被动调Q激光器输出特性的控制技术研究

】７６７ｌ工２密级＝殷分类号Ｑ垒圣里⑨万ＸＩ’ＡＮ如ＴＥＣＨＮＯＬ。Ｇ砻ＩＣＡＬ乒ＵＮＩＶＥ墨硕士学位论文题目：垫塾塑Ｑ邀堂墨逾当堑：堕塑蕉型堇查丛窒吴昊申请学位学科：光学２０１０年５月２８日｝｜｜ＩｌｌｌｌＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＩＪ；Ｙ１７５０１４３被动调Ｑ激光器输出特性的控制技术研究学科：光学研究生签字：昊昊指导教师签字．孝抗军摘要近些年激光二极管泵浦的固体激光器已经成为国际上新型固体激光器研究和开展的热点，这与它所具备的寿命长、结构紧凑、工作稳定、效率高等优点是分不开的。这种激光器的泵浦源采用光谱较窄的半导体激光器，使激光器的整体效率和可靠性得到了大幅度的提高，同时光束质量也得到了极大的改善。因此被称之为激光史上的一次革命。伴随着大功率半导体激光器技术的不断完善和开展，国内外学者的研究热点已经转向了高功率二极管泵浦固体激光器。可以预见高功率二极管泵浦的固体激光器将是国际上开展最快的、最有潜力的新型激光器之一。在激光技术的应用方面，激光雷达，脉冲激光测距等相关激光技术，在调Ｑ技术的产生和开展下，都受到了很大的推动作用。本论文主要针对ＬＤ泵浦固体激光器的被动调Ｑ激光器进行了研究，总结了当今调Ｑ激光器的研究现状和开展，讨论了典型的固体激光工作物质Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶体连续工作时的根本原理，并在此根底上建立了实验结构，研究了连续泵浦下激光器的输出特性：在考虑实际中可能存在泵浦光离轴的情况下，根据激光器速率方程理论，从数值计算和实验两个方面研究了离轴量对激光器输出特性的影响；说明随着离轴量的增加，激光器输出特性变差。分析比拟了几种主要的调Ｑ方式，论述了调Ｑ激光器的弛豫振荡理论和Ｃｒ４十：ＹＡＧ晶体的可饱和吸收特性，在此根底上根据速率方程分析讨论了Ｃｒ４＋：ＹＡＧ被动调Ｑ激光器的根本理论。构造了端面泵浦的被动调Ｑ激光器实验结构，对Ｃｒ４＋：ＹＡＧ被动调Ｑ的Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光器进行了实验研究；着重研究了泵浦功率、谐振腔长以及输出镜透过率等因素对激光输出脉冲序列的重复频率、脉冲宽度以及输出功率的影响。根据被动调Ｑ激光器的工作原理，从理论分析对被动调Ｑ激光器实现主动控制的可行性，即通过外加的ＬＤ来实现对被动调Ｑ激光器输出脉冲的重复频率、脉冲宽度、翻开关闭时间等参数的主动控制，并给出三种腔型结构。关键词：固体激光器；被动调Ｑ；端面泵浦：Ｃｒ４＋：ＹＡＧＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐａｓｓｉｖｅｌｙＱ·－ｓｗｉｔｃｈｅｄｌａｓｅｒｏｕｔｐｕｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＤｉｓｃｉｐｌｉｎｅ：ＯｐｔｉｃｓＳｔｕｄｅｎｔＳｉｇｎａｔｕｒｅ：襄更币己彳乙此础叼ＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒＳｉｇｎ枷节厶眦ｉｐ，１．，ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｉｏｄｅｐｕｍｐｉｎｇｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅｌａｓｅｒｓｈａｖｅｂｅｃｏｍｅａｈｏｔｓｐｏｔｆｏｒｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｎｅｗｔｙｐｅｏｆｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅｌａｓｅｒｆｏｒｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｕｎｉｑｕｅｍｅｒｉｔｓ，ｓｕｃｈａｓｌｏｎｇｕｓｅｆｕｌｔｉｍｅ，ｃｏｍｐａｃｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄｈｉ．ｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｓｏｏｎ．ＷｈａｔｋｉｎｄｏｆｔｈｅｐｕｍｐｓｏｕｒｃｅａｄｏｐｔｅｄｉｎｔｈｉｓｔｙｐｅｏｆｄｉｏｄｅｌａｓｅｒｉｓｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｗｈｉｃｈＣａｌｌｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｓａｎｄｍａｋｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｂｅａｍｂｅｔｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｈｉｇｈｐｏｗｅｒｄｉｏｄｅｐｕｍｐｉｎｇｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅｌａｓｅｒｓｉｓｒｅｇａｒｄｅｄａｓｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｌａｓｅｒｈｉｓｔｏｒｙ．Ｗｉｔｈｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌｌｉｇｈｐｏｗｅｒｄｉｏｄｅｌａｓｅｒｓ，ｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｓｃｈｏｌａｒｓｈａｖｅｐａｉｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｔｈｅｌｌｉｇｈｐｏｗｅｒｏｆＤＰＳＳＬ．Ｉｔｃａｎｂｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｔｈａｔｈｉｇｈｐｏｗｅｒｗｉｌｌｂｅｃｏｍｅｏｎｅｏｆｔｈｅｎｅｗｔｙｐｅｌａｓｅｒｓｗｉｔｈｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｍｕｃｈｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｔｙｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄ．Ｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｒｅｌａｔｅｄｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｓｕｃｈａｓｌａｓｅｒｒａｄａｒｐｕｌｓｅｌａｓｅｒｒａｎｇｅｆｉｎｄｅｒｈａｖｅｂｅｅｎｇｒｅａｔｌｙｐｒｏｍｏｔｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＱ··ｓｗｉｔｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｓｔｏｍａｋｅａｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｔｈｅｈｉｇｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙＱ··ｓｗｉｔｃｈｓｙｓｔｅｍｉｎＬＤｐｕｍｐｅｄｓｏｌｉｄｌａｓｅｒ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＱ－ｓｗｉｔｃｈｌａｓｅｒａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｔｙｐｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｎＮｄＪ々翰Ｇ．砀ｅｔｈｅｓｉｓｗｉｌｌａｌｓｏｍａｋｅａｓｔｕｄｙｔｏｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｃｒｙｓｔａｌｓｗｈｅｎｔｈｅｙａｒｅｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｐｕｍｐｅｄｌａｓｅｒｓｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ－ｔｈｅｒｅａｌｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓｔｈａｔｔｈｅｏｆｆ－ａｘｉｓｐｕｍｐｉｎｇｍａｙｅｘｉｓｔ，ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｍａｋｅｓｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｔｈａｔｏｆｆ－ａｘｉｓｍａｇｎｉｔｕｄｅｐｒｏｄｕｃｅｏｎｔｈｅｌａｓｅｒ’ｓｏｕｔｐｕｔｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｏｕｔｐｕｔｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｌａｓｅｒｓｗｉｌｌｂｅｃｏｍｅｐｏｏｒ、航ｔｌｌｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｏｆｆ－ａｘｉｓｖｏｌｕｍｅ．