激光原理与技术：第六章 调Q技术

激光技术-第二讲调Q激光器的基本理论概述第六章调Q技术声光调Q电光调Q被动调Q调Q技术应用第一节概述6.1.1固体激光器的输出特性弛豫振荡的形成（Dn&Nl

的瞬态变化）t1-t2

泵浦激励使Dn增加的速率>受激辐射使Dn减小的速率泵浦能量低于阈值泵浦能量高于阈值

t2-t3

受激辐射使Nl

急剧上升

Dnn极大

t3-t4

受激辐射使Dn<Dnt

Nl急剧下降，Dn

t4-t5

t=t4，受激辐射使Dn减小的速率=泵浦使Dn增加的速率若泵浦作用尚未停止，受激辐射减弱导致t>t5又开始第二个脉冲的建立过程，在整个脉冲泵浦过程中，这种过程反复发生，造成输出激光的一连串尖峰结构。Nl极大n极小Nl极小6.1.2调Q的基本原理2．调节Q值的途径一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。1.谐振腔品质因数Q的定义：ε为腔内储存的总能量，P为单位时间损耗的能量谐振腔的损耗越小，品质因数越高。谐振腔光程长阈值反转粒子数密度增益介质几何长度真空光速3．调Q的过程

(1)能量存储过程谐振腔处于低Q值（高损耗）状态，当光泵的能量被激光介质吸收后，上能级粒子数不断积累，由于阈值太高不能起振，粒子数反转达到最大值。若泵浦功率一定，且Q开关一直不打开，反转粒子数在泵浦和上能级寿命的双重作用下达到稳态值。

该过程的基本特点是：泵浦能量存储在激光上能级上。能量存储过程(2)激光产生与输出过程在t0时刻，损耗突然下降，Q值升高，振荡阈值随之下降，通常满足ΔniΔnt，因此，受激辐射增强非常迅速。

激光快速建立，增益介质中存储的能量在极短的时间内转变为激光的能量，产生一个峰值功率很高的窄脉冲。激光产生过程6.1.3实现调Q对激光器的基本要求（1）工作物质在强泵浦下工作，因此抗损伤阈值要高。并且上能级寿命2较长，使得储能很高。稳态时（2）泵浦速度应尽量快，以减小自发辐射的损耗，在低重复频率调Q激光器中，为得到足够多的粒子数反转，通常取泵浦的持续时间约等于或小于上能级寿命。（3）谐振腔的Q值改变要快，应小于建立激光振荡的时间，如果Q开关时间太慢，会使脉冲变宽，甚至产生多脉冲现象。第二节调Q激光器的基本理论6.2.1调Q的速率方程1.三能级系统速率方程速率方程是调Q激光器的基本理论假设条件：(1)g1=g2；

(2)增益介质长度等于腔长，设为l，模式体积设为V；

(3)Q突变过程中，忽略泵浦和自发辐射过程。n3=0w13S32A21S21w21w12E1E2E3忽略泵浦和自发辐射过程，取g1=g2：光子数密度，和教材一致根据：左式即蓝信锯《激光技术》2.2-4式，为三能级调Q激光振荡的速率方程。注意：教材中=1/R，表示单位时间的损耗。2.四能级系统速率方程类似推导得到：w03S32S21A21W21E3E2E1E0S10n3=0n1=06.2.1调Q的速率方程假定腔内损耗在时间上有一阶跃突变在t=0之前，初始反转粒子数密度为ni，其求解方法见第四章第四节。对于三能级系统：在t=0时刻，初始反转粒子数密度为ni，光子数密度=i

=0。之后，急剧增加，n开始剧减。在n=nt时，腔内光子数密度达到极大值m从对n积分积分得到1.调Q脉冲的峰值功率如果初始反转粒子数ni大大超过阈值反转粒子数nt（高Q值状态）则得：若除输出外其它损耗可忽略否则2.调Q脉冲的能量及能量利用率激光脉冲的能量是由消耗反转粒子数的受激辐射过程产生的，若以光子数密度从极大值m下降到f的时间作为脉冲结束，f

