c4.6激光調Q技術

1、4.4 4.4 激光調制技術激光調制技術4.3 4.3 激光束的變換激光束的變換4.1 4.1 激光器輸出的選模激光器輸出的選模14.5 4.5 激光偏轉技術激光偏轉技術4.6 4.6 激光調激光調Q Q技術技術4.2 4.2 激光器的穩(wěn)頻激光器的穩(wěn)頻4.7 4.7 激光鎖模技術激光鎖模技術v一般脈沖激光器輸出的脈沖都不是單一的光一般脈沖激光器輸出的脈沖都不是單一的光滑脈沖，而是由如圖所示的許多振幅、脈寬滑脈沖，而是由如圖所示的許多振幅、脈寬（幾微秒量級）和脈沖間隔作隨機變化的?。◣孜⒚肓考墸┖兔}沖間隔作隨機變化的小尖峰脈沖組成，有時稱為尖峰序列。尖峰脈沖組成，有時稱為尖峰序列。調調Q技術的目

2、的：技術的目的：v 壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。一般固體脈沖激光器的輸出特性：一般固體脈沖激光器的輸出特性： 1. 輸出的脈沖是系列尖峰振蕩輸出的脈沖是系列尖峰振蕩 激光器在閾值附近工作。激光器在閾值附近工作。 2. 脈寬比較寬，輸出功率低脈寬比較寬，輸出功率低 如何改善脈沖性能如何改善脈沖性能? 調調Q技術是將一般輸出的連續(xù)或脈沖激光能技術是將一般輸出的連續(xù)或脈沖激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個數(shù)量級的一種技術。峰值功率可提高幾個數(shù)量級的一種技術。v調調Q技術可以產生脈寬為技術可以產生脈寬

3、為(10-710-9)秒量級、秒量級、峰值功率高達千兆瓦的巨脈沖；鎖模技術則可產峰值功率高達千兆瓦的巨脈沖；鎖模技術則可產生出生出(10-1210-15)秒量級的超短光脈沖，峰值功秒量級的超短光脈沖，峰值功率達到率達到T瓦量級。瓦量級。定義：定義：Q值是評定激光器中光學諧振腔質量好壞的值是評定激光器中光學諧振腔質量好壞的指標指標-品質因數(shù)。品質因數(shù)。 每振蕩周期損耗的能量諧振腔內儲存的能量2Q光強光強I I0 0在諧振腔傳播在諧振腔傳播z z距離后會減弱為距離后會減弱為 00exp()expa cIIa zIt總總上上式可以改寫為光子數(shù)密度的形式式可以改寫為光子數(shù)密度的形式 00( )expe

4、xpca ctN tNtN總chtNtI0)()(由于cac總表示在腔中的光子平均壽命表示在腔中的光子平均壽命 體積為體積為V的腔內存儲的能量為：的腔內存儲的能量為： 0)( VhtNW 每振蕩周期損耗的能量為：每振蕩周期損耗的能量為： caVhtNWPc總)(0品質因子與諧振腔的單程總損耗的關系為品質因子與諧振腔的單程總損耗的關系為 總aPWQ22諧振腔的損耗越大，諧振腔的損耗越大，Q值越?。粨p耗越小，值越??；損耗越小，Q值越高。值越高。v調調Q的原理的原理: 采用某種辦法使諧振腔在泵浦開始時（采用某種辦法使諧振腔在泵浦開始時（激光上能級積累的反轉粒子數(shù)不多）處于高損耗低激光上能級積累的反轉

5、粒子數(shù)不多）處于高損耗低Q值狀態(tài)，此時激光振蕩的閾值很高，抑制激光振蕩的值狀態(tài)，此時激光振蕩的閾值很高，抑制激光振蕩的產生。在這種情況下，由于泵浦的激勵，激光上能級產生。在這種情況下，由于泵浦的激勵，激光上能級將不斷地積累粒子數(shù)。當反轉粒子數(shù)達到最大值時，將不斷地積累粒子數(shù)。當反轉粒子數(shù)達到最大值時，突然使腔的突然使腔的Q值增大，降低激光器的閾值值增大，降低激光器的閾值 。此時亞穩(wěn)。此時亞穩(wěn)態(tài)上的粒子的能量很快轉換為光子能量，光子像雪崩態(tài)上的粒子的能量很快轉換為光子能量，光子像雪崩一樣以極高的速率增長，輸出峰值功率高、寬度窄的一樣以極高的速率增長，輸出峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。激光巨脈沖

