7激光调Q技术

1、浙江工贸职业技术学院单元教学设计20 20 学年 第 学期课程名称： 激光原理与技术 授课班级： 光机电1301 任课教师： 张玄和 所在院（系）： 材料工程系 单元序号及单元标题：10.激光调Q技术 授课班级上课时间 周 月 日 第 节上课地点 周 月 日 第 节教学目的使学生了解激光调 Q 技术 。使学生明白调的基本原理。教学目标能力（技能）目标知识目标使学生了解声光调Q的原理。使学生了解染料调Q的原理。使学生了解脉冲固体激光器的输出特性。使学生了解Q开关激光器的特点。使学生了解电光晶体调Q的原理。重点难点及解决方法通过对不同种类调Q技术的对比分析，使学生充分认识调Q的原理在激光技术中的重

2、要性参考资料单元教学设计基本框架第一部分：组织教学和复习上次课主要内容 （时间： 分钟）对模式选择技术内容进行总结回顾，引入调Q技术内容的教学第二部分：学习新内容调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它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。调Q技术的目的：压缩脉冲宽度，提高峰值功率。普通的脉冲激光器, 光脉冲的宽度约在ms级, 峰值功率也只有几十kW.调 Q 激光器, 光脉冲的宽度可以压到ns级, 峰值功率也已达到MW.【步骤一】说明主要教学内容、目的 （时间： 分钟）说明调Q技术的重点【步骤二】 新知识的引入 （时间： 分钟）通

3、过粒子翻转的现象引入调Q技术【步骤三】调的基本原理 （时间： 分钟） 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。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 (一般为几十千瓦数量级) 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

4、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。v 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。Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以经由改变谐振腔的Q值 (或损耗) 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。 【步骤四】小结 （时间： 分钟）(1)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。 (2)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

5、损耗随时间按一定程序变化的技术。【步骤五】脉冲固体激光器的输出特性 （时间： 分钟） 将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的，如图(a)所示。每个尖峰的宽度约为0.11s，脉冲间隔为数微秒，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦持续时间相等。 图(b)所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现象称为激光器弛豫振荡。产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦激发，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

6、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来描述。它示出了在弛豫振荡过程中粒子反转数n 和腔内光子数的变化，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n增长，但尚未到达阈值n阈因而不能形成激光振荡。)第一阶段(t1一t2)：激光振荡刚开始时，n n阈， 0；由于光泵作用， n继续增加，与此同

7、时，腔内光子数密度也开始增加，因的增长而使n减小的速率, 小于泵浦使n 增加的速率，因此n一直增加到最大值。 第二阶段(t2一t3) ： n到达最大值后开始下降，但仍然大于n阈 ，因此 继续增长，而且增长非常迅速，达到最大值。第三阶段(t3一t4)： n n阈 ，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n又达到阈值nt ，于是又开始产生第二个尖峰脉冲。第四阶段(t4一t5)：开始产生第二个尖峰脉冲, 是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

8、功率越大, 尖峰脉冲形成越快, 因而尖峰的时间间隔越小。【步骤六】小结（时间： 分钟）(1) 普通脉冲固体激光器输出的脉冲，其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的。 (2) 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。【步骤七】Q开关激光器的特点 （时间： 分钟）特点 1: 通过改变Q值, 即改变阈 值，控制激光产生的时间。图(a)表示泵浦速率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), 与损耗成反比。图(c)表示粒子反转数n的变化；nt:阈值粒子反

9、转数。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ni，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ni >>nt (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。调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数增长十分缓慢，如左下图所示，其值始终很小，受激辐射几率

10、很小，此时仍是自发辐射占优势。当振荡持续到ttD时，光子数增长到了D ，雪崩过程才形成， 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巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间t (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， ni= nt，光子数达到最大值m之后，由n nt ，则 迅速减少，此时n = nf ，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(ni= nt)的时刻。特点 3: 开关时间从Q值最小变到最大Q值, 即损耗从最大变到最小需要的时间叫开关时间。开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小分为快、慢两种类型。 【步骤八】 小结 （时间： 分钟）(1)在泵浦过程的大部分时间里, 谐振