0，f对应的反转粒子数密度为nf脉冲能量能量利用率有效输出占总损耗的比重3.调Q脉冲的时间特性当反转粒子数密度降低到n´时，光子数密度为´对特定时刻为t，反转粒子数密度n，对应光子数密度为光子数密度满足：从而得到与t的关系，进一步得到输出功率与t的关系。脉冲宽度t的半高宽定义：在激光脉冲中，功率降到峰值功率的一半所对应的两个时刻之差ni/nt是一个极为重要的参量，其值越高，输出功率越高，脉冲宽度越窄，nf越小，总体效率越高。ni/nt越高，激光脉冲的上升时间越短；谐振腔损耗越高，脉冲的下降时间越短。在激光器设计中，应对增益和损耗进行综合优化。工程上脉冲宽度的计算公式：解：峰值光子数峰值功率脉冲能量脉冲宽度自学：快开关和慢开关的特性注意：在慢开关的情况下必须数值求解具体计算作为作业损耗系数对于四能级系统，可采用相同方法求解：峰值光子数密度峰值功率脉冲能量能量利用率工程上脉冲宽度的计算公式：思考：调Q速率方程还可以从哪些方面进行修正?第三节电光调Q

利用某些晶体的电光效应可以做成电光Q开关器件。特点：开关时间短（约10-9s），调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽度窄（～10ns），峰值功率高（几十MW以上）6.3.1带偏振器的电光调Q器件激光工作物质是Nd:YAG晶体；偏振器采用方解石空气隙格兰-傅克棱镜，或采用镀光学薄膜的偏振分光镜；调制晶体用KDP，纵向或横向应用，晶体两端的电极与电源相接调Q过程：YAG晶体在氙灯的光泵下发射自发辐射光，经过偏振棱镜后变成x方向线偏振光。若电光晶体未加电压，光通过电光晶体后，其偏振状态不发生变化，经全反镜反射后，再次通过电光晶体和偏振器，电光Q开关处于“打开”状态。若电光晶体上施加/4电压，沿x方向的线偏振光通过晶体后，变成圆偏振光，经全反射镜反射回来，再次通过调制晶体，变成沿y方向振动的线偏振光，不能再通过偏振棱镜，电光Q开关处于“关闭”状态，阻断激光振荡的形成。通常在氙灯刚开始点燃时，事先电光在晶体上加/4电压调Q过程：待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去晶体上的/4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。Q开关打开的时机：对于氙灯的脉冲泵浦，时机的选择很重要，当上能级反转的粒子数达到最大时，立即“打开”开关的效果最好。对于LD泵浦，泵浦时间大于上能级寿命时，反转粒子数达到稳态值，通常取泵浦时间约等于上能级寿命。调Q工作程序：对电容C充电，并接于氙灯电极，但不导通故不点燃。给KDP加电压，使腔处于关闭状态。时标信号发生器发出脉冲信号，停止对电容充电，同时触发器点燃氙灯，反转粒子数开始大量积累。当粒子数反转到最大时，通过延时电路的信号加到闸流管，电光晶体上的电压瞬时退掉，形成激光振荡和巨脉冲输出。调节延时时间，使输出激光最强。关断效果的调试：为达到最好的关断效果，必须严格保持偏振棱镜的起偏方向与电光晶体的x轴或y轴方向一致。调试方法：在晶体加电的状态下，转动偏振棱镜和晶体的相对角度，直到激光不能振荡。必要时调试驱动电压。对电光晶体的要求：/4电压低、消光比高、激光波长处吸收系数小、能承受的功率密度高。常用的电光晶体：KDP，KD*P，ADP，LiNbO3，LiTaO3等RTP，200kHz，1000VRTP，200kHz，1000V(/2)KD*P，6000V(/2)莱茵光电，1-10Hz,10ns,1J中科紫玉，1-5Hz,10ns,100J国科，1-20Hz,10ns,2J西物激光,10ns,1J6.3.2单块双45°电光调Q器件(不做要求)LiNbO3晶体同时产生电光晶体和偏振器的作用。工作原理：未加电压的情况

