激光技术第三讲课件

调Q技术应用调Q技术应用1第一节概述5.1.1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第一节概述5.1.1固体激光器的输出特性弛豫振荡的形成2

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t2-t3受激辐射使Nl急剧上升n极大t3-35.1.2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5.1.2调Q的基本原理2．调节Q值的途径1.谐振腔品43．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3．调Q的过程能量存储过程5(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(2)激光产生与输出过程激光产生过程65.1.3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，一般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。5.1.3实现调Q对激光器的基本要求（1）工作物质在强泵浦7第二节调Q激光器的基本理论5.2.1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第二节调Q激光器的基本理论5.2.1调Q的速率方程速8忽略泵浦和自发辐射过程，取g1=g2：光子数密度，和教材一致忽略泵浦和自发辐射过程，取g1=g2：光子数密度，和教材一致9根据：左式即教材5.2-4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=0根据：左式即教材5.2-4式，为三能级调Q激光振荡的速率方程105.2.1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，其求解方法见第三章第六节。对于三能级系统，由5.2-4式：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m5.2.1调Q的速率方程假定腔内损耗在时间上有一阶跃突变在11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从对n积分积分得到1.调Q122.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133.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´对特定反转粒子数密度n，对应光子数密度为，时刻为t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。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14脉冲宽度t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，nf越小，输出功率越高，脉冲宽度越窄，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：脉冲宽度t半高宽定义：在激光脉冲中，功率降到峰值功率的一半15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16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?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17调Q技术应用调Q技术应用18第一节概述5.1.1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第一节概述5.1.1固体激光器的输出特性弛豫振荡的形成19

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t2-t3受激辐射使Nl急剧上升n极大t3-205.1.2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5.1.2调Q的基本原理2．调节Q值的途径1.谐振腔品213．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3．调Q的过程能量存储过程22(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(2)激光产生与输出过程激光产生过程235.1.3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，一般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。5.1.3实现调Q对激光器的基本要求（1）工作物质在强泵浦24第二节调Q激光器的基本理论5.2.1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第二节调Q激光器的基本理论5.2.1调Q的速率方程速25忽略泵浦和自发辐射过程，取g1=g2：光子数密度，和教材一致忽略泵浦和自发辐射过程，取g1=g2：光子数密度，和教材一致26根据：左式即教材5.2-4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=0根据：左式即教材5.2-4式，为三能级调Q激光振荡的速率方程275.2.1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，其求解方法见第三章第六节。对于三能级系统，由5.2-4式：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m5.2.1调Q的速率方程假定腔内损耗在时间上有一阶跃突变在28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从对n积分积分得到1.调Q292.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303.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´对特定反转粒子数密度n，对应光子数密度为，时刻为t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。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31脉冲宽度t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，nf越小，输出功率越高，脉冲宽度越窄，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