，ｎｌｅｔｈｅｓｉｓａｌｓｏｍａｋｅｓａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｏｓｅｖｅｒａｌｍａｉｎｋｉｎｄｓｏｆＱ—ｓｗｉｔｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄｓｔａｔｅｓｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｒｅｌａｘａｔｉｏｎｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ，ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＣｒ’十：ＹＡＧａｎｄｓａｔｕｒａｔｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅｐａｐｅｒｗｉｌｌａｎａｌｙｚｅａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｔｌｌｅＣｒ４＋：ＹＡＧａｎｄｐａｓｓｉｖｅｌｙＱ—ｓｗｉｔｃｈｅｄｌａｓｅｒａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｒａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｓ．ＴｈｅｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｔｈｅｐａｓｓｉｖｅｌｙＱ—ｌａｓｅｒｅｎｄｐｕｍｐｉｎｇｗｉｌｌｂｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．ＴｈｅｔｈｅｓｉｓｗｉｌｌａｌｓｏｍａｋｅａｉｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙＯＵＣｒ’十：ＹＡＧｐａｓｓｉｖｅｌｙＱ－ｓｗｉｔｃｈＮｄ’十：ＹＡＧｌａｓｅｒ．Ｉｔｐｕｔｍｕｃｈｅｍｐｈａｓｉｓｏｎｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｔｈａｔｔｈｅｆａｃｔｏｒｓ，ｓｕｃｈａｓ，ｔｈｅｐｕｍｐｐｏｗｅｒ，ｃａｖｉｔｙｌｅｎｇｔｈａｎｄｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅｏｆｏｕｔｐｕｔｍｉｒｒｏｒ，ｐｒｏｄｕｃｅｏｎｔｈｅｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｌａｓｅｒ’Ｓｏｕｔｐｕｔｐｕｌｓｅｓｅｑｕｅｎｃｅ，ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈａｎｄｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ．ＴｈｅｐａｐｅｒｗａｎｔｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆａｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｐａｓｓｉｖｅＱ－ＬａｓｅｒｆｒｏｍｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆｐａｓｓｉｖｅＱ－ｌａｓｅｒ，ｔｈａｔｉｓ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｄｄｅｄＬＤｔｈｅｔｈｅｓｉｓａｉｍｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅａｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｏｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ仔ｅｑｕｅｎｃｙｏｆｐａｓｓｉｖｅ０－ｌａｓｅｒｏｕｔｐｕｔｐｕｌｓｅ，ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈａｎｄｏｎ－ｏｆｆｓｗｉｔｃｈ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅｌａｓｅｒ；ｐａｓｓｉｖｅｌｙＱ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ；ｅｎｄ－ｐｕｍｐｅｄ；Ｃｒ４＋：ＹＡＧ目录１绪论………………．．１１．１引言…………………１１．２激光器调Ｑ技术产生的背景………．２１．３国内外研究开展状况……??１．３．１国外研究现状…………………３１．３．２国内研究现状…………………４１．４本论文的研究内容及方案…………一４２ＬＤ泵浦Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光器连续输出特性的研究…………６２．１ＬＤ泵浦固体激光器的主要方式……………………．６２．１．１端面泵浦………………………６２．２．１侧面泵浦………………………６２．２Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶体的根本特性………一６２．３ＬＤ泵浦Ｎｄ３＋：ＹＡＧ晶体的理论研究………………７２．４ＬＤ端面泵浦Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光器的实验研究………８２．４．１ＬＤ输出特性的测量…………．．８２．４．２端面泵浦的实验研究…………１０２．４．３端面离轴泵浦的研究…。……………………ｌＯ３激光器调Ｑ技术的根底理论……………．１７３．１弛豫振荡现象………………………１７３．２品质因数Ｑ…………１８３．３调Ｑ的根本原理…………………．．１８３．４激光器的储能方式…………………１９３．４．１工作物质储能………………．１９３．４．２谐振腔储能…………………．１９３．５实现调Ｑ对激光器的根本要求……………………１９３．６目前主要的调Ｑ方式………………２０３．６．１主动调Ｑ……………………．２０３．６．２被动调Ｑ……………………．２ｌ３．６．３主动调Ｑ与被动调Ｑ的比拟………………．２２４Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体的理论研究……………．．２３４．１Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体的根本性质………．２３４．２Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体能级系统的速率方程……………．２４４．３速率方程的求解……………………２５ｉ５Ｃｒ４＋：ＹＡＧ被动调Ｑ激光器输出特性的实验研究………２９５．１实验方案……………２９５．２实验装置……………２９５．３实验结果与分析……………………３０５．３．１泵浦功率对输出功率和脉冲重复率的影响…………………３０５．３．２输出镜透过率对输出功率和脉冲重复率的影响……………３２５．３．３腔长对输出功率和脉冲重复率的影响……．．３３５．３．４实验结果分析………………．３４５．４被动调Ｑ主动控制技术…………．．３５５．４．１被动调Ｑ的主动控制技术的理论分析……．．３５５．４．２被动调Ｑ的主动控制技术的装置结构……．．３７６总结与展望…：……………３９参考文献………………．：…………………．．４１攻读硕士学位期间发表的论文……………．４４致谢……………………４５学位论文知识产权声明……………………．４６学位论文独创性声明………………………４７１绪论１绪论激光的创造极大地改变了人类的生活。激光的创造是在电子技术和光学技术开展的大力推动下产生的。上世纪５０年代，由于现代物理学，特别是原子物理和量子力学的开展，为激光技术的开展奠定了理论和技术根底。半导体激光器泵浦技术的应用，使固体激光器得到了长足的开展，应用领域不断扩展，已成为激光研究的重点方向之一。１．１引言为了满足科研与应用的需求，激光输出的各种技术的探寻与研究一直是自１９６０年激光器问世以来的主要课题。其中最有效和实用的一种手段就是能够窄化激光脉冲、提高激光脉冲峰值功率的调Ｑ技术。