第十六十七次课激光原理课件

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0.11s3、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) 影响测距精度激光测距仪激光雷达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：如何获得巨脉冲？

2、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： 泵浦初期 (激光产生之

3、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( ntnt)1、腔损耗(1)t0(Q开关打开后): ( )3、泵浦速率(1)t0: Wp小ntnt nitd0mnfWpt

4、4、反转粒子数n(1) t0: n减小(4) t=td: n=nt(nt n0 nt)5、腔内光子数密度(1)0tnt而增强(2) ttd: 因n0: 振荡结束时残余反转粒子数为n=nfntnt n0td0mnfWpt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QW12E1E2S21A21W21P26(2.15) B12g1=B21g2P39(2.50) W21=B21 W12=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

5、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1e0e-2e2e2-3五、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)开关比; 如何使 大 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

6、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010.10.50.90.9931.0541.3862.5585500.9932.560.90.51.34一般应保证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？tnnr tpmtetrnt ne tn0 trtettp:光子数密度达到m的时刻,相应反转粒子数密度为nttr:光子数密度升到m/2的时刻,相应反转粒子数密度为

7、nrte:光子数密度降到m/2的时刻,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t85%，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

8、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

9、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。 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

10、相对于0级光有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。工作物质反射镜反射镜驱动源声光介质Bragg衍射0级1级声光调制器的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

11、激光器上。脉宽比较宽开关速度比电光Q开关慢。声光调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。1102I/IsT0.40

12、.60.81.0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激光介质染料盒 激光全反镜输出镜氙灯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,IsIs3)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技术的特点优点：结构简单，使用方便，没有电的干扰;无需外界信号控制，属被动式快开关；适用于脉冲激光器，可获得峰值功率为几兆瓦、脉宽为十几纳秒的巨脉冲。缺点由于它是一种被动式Q开关，产生