转粒子数减少至低于阈值阈值激光熄灭激光熄灭重复上述过程重复上述过程1、特点、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，只在阈值附近峰值功率不高，只在阈值附近2、原因、原因激光器的阈值始终保持不变激光器的阈值始终保持不变(3)时间特性差，时间特性差，多脉冲输出，多脉冲输出，每个尖峰的宽度约为每个尖峰的宽度约为0.11s3、应用局限、应用局限以测距为例以测距为例脉冲峰值功率较低

2、脉冲峰值功率较低(几十几十kw量级量级) 影响测距距离影响测距距离时间特性差时间特性差(多脉冲输出多脉冲输出) 影响测距精度影响测距精度tcLtcL212激光测距仪激光雷达2221150115011501150ccLctLtLttmsLkmtsLmtnsLmmtpsLm 弛豫振荡反映了激光振荡过程的不稳定，具有普遍性。弛豫振荡反映了激光振荡过程的不稳定，具有普遍性。为了为了改善激光器性能，获得单个巨脉冲，必须抑制弛豫振荡，改善激光器性能，获得单个巨脉冲，必须抑制弛豫振荡，使使有限的激光能量在极短的时间内输出以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提高脉冲峰值功率。 问题问题1 1：

3、如何获得巨脉冲？：如何获得巨脉冲？ 调调Q 、锁模、锁模tEPP02Q腔内贮存的激光能量每秒损耗的激光能量当当v0 和和L L一定时，一定时，Q Q值与值与成反比，调成反比，调Q Q即调即调 。问题问题2 2：调：调Q Q是调什么？是调什么？问题问题3 3：调损耗：调损耗怎么就能获得巨脉冲呢怎么就能获得巨脉冲呢？cLR0022二、调二、调Q Q原理原理n 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。n 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

4、粒子数便可积累得很多。n 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。调调Q Q思路和规定程序：思路和规定程序： 泵浦初期泵浦初期 ( (激光产生之前激光产生之前) )： 设置设置高损耗高损耗, (, (低低Q), Q), n nt t 高，反转粒子数积累高，反转粒子数积累 在在适当时刻适当时刻(?)(?) ： 降低降低损耗损耗, (, (高高Q), Q), n nt t 低，受激辐射放大形成巨脉冲低，受激辐射放大形成巨脉冲调调Q基本术语基本术语 调调Q 调调腔内损耗腔

5、内损耗 Q开关开关 执行调执行调Q功能的器件功能的器件 巨脉冲调巨脉冲调Q产生的激光脉冲（脉宽窄，峰值功率高）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在腔内加入阶跃变化的损耗机制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激光上能级寿命荧光寿命（工作物质储能最多）（工作物质储能最多）（谐振腔储能最多）（谐振腔储能最多）或腔内光子数最多或腔内光子数最多标志标志三、调三、调Q过程过程2、阈值反转粒子数、阈值反转粒子数(1)t0: nt( n t nt)Lnt211、腔损耗、腔损耗(1)t0(Q开关打开后开关打开后): (

6、 )Lnt213、泵浦速率、泵浦速率(1)t0: Wp小小 n t nt nitd0 m nf Wpt4、反转粒子数、反转粒子数 n(1) t0: n减小减小(4) t=td: n= nt( nt n0 n t)5、腔内光子数密度、腔内光子数密度 (1)0t nt而增强而增强(2) ttd: 因因 n0: 振荡结束时残余反转粒子数为振荡结束时残余反转粒子数为 n= nf n t nt n0td0 m nf Wpt问题问题4：调：调Q效果效果与哪些因素有关？与哪些因素有关？四、调四、调Q激光器的速率方程激光器的速率方程(二能级、固体、均匀加宽二能级、固体、均匀加宽)1、非调、非调QW12E1E2