目前机械转镜调Ｑ【１】【２１，电光调Ｑ【３】，声光调Ｑ【４】以及可饱和吸收体调Ｑ【５‘７ｌ等各种调Ｑ技术，在科研以及激光器产品中的应用已经非常的广泛和成熟。机械转镜调Ｑ，电光调Ｑ，声光调Ｑ都有机械结构或电结构复杂、调节难度大、应用灵活性差等共同的缺点，他们都是主动调Ｑ方式。可饱和吸收体调Ｑ是一种使用简便、没有电干扰、造价低、易于调节和实现激光器小型化的被动Ｑ开关。被动调Ｑ技术开展经历了染料调Ｑ，ＬｉＦ可饱和吸收晶体调Ｑ，新型晶体材料调Ｑ三个阶段。以Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光器中的被动Ｑ开关为例，被动Ｑ开关为有机染料或注入到醋酸纤维薄片中的染料的Ｎｄ计：ＹＡＧ激光器，虽然运用已经非常普遍【８】，但是它的调Ｑ性能不稳定，主要原因是染料的导热性能比拟差、易于光分解，而且当泵浦激光器连续工作时，还需要外加循环冷却系统，这些缺点在很大程度上制约了泵浦激光器的应用范围。之后出现的以ＬｉＦ：Ｆ２晶体作为Ｑ开关的脉冲Ｎｄｊ十：ＹＡＧ激光器就很好的稳定了调Ｑ的性能，从而大大提高了激光器的效率，原因就在于运用了ＬｉＦ：Ｆ２晶体其比拟好的热学性能和机械性能〔９－１１１。以ＬｉＦ：Ｆ２晶体作为Ｑ开关连续泵浦Ｎｄ３＋：ＹＡＧ激光器，激光脉冲的为单脉宽７５．１００ｎｓ、为重复频率在１－－－，５０ＫＨｚ１１２１。ＬｉＦ：Ｆ２晶体Ｑ开关与染料开关相比的优势在于具有高抗损伤阈值、稳定性好、光学质量好、使用简便等；不过ＬｉＦ：Ｆ２晶体也有缺点，那就是ＬｉＦ：Ｆ２晶体中的色心会导致晶体尺寸增大、内耗增加以及激发态寿命缩短，而且由于自发辐射的原因，处于激发态的粒子数目会明显的减少，导致激光器阈值增高，材料很难到达饱和状态。然而ＬｉＦ：Ｆ２晶体的色心会随着时间而衰退，导致晶体稳定性差，寿命短是最致命的缺点。以掺四价铬的钇铝石榴石晶体〔Ｃｒ４＋：ＹＡＧ〕为代表的掺Ｃｒ４＋离子晶体从九十年代至今一直备受青睐。它具有非常广泛的应用前景：光通信波段〔１．３．１．５１ａｍ〕处于Ｃｒ４＋：ＹＡＧ的发射中心，同时还是构建人眼平安波段〔＞１．４ｔａｒａ〕激光器的物质。红外谱区研究激光光谱和非线性光学的重要光源就是Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体，它的光谱分辨率能够到达皮米量级，时间分辨率能够达两安１：业人学硕七学位论文到飞秒量级，将会是各种激光雷达的主要激光光源。Ｃｒ４＋：ＹＡＧ非常适合作１．０６９ｍＮｄ３＋激光器的被动Ｑ开关，原因在于它在０．９ｐｍ．１．２ｔｍａ的吸收带较宽而且可饱和吸收特性也非常好。Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体是非常优秀的被动Ｑ开关材料，具有众多优点，例如易实现高脉冲重复频率和顶峰值输出功率，饱和光强小，掺杂浓度高，吸收截面大，无退化现象，光化学性质稳定，损伤阈值高，寿命长，使用方便，热导性能好。Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体的应用范围非常广泛：既可以作为脉冲激光器的Ｑ开关【ｌ争１６１，又适合作连续泵浦激光器被动调Ｑ的工作物质ｍ啦ｌ，甚至还能将铬离子和激活离子掺杂在同一基质晶体内，形成自调Ｑ固体激光器田Ｊ。因此Ｃｒ４＋：ＹＡＧ是非常有前景的被动调Ｑ晶体，它被广泛的应用到构建长寿命、全固化、简单实用的调Ｑ激光器。目前使用Ｃｒ４＋：ＹＡＧ晶体被动调Ｑ的激光器已经成为研究的重点，其在激光医学、军用激光测距、激光加工、光电子对抗、非线性光谱技术、激光武器等国防建设和国民经济的许多领域中有着重要应用。１．２激光器调Ｑ技术产生的背景固体激光器输出的激光脉冲宽度一般为毫秒量级。如果用示波器显示其波形图，可以看到波形是由一系列振幅不等且无规那么变化的尖峰脉冲组成的脉冲序列，而并非一个平滑的光脉冲。普通固体激光器应用范围的限制，就是因为输出激光的这种尖峰结构所造成的。在很多应用领域中都要求激光器能够输出顶峰值功率的光脉冲，如脉冲激光测距，激光雷达，激光全息照相等，但是普通的固体激光器无法到达其要求。通过对理论的研究可以知道，仅仅增加泵浦能量只会使脉冲序列中小尖峰的个数增加，却无法对激光峰值功率的提高产生显著的影响，反而会使尖峰脉冲序列分布的时间范围加宽。在这种情况下，人们研究出了调Ｑ技术，调Ｑ技术就是使在脉冲序列中辐射出来的分散的能量，集中在一个非常短的时间内释放出来，这样输出的峰值功率就可以到达兆瓦量级以上，可以满足对应用中对顶峰值功率的需求。