无规偏光沿y轴入射晶体，分解为沿x轴振动的o光和沿z轴振动的e光。

o光反射后沿晶体的光轴传播。

e光反射后振动方向仍平行于主截面，其折射率变为ne´(no)

第二次反射时，o光仍以45°反射，与入射光平行。

e光折射率由ne´变回ne，其反射角又变回45°，反射光与入射光平行。

两束光之间的距离为光轴（z轴）沿长方体的轴向，电压沿x轴加到晶体上工作原理：加电压Vx=V/2

在AB段，入射光的传播情况与未加电压时基本相同。

Vx=V/2时，BC段相当于半波片。

原来的o光变成了e´光。

原来的e光变成o´光，经过第二个反射面反射时，计算得到

第一个反射面的前段相当于一个起偏器，第二个反射面的后段相当于一个检偏器，加电后的晶体相当于在两个偏振器之间夹一块调制晶体。调Q过程：加电压Vx=V/2

通过晶体后的o光和e光都偏离原来入射光的传播方向，这时，腔内光路不通，不能形成激光振荡。在光泵的作用下，积累反转粒子数。撤去电压

腔内构成光的通路，相当于处于“开启”状态，Q值突增，激光振荡形成。

实际上，由于晶体的退偏度、光束的发散角、晶体几何尺寸的误差，从第一个斜面上反射的光不是完全线偏振光，而是偏心率很大的椭圆偏振光，使得输出四条光线。光预偏置技术（自学）：目的：使两束线偏振光都旋转90°，改善关断效果。方法：使入射光束预先偏斜一个小角度。单块单45°电光Q开关（了解）6.3.3脉冲透射式（PTM）调Q脉冲反射式（PRM）与脉冲透射式（PTM）调Q：PRM:常规调Q激光器中，以上能级粒子数的形式存储能量，输出反射镜输出激光脉冲，称为脉冲反射式调Q。PTM

基本特点：以腔内光子数的形式存储能量，高Q储能低Q释放。

结构与原理：将PRM式调Q激光器的输出镜换成全反镜，Q开关打开后，光子在腔内往返振荡而无输出，直到工作物质的反转粒子全部转化为腔内光子能量，此时瞬间将光子能量全部透射输出，称为脉冲透射式（PTM）调Q。

先振荡达到最大值，再瞬间释放出去，故又称为“腔倒空”。实现方式一：储能过程

首先电光晶体上不加电压，积累反转粒子数，而后在电光晶体上加上半波电压，Q值突增，激光振荡迅速形成。释放过程

当腔内激光振荡的光子密度达到最大值时，迅速撤去晶体上的电压，腔内存储的最大光能量瞬间透过棱镜P2而耦合输出。实现方式二：储能过程

首先电光晶体上加/4电压，Q开关处于关闭状态，积累反转粒子数，而后瞬间撤去电压，Q值突增，激光振荡迅速形成。释放过程

当腔内激光振荡的光子密度达到最大值时，迅速在晶体上加/4电压，腔内存储的最大光能量瞬间经棱镜P反射而耦合输出。单块双45°电光调Q器件的PTM运转(不要求)：储能过程

首先电光晶体上不加电压，腔损耗很大，积累反转粒子数，而后瞬间加上半波电压，Q值突增，激光振荡迅速形成。释放过程

当腔内激光振荡的光子密度达到最大值时，迅速撤去电压，腔内存储的最大光能量瞬间输出。PTM运转方式：优点：脉冲宽度窄，峰值功率高缺点：能量释放时刻难以控制，脉冲噪声大，光束质量难控制6.3.4调Q技术的其它功能调Q的基本功能是获得窄脉宽、高峰值功率的巨脉冲。Q开关不仅能有效的控制激光能量和功率特性，还可以控制激光的空间和频率特性选横模的功能:在临界激光（预激光）状态产生基横模“种子”，接着Q开关完全打开，使种子放大，得到功率足够高的基横模激光。选单纵模的功能在单横模基础上，开始时，Q开关处于不完全关闭的状态。在靠近中心频率附近形成单纵模振荡，而后Q开关完全打开，以之为种子获得单纵模脉冲激光输出。第四节设计电光调Q激光器应考虑的问题（了解）

