《激光调Q技术》PPT课件

1、主动调Q,姚杰 2016/12/1,调Q技术按调节方式可分为主动调Q和被动调Q 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.,1961年,哥伦比亚大学的HellWar出和Mccling率先提出利用快速存储及释放能量来产生激光巨脉冲,这便是早期的调Q技术。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。,一、激光谐振腔的品质因数Q,Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指

2、标品质因数。 1.Q值定义：,2.品质因子Q与谐振腔的单程总损耗的关系,光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为,上式可以改写为光子数密度的形式,而,体积为V的腔内存储的能量为：,每振荡周期损耗的能量为：,3.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。,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，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。,1. 脉冲

3、固体激光器的输出特性,二、调 Q原理,产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，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

4、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。),a.腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,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，与此同时，腔内光子数密度也开始增加，由于的增长而使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。,b. 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,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

5、是n又开始回升，到t5时刻n又达到阈值n阈 ，于是又开始产生第二个尖峰脉冲。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。泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小,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。,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

6、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。,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

7、建立。由于此时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。,3.Q开关激光器的特点,调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如下图所示：,谐振腔的Q值与损耗a总成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的a总值，就可以使Q值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染料调Q技术等。,4.Q调制方法,调Q技术的关键 ：,动态损耗：Q 开关处于关闭状

8、态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证Q 开关打开之前没有激光产生； 插入损耗：Q 开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最 小，一般会引入反射及散射损耗； 开关时间，Q 开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间， 将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭； 同步性能， Q 开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步。,5.电光调 Q,一、电光晶体调Q原理 1. 电光Q开关原理。 利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。,图4-27 电光调Q装置示意图,（1）第一阶段：积累阶段,电光调Q激光器如图所示。未加电场前晶体的折

9、射率主轴为z、y、z。沿晶体光轴方向z施加一外电场E ,由于普克尔效应,主轴变为x、y,z。令光束沿z轴方向传播,经偏振器后变为平行于x轴的线偏振光,入射到晶体表面时分解为等幅的x和y方向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折射率x和y。经过晶体长度d距离后,二偏振分量产生了相位差,图4-27 电光调Q装置示意图,式中为晶体寻常光折射率;63是晶体的电光系数;V是加在晶体两端的电压，d为晶体在z轴方向的长度。当=/2时,所需电压称作四分之一波电压,记作V/4.图中电光晶体上施以电压V/4时,从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后,沿x和y方向的偏振分量产生了/2位相延迟,经全反射镜反射后再次通过电光晶

10、体后又将产生/2延迟,合成后虽仍是线偏振光,但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向,因此不能通过偏振器。这种情况下谐振腔的损耗很大,处于低Q值状态,激光器不能振荡,激光上能级不断积累粒子（这一状态相当于光开关处于关闭状态）。,（2）第二阶段：脉冲形成阶段Q开关完全打开,在某一特等时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则偏振光的振动方向不再被旋转900，相当于光开关被打开，则谐振腔突变至低损耗、高Q值状态,于是形成巨脉冲激光。（这一状态相当于光开关处于打开状态）。,1.有较高的动态损耗（）和插入损耗（） 2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到秒 ， 3.典型的Nd:YAG电光调Q激光器的输出光脉冲宽度 约为-20ns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦 4.适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损 耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器,二、电光调Q技术特点,声光调 Q,一、声光Q开关器件的结构腔内插入的声光调Q器件由声光互作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成的。,图4-28 声光调Q装置示意图,二.声光调Q原理：,当声波在某些介质中传播时,该介质会产生与声波信号相应的、随