7、S21A21W21(4) )(222(1)-(2)(3) (2) )(1) )(21212212121212121212212122121212212122121211SAnWnWndtndAnWnWndtdSAnWnWndtdnSAnWnWndtdnc得：P26(2.15) P26(2.15) B B1212g g1 1=B=B2121g g2 2P39(2.50) P39(2.50) W W2121=B=B2121 W W1212=B=B1212 ),(02121vvWP40(2.56)P40(2.56)2112211212WggBggWv代入代入ctnn2dtndct) 1nn(dtd2

8、、调、调Q(忽略自发辐射和无辐射跃迁忽略自发辐射和无辐射跃迁:S12=0, A21=0)(6) )(22(5) 212122121221SAnndtndAnndtdc(8) 2(7) 2121ndtndndtdcP99(4.4)P99(4.4)121ctnP18P18二能级系统二能级系统的速率方程的速率方程调调Q激光器激光器的速率方程的速率方程1 1、腔内光子数密度、腔内光子数密度) 1nnnn(n21t0t0tmlnctnn2dtndct)1nn(dtd由由 和和 消消t)1nn(21nddtnd)1nn(21dtnn00)1(21ndnndt)(212121210000ttttnnnnln

9、nnnnnnnlnn当当 n= nt时光子数密度达最大值时光子数密度达最大值2 2、最大光子数密度、最大光子数密度t0nntmn21e0e-2e2)388. 7,718. 2(2eee2-3五、调五、调Q激光器的性能参数激光器的性能参数3 3、峰值功率、峰值功率计算公式计算公式Pm=h0mST:腔内光速腔内光速S:腔截面积腔截面积T:输出镜透过率输出镜透过率提高提高Pm的措施的措施1)提高提高Q开关打开前、后的腔损耗之比开关打开前、后的腔损耗之比 / LGntt2121ttnnttnn越大越大,则则 也可以越大也可以越大 t0nn2)提高泵浦功率提高泵浦功率(使使 达到达到 的水平的水平)0n

10、tntmnnP0tnn0开关比; 如何使 大tnn0 荧光寿命红宝石钕玻璃YAGCO2He-Ne染料3ms0.7ms0.23ms1ms20nsns工作介质 氦氖激光器与染料激光器不适合采用调Q技术tnn02相同泵浦功率下为什么？为什么？3)3)选择合适的工作物质选择合适的工作物质4 4、单脉冲能量、单脉冲能量VnnhEEEff)(2100每产生一个光子，消耗个反转粒子数每产生一个光子，消耗个反转粒子数5 5、单脉冲能量利用率、单脉冲能量利用率0001nnEEEffeVnhE0021E0(储能储能):储藏在工作物质中能转变为激光的初始能量储藏在工作物质中能转变为激光的初始能量VnhEff21Ef

11、(剩余能剩余能):巨脉冲结束后工作物质中的剩余能量，通过自发辐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射消耗掉10nnfn0多大，单脉冲能量利用率较高？多大，单脉冲能量利用率较高？0)(21)(210000tfftttttnnnnlnnnnnnnnlnnnn光子数密度光子数密度 =0时时, n达到达到 nf令令000tfftnnnnlnnn)1ln(0tnn00000tfftnnnnnnlnnn0)1 ()1 (00ttnnlnnn)1 (0lnnnt即即10nnf代入代入得得即即计算并画出关系曲线计算并画出关系曲线111)1 (00limlnlim tnn0010.10.50.9

12、0.9931.0541.3862.5585tnn0500.9932.560.90.51.34)1ln(0tnn0.95 30tnn一般应保证一般应保证6 6、调、调Q Q脉冲的时间特性脉冲的时间特性脉冲宽度定义脉冲宽度定义erttt tr:上升时间上升时间(光子数密度由光子数密度由 m/2升至升至 m所用时间所用时间) te:下降时间下降时间(光子数密度由光子数密度由 m降至降至 m/2所用时间所用时间)怎么求？怎么求？t t n nr tp mtetr nt ne t t n0 2m tr te ttp:光子数密度达到光子数密度达到 m的时刻的时刻,相应反转粒相应反转粒子数密度为子数密度为

13、nttr:光子数密度升到光子数密度升到 m/2的时刻的时刻,相应反转相应反转粒子数密度为粒子数密度为 nrte:光子数密度降到光子数密度降到 m/2的时刻的时刻,相应反转相应反转粒子数密度为粒子数密度为 nectnn2dtnd脉冲宽度计算方法脉冲宽度计算方法trnntttcrnnnnnnnndt)ln(0etnntttcennnnnnnndt)ln(0 nr、 ne:分别为光子数密度升、降至分别为光子数密度升、降至 m/2时所对应的反转粒子时所对应的反转粒子数密度，数密度， c:Q开关打开后的腔内光子寿命开关打开后的腔内光子寿命)(2100tttnnnnlnnnnctnn2dtnd)(2210

14、0ttctcctnnnnlnnnnndnnndndnndt由由 和和得得所以所以脉冲宽度的特点脉冲宽度的特点 1)增大增大 , 脉冲的前、后沿均减小，其中前沿比后沿减小的更脉冲的前、后沿均减小，其中前沿比后沿减小的更显著显著tnn0t0nncetcrtt t 10)(tnn20)(tnn85%85%，LNLN晶体晶体0.40.45um,5um,最高透过率可达最高透过率可达98%98%哪种好？哪种好？p利用利用KD*P(磷酸二氘钾磷酸二氘钾）型晶体的）型晶体的纵向电光调纵向电光调Qp利利用用LiNbO3 （铌酸锂）型晶体的（铌酸锂）型晶体的横向电光调横向电光调Q。比较：比较：设计电光调设计电光调

15、Q Q激光器要考虑的问题激光器要考虑的问题调制晶体调制晶体 消光比高消光比高 半波电压低半波电压低 抗激光破坏阈值高抗激光破坏阈值高 透过率高透过率高调制器的电极结构调制器的电极结构 要形成要形成均匀电场均匀电场 纵向运用用环形电极，横向运用用平板电极。纵向运用用环形电极，横向运用用平板电极。对工作物质的要求对工作物质的要求 上能级寿命长，抗激光破坏阈值高上能级寿命长，抗激光破坏阈值高。对泵浦源的要求对泵浦源的要求 泵浦光的泵浦光的脉宽脉宽和工作物质的和工作物质的上能级寿命要匹配上能级寿命要匹配。对对Q Q开关控制电路的要求开关控制电路的要求 开关速度要快，控制要精确。开关速度要快，控制要精确

16、。u巨脉冲形成的三个特殊时刻：巨脉冲形成的三个特殊时刻： . .值阶跃上升的时刻（值阶跃上升的时刻（t t0 0) ) 2 2雪崩过程形成的时刻（雪崩过程形成的时刻（ t t） . .光子数密度达到最大值的时刻（光子数密度达到最大值的时刻（ t tp p) )u三个过程：三个过程： . .自发辐射为主的过程自发辐射为主的过程 . .雪崩过程雪崩过程 . .光子数密度衰减的过程光子数密度衰减的过程u两个时间：两个时间：从从Q Q值最小变到最大需要的时间叫值最小变到最大需要的时间叫开关时间开关时间t tD D-t-t0 0称为脉冲建立的称为脉冲建立的延迟时间延迟时间Q开关开启的快慢直接影响巨脉冲的

17、性能开关开启的快慢直接影响巨脉冲的性能n 快开关快开关u开关时间开关时间远小于远小于脉冲建立的延迟时间脉冲建立的延迟时间l 阶跃函数开关阶跃函数开关n 慢开关慢开关u开关时间与脉冲建立的延迟时间开关时间与脉冲建立的延迟时间相差不多或者更长相差不多或者更长l 线性函数开关线性函数开关l 抛物线函数开关抛物线函数开关u不足：容易引起多脉冲的形成不足：容易引起多脉冲的形成 优点： 开关时间短（可以小到10-9秒）；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