调Ｑ技术，就是通过控制谐振腔的Ｑ值〔品质因数〕的变化，得以输出一个很强的激光脉冲。首先让谐振腔内的状态处于低Ｑ值。由于Ｑ值低，损耗大，不能构成谐振腔内的振荡，但低能级粒子不断地被泵浦到高能级上，使反转粒子数增加，然后使谐振腔的Ｑ值突然增大，在谐振腔内迅速产生振荡，这样在高能级上的粒子所存储的能量就会在极短的时间内转化为谐振腔内的能量，从而获得一个很强的激光脉冲。调Ｑ的想法首先是在１９６１年提出的，而１９６２年第一台调Ｑ激光器的研制成功ｉ捌标志着调Ｑ技术的正式建立。正因为调Ｑ技术的出现，激光脉冲输出性能获得了极大的飞跃。现在的调Ｑ激光器已经可以得到兆瓦量级的峰值功率以及纳秒量级的脉冲宽度，例如从红宝石钕玻璃激光器中获得ｌＯＯ兆瓦的激光脉冲，而且脉冲宽度为几纳秒，比通常的微秒量级有了很大的缩短。如果把～个放大器放在调Ｑ激光器输出脉冲的后面，还可以获得应用于核聚变反响的更高的峰值功率，通过这种方法可能获得吉瓦〔１０９Ｗ〕或太瓦〔１０１２Ｗ〕级的巨脉冲。２１绪论激光技术的应用在调Ｑ技术出现后，受到了大的推动作用。首先，非线性光学的开展正是得益于它的推动，很多具有重大意义的新现象和新技术正是由于利用了Ｑ开关激光脉冲的相干光与物质相互作用的特点而产生的；其次，脉冲激光测距，激光雷达，高速全息照相等技术领域的开展，也是利用了Ｑ开关激光脉冲非常短的脉冲宽度才开展起来的。目前来看，调Ｑ技术的应用，是激光开展史上的重大突破，对于很多应用领域来说，它已经成为无可替代的重要技术。只有满足两个重要的条件才能实现调Ｑ技术：第一，为了使高能级累积足够多的粒子，泵浦速率需要比自发辐射速率高：第二，Ｑ开关的速度需要高于受激辐射的速率，如果受激辐射的过程时间较长，那会使峰值功率降低，脉冲宽度增大。１．３国内外研究开展状况１９６０年激光出现后，１９６１年就产生了调Ｑ理论，１９６２年研制出第一台调Ｑ激光器。当时的激光输出峰值功率为６００ｋＷ，脉冲宽度为１０‘７ｓ量级。紧接着就出现了很多的调Ｑ方法，输出功率越来越大，脉宽越来越窄，调Ｑ技术开展飞速，取得了很大进展。８０年代，想要获得脉宽为纳秒量级，峰值功率为吉瓦量级的激光脉冲已经可以实现。１．３．１国外研究现状２００２年１０月，ＬａｍｂｄａＰｈｙｓｉｋ公司生产的调Ｑ激光器波长为１０６４ｒｉｍ，平均功率小于２７Ｗ，重复频率１０ｋＨｚ，单脉冲能量小于２．７ｍＪ，脉冲宽度近似为１５士３ｎｓ，峰值功率１８０ｋＷ，光束宽度０．５ｍｍ，空间模式为ＴＥＭｏｏ模，Ｍ２因子小于１．２；波长为５３２ｎｍ，平均功率小于１３．５Ｗ，重复频率１０ｋＨｚ，单脉冲能量小于１．３ｍＪ，脉冲宽度为１５士３ｎｓ，峰值功率８６ｋＷ，光束宽度０．５ｍｍ，空间模式为ＴＥＭｏｏ模，Ｍ２因子小于１．２１２４ｊ。英国曼彻斯特大学物理天文系的激光与光子学习研究小组设计一种２ｔｕｎ波长的Ｔｍ掺杂的电光调Ｑ的氧化硅光纤激光器【２５１。电光调Ｑ晶体选择的是ＬｉＴａ０３，这种晶体的透过波长为０．４９ｍ至２岬，频带宽度可到达１ＧＨｚ，半波电压为１２００—１５００Ｖ。调Ｑ研究结果：在脉冲宽度３２０ｎｓ，重复频率１００Ｈｚ时，脉冲峰值功率到达３．３ｋＷ。２００４年，英国皇家大学Ｂｌａｃｋｅｔｔ实验室对连续激光进行了调Ｑ研究１２６１，设计采用声光调Ｑ的方式。工作物质选用的是掺杂浓度为２％的Ｎｄ〞：ＹＡＧ晶体板条，尺寸为长度２０ｍｍ，宽度５ｍｍ，高度２ｍｍ。端面镀１０６４ｎｍ的增透膜，二极管泵浦端面镀８０８ｎｍ增透膜，为防止晶体的自激辐射端面与一般端面成３度切角。实验在连续输出功率为１３Ｗ的情况下，斜面效率到达４０％。在重复频率为１６０ｋＨｚ的条件下平均功率到达１０Ｗ，脉冲宽度在２０ｋＨｚ的重复频率下为２４ｎｓ，小于１０ｋＨｚ至１６０ｋＨｚ范围内的ｌＯＯｎｓ。２００４年，德国ＥｄｇｅＷａｖｅＧｍｂＨ进行了混合腔电光调Ｑ激光器的研究，实现了高重复率近衍射极限的输出【２７〕１２８ｌ；在以５ｋＨｚ的高重复率运转时，获得了单脉冲能量７１２ｒｒｄ，脉宽５１７ｎｓ，平均功率约为３６Ｗ的脉冲；当重复率高达５０ｋＨｚ时，输出的激光脉冲的参量是单脉冲能量１．６ｍＪ，脉宽９１５ｎｓ，平均功率超过８０Ｗ。实测的光束质量因子Ｍｚ小于２。西安丁业大学硕士学位论文１．３．２国内研究现状２００４年，中科院安徽光学精密机械研究所采用ＣＷ二极管端面泵浦Ｎｄ３＋：ＹＶＯ晶体，进行了ＢＢＯ的电光调Ｑ的实验研究【２９１，获得１０６４ｎｍ连续输出功率１．２４Ｗ，重复频率为ｌｋＨｚ时，脉冲平均输出１６０ｍＷ，脉宽为２０ｎｓ的激光。调Ｑ晶体为ＢＢＯ，两端