6.4.1调Q晶体材料的选择消光比高，晶体折射率的均匀性好透过率高。半波电压低，驱动功率低。抗破坏阈值高。晶体防潮，KDP类晶体易潮解，LN晶体不潮解6.4.2调Q晶体的电极结构KDP类晶体大多采用纵向应用，采用环状电极结构。LN类晶体采用横向应用，采用平板电极结构。6.4.3对激光工作物质的要求储能密度高，上能级寿命长。抗损伤阈值高。6.4.4对光泵浦灯的要求效率高，与激光工作物质光谱匹配好。寿命长，可靠性高。6.4.5对Q开光控制电路的要求Q开关速度快。效率高，功耗小。电光调Q激光器的新进展与新思想复合腔电光调Q微晶片激光器1995年

MIT，J.J.Zayhowski等提出Nd:YAG/LiTaO3结构，腔长1.4mm输出脉冲能量12μJ重复频率1kHz，脉宽115ps，峰值功率90kW。重复频率2.25MHz，脉宽8.8ns，峰值功率16W。镀膜低压电光调Q激光器思考：如何调Q？第五节声光调Q6.5.1声光调Q的基本原理声光Q开关的结构--与声光调制器基本相同声光介质采用熔融石英、玻璃和钼酸铅等。换能器采用石英、铌酸锂等晶体等。吸声材料采用铅玻璃、玻璃棉等。高频振荡信号加到换能器上，当光束通过声光介质时，产生布拉格衍射，谐振腔处于高损耗低Q值状态，即“关断”状态。撤去高频信号，谐振腔处于低损耗高Q值状态，即“打开”状态。吸声器换能器声光介质声光Q开关的打开时间--由关断到打开的时间主要由声光渡越时间决定，对熔融石英约为200ns。为避免多脉冲的产生，声光Q开关一般用于增益较低的连续泵浦激光器，重频一般为1～200kHz。目前通过对激光器的优化设计，重频可达到1MHz以上。6.5.2声光调Q器件的结构及设计

声光调Q器件一般都采用行波工作方式，必须使用吸声材料或吸声装置，以消除超声波的反射。

应用中应减小超声衰减时间（RFFallTime），减小超声渡越时间。吸声器换能器声光介质材料的选择电声换能器选择石英晶体片和LN晶体片。声光介质的选择应考虑介质的品质因数、对激光的透过率、热稳定性、光学均匀性、抗损伤阈值等。

①氧化碲和钼酸铅的品质因数高，但对1μm激光透过率低，不适于高功率激光。

②熔融石英品质因数不高，但透光性好、抗损伤阈值高、声光渡越时间小，是高功率激光器常用的声光介质。器件的设计布拉格衍射效率：L/H的比值越大，衍射效率越高。H的选择应比光斑直径稍大。换能器的厚度为超声波的半波长。声光介质的通光面与超声波面磨成90°-B角，以保证垂直通光面入射，方便光路对准，且此时表面反射损耗最小。声光介质与换能器的粘接工艺（了解）通光方向器件的结构形式器件在工作过程中产生热量，影响器件的性能，应考虑散热问题。驱动声功率的确定根据衍射效率公式，要使衍射效率逼近100%，所需声功率

此外，在超声场的状态转换中，与其上升时间相比，超声场的下降时间更重要，超声场的下降时间和超声渡越时间决定了Q开关的打开时间，该打开时间应小于脉冲建立时间，以避免激光脉冲展宽或者多脉冲的产生。与水的品质因数的比值.6.5.3声光调Q动态实验及输出特性调Q运行程序启动泵浦，输出激光。向Q开关注入高频电信号，关断激光。向Q开关注入脉冲调制信号，产生周期

激光脉冲。声光调Q激光器的新进展1声光调Q激光器的新进展22005OpticalSocietyofAmerica声光调Q激光器的新进展3TsinghuaUniversity声光调Q激光器的新进展4—端面泵浦折叠腔AOQ-switch2006第五节被动调Q特点：利用某些可饱和吸收体本身特性，自动的改变Q值。不需要高压、高速电源驱动，综合效率高。6.6.1可饱和吸收染料的调Q原理某些有机染料是一种非线性吸收介质，其吸收系数随着光强的增大而减小，直至透明，吸收系数的表达式为饱和吸收光强初始吸收系数饱和吸收光强与染料的种类和浓度有关，一般随浓度的增加而增大。调Q过程描述1：见教材。调Q过程描述2：随着反转粒子数的积累，到足以克服初始吸收和其它损耗时，激光开始建立，随着光强的增大，吸收系数减小，即谐振腔损耗减小，这种“正反馈”作用，加速了激光脉冲的建立，产生一个窄而强的调Q脉冲。用作调Q对染料的要求：①对激光波长有吸收峰；②对激光的受激吸收截面比增益介质的受激发射界面大；③染料的上能级寿命足够长，应大于光脉冲建立时间。6.6.2饱和吸收的速率方程将染料近似为二能级系统，对于四能级增益介质，速率方程为其中，为腔内光子数，N2为增益介质上能级粒子数，Na1、Na2和Na0分别为染料基态能级、上能级和总粒子数，Wa12和Wa21分别为染料的受激吸收和受激辐射速率，Va为增益介质内的模式体积，a为染料上能级寿命被动调Q速率方程的解析解可参考：吴念乐等，含Cr离子饱和吸收体被动调Q解析解，光学学报，1996，16（12）：1813－1818被动调Q的过程腔内光子数增益介质反转粒子数可饱和吸收体基态和上能级粒子数之差单脉冲建立过程腔内光子数增益介质反转粒子数可饱和吸收体基态和上能级粒子数之差6.6.3染料调Q激光器及其输出特性为避免寄生振荡，最好把染料盒放置成与全反镜有一倾斜角1.染料的选择应考虑的要求(1)染料的吸收峰应与激光波长基本吻合(2)染料要有适当的饱和光强值，太小则反转粒子数积累不充分，太大则阈值太高，难以形成激光振荡(3)染料溶液要有一定的稳定性，包括保存时间，强光辐射和紫外光照射的影响，染料的氧化。2.影响染料调Q输出特性的因素(1)染料浓度，提高浓度，脉冲峰值功率提高，同时泵浦阈值提高，激光效率降低，存在一个最佳浓度（或初始透过率）使激光器的输出能量和阈值能量之比最大。(2)输入能量与多脉冲的产生。(3)染料盒，其厚度越大，损耗越大，但厚度太小会影响流动性和使用寿命。(4)谐振腔输出镜反射率，太高则反转粒子数积累不充分，输出峰值功率低，激光效率低；太低则无法形成调Q脉冲；理论计算表明可饱和吸收体的初始透过率应约等于输出反射率*。*参考：J.J.Zayhowski,andA.L.Wilson,"Short-pulsedNd:YAG/Cr4+:YAGpassivelyQ-switchedmicrochiplasers,"inConferenceonLasersandElectro-OpticsEurope(2003,paperCThF2)6.6.4LiF:F2-色心晶体（可饱和吸收）调Q(了解)某些色心晶体具有合适的吸收截面和上能级寿命，在较低的光强作用下，可进入非线性的饱和状态。按照二能级系统粒子模型，可饱和吸收体的饱和光强LiF色心晶体的优点：使用简便，光学质量稳定，不潮解，热导率高，损伤阈值高。LiF色心晶体在0.96μm处有一强吸收峰，与Nd离子的发射波长吻合较好，可作为Nd:YAG和钕玻璃激光器的Q开关。实施例：作为Nd:YAG激光器的Q开关，在37.5J泵浦能量下，获得脉冲宽度25ns，能量100mJ的输出。以Cr4+:YAG晶体的出现为代表，使被动调Q固体激光器走向实用，并促使大量产品问世。6.6.5二极管泵浦的被动调Q激光器（了解）Cr4+:YAG晶体具有优异的光学质量，性能非常稳定，很高的热导率和抗损伤阈值，是理想的可饱和吸收材料Cr4+:YAG晶体的能级结构Cr4+:YAG晶体可作为0.8μm-1.2μm激光的被动Q开关。其它常用的可饱和吸收体还包括GaAs、SE