18、。 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。电光调电光调Q Q技术特点技术特点2 2、声光调、声光调Q Q激光器激光器为获得高的衍射效率，通常采用布拉格衍射方式。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？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。等。声光调声光调Q激光器激光器基本结构和工

19、作原理基本结构和工作原理产生布拉格衍射时，衍射光相对于产生布拉格衍射时，衍射光相对于0级光有级光有22角的偏离（如当超角的偏离（如当超声频率在声频率在2050MHz范围时，石英对范围时，石英对1.06m的光波的衍射角为的光波的衍射角为0.3-0.50.3-0.5），这一角度完全可以使光波偏离出腔外，使谐振腔），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处于高损耗低Q值状态。值状态。工作物质反射镜反射镜驱动源声光介质212MPHd 2sin21iIIBragg衍射0级级1级级声光调制器的声光调制器的1级光为腔内损耗，级光为腔内损耗，0级光为激光振荡级光为激光振荡 声光调声光调Q激光器

20、的动态实验激光器的动态实验n 优点优点: : 性能稳定、重复频率高、调制电压低（一般小于性能稳定、重复频率高、调制电压低（一般小于200V200V）；）； 可获得中小峰值功率（几可获得中小峰值功率（几 几百几百KWKW）、高重复频率（）、高重复频率（11几十几十KHzKHz）的短脉冲（几十）的短脉冲（几十 几百纳秒），且脉冲的重复性好；几百纳秒），且脉冲的重复性好； 属于主动调属于主动调Q Q快开关类型，开关时间在快开关类型，开关时间在100ns100ns以上。以上。n 缺点：缺点： 对于高能量激光器的开关能力较差，容易对于高能量激光器的开关能力较差，容易“关不死门关不死门”，所，所以，只能用

21、于低增益的连续激光器上。以，只能用于低增益的连续激光器上。 脉宽比较宽脉宽比较宽 开关速度比电光开关速度比电光Q Q开关慢。开关慢。声光调声光调Q Q技术特点技术特点3 3、可饱和吸收调、可饱和吸收调Q Q激光器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腔内损耗从而达到调Q Q的目的。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。和可饱和吸收染料。染料调染料调Q Q在重复频率不很高的中小功率情况下，是最经在重复频率不很高的中小功率情况下，是最经济实惠

22、的调济实惠的调Q Q方法。方法。可饱和吸收染料调可饱和吸收染料调Q Q原理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，其透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料，其吸收系数吸收系数为：为：01sII光强很小时的吸收系数染料的饱和吸收光强I IS S大小与染料的种类和浓大小与染料的种类和浓度有关，一般来说，染料度有关，一般来说，染料的浓度增加，的浓度增加，I IS S值也增加。值也增加。1102I/I

23、sT0.40.60.81.0染料调染料调Q Q激光器激光器 1)开始泵浦开始泵浦腔内荧光弱腔内荧光弱吸收系数大吸收系数大Q值低值低不能形成激不能形成激光光2)继续泵浦继续泵浦腔内荧光变强腔内荧光变强吸收系数变小吸收系数变小荧光达到一定值荧光达到一定值时，吸收系数饱和时，吸收系数饱和燃料被漂白燃料被漂白 Q值突增，形成激光脉冲值突增，形成激光脉冲泵浦结束泵浦结束激光介质激光介质染料盒染料盒 激光激光全反镜全反镜输出镜输出镜氙灯氙灯装置装置工作过程工作过程对可对可饱和吸收体的要求饱和吸收体的要求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饱和吸收光强：小于激光工作物质的增益饱和光强,I sIs3)吸收饱和光强吸收饱和光强I s的大小的大小要适当要适当I s太大，开关速度慢，影响调太大，开关速度慢，