6、。v調調Q方法方法: 控制不同類型的損耗，就形成了不同的調控制不同類型的損耗，就形成了不同的調Q技術技術 總aPWQ22控制反射損耗控制反射損耗 -電光調電光調Q技術技術控制吸收損耗控制吸收損耗 -可飽和吸收染料調可飽和吸收染料調Q技術技術 控制衍射損耗控制衍射損耗 -聲光調聲光調Q技術技術 v 激光腔中插入起偏振片及作為激光腔中插入起偏振片及作為Q開關的開關的KD*P晶體。晶體。v 原理原理:晶體在晶體在z軸方向加電壓后，產生感應雙折射，進入晶體的軸方向加電壓后，產生感應雙折射，進入晶體的x方向振動的線偏振光分解為方向振動的線偏振光分解為x和和y振動的二線偏振光。振動的二線偏振光。v 加有半

7、波電壓時，損耗非常大，加有半波電壓時，損耗非常大，Q值很低；去掉半波電壓時，值很低；去掉半波電壓時，損耗小，損耗小，Q值很大，輸出一個激光巨脈沖。值很大，輸出一個激光巨脈沖。v KD*P晶體對晶體對1.06 m光的半波電壓約為光的半波電壓約為4000 V。圖4-27 電光調Q裝置示意圖2xyVEE與相位相差往返一次兩者相位相差電光調電光調Q工作原理：工作原理：激光介質激光介質 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡起偏鏡起偏鏡檢偏鏡檢偏鏡電光器件電光器件激光介質激光介質全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡起偏鏡起偏鏡檢偏鏡檢偏鏡電光器件電光器件+-1、Q開關開啟開關開啟2、Q開關關閉開關關閉v 圖圖4-28是一

8、個聲光調是一個聲光調Q的的YAG激光器的示意圖。腔內激光器的示意圖。腔內插入的聲光調插入的聲光調Q器件由聲光器件由聲光互作用介質互作用介質(如熔融石英如熔融石英)和鍵和鍵合于其上的超聲波發(fā)生器所構成的。合于其上的超聲波發(fā)生器所構成的。v 原理原理: 當光通過介質中的超聲場當光通過介質中的超聲場時，由于衍射造成光的偏折偏離時，由于衍射造成光的偏折偏離腔軸，此時損耗大，腔軸，此時損耗大，Q值小。一定時間后，撤去超聲場，光束不值小。一定時間后，撤去超聲場，光束不發(fā)生偏折，發(fā)生偏折，Q值升高。值升高。v 聲光調聲光調Q與電光調與電光調Q相比，后者電壓較高相比，后者電壓較高(103104V)，前者電壓較

9、，前者電壓較低低(102V)。聲光調。聲光調Q技術是應用較廣泛的一種技術。技術是應用較廣泛的一種技術。圖4-28 聲光調Q裝置示意圖聲光調聲光調Q工作原理工作原理激光介質激光介質聲光器件聲光器件全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡激光介質激光介質聲光器件聲光器件 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡1、Q開關開啟開關開啟2、Q開關關閉開關關閉染料的可飽和吸收系數(shù)染料的可飽和吸收系數(shù)sII10 0是光強很小時的吸收系數(shù)；是光強很小時的吸收系數(shù)；Is 為染料的飽和吸收光強為染料的飽和吸收光強(與染料種類及濃度有關與染料種類及濃度有關)（1）染料吸收特性）染料吸收特性光強很小時，吸收系數(shù)很大，光強很小時，吸收系數(shù)很

10、大，I = 0 時時, = 0光強很大時，吸收系數(shù)很小，光強很大時，吸收系數(shù)很小，I Is 時時, = 0開始泵浦開始泵浦 腔內熒光弱腔內熒光弱 吸收系數(shù)大吸收系數(shù)大 Q 值低值低 不能形成激光不能形成激光繼續(xù)泵浦繼續(xù)泵浦 腔內熒光變強腔內熒光變強 吸收系數(shù)變小吸收系數(shù)變小 熒光熒光達到一定值時，吸收系數(shù)飽和達到一定值時，吸收系數(shù)飽和 染料被漂白染料被漂白 Q值值突增，形成激光脈沖突增，形成激光脈沖 泵浦結束泵浦結束激光介質激光介質染料盒染料盒 激光激光全反全反鏡鏡輸出鏡輸出鏡氙燈氙燈（2）染料調）染料調Q原理原理（3）對染料的要求）對染料的要求吸收體是染料吸收體是染料Q開關的核心，它對調開關的核心，它對調Q的效果影響的效果影響最大，因此合理的選擇染料很重要。最大，因此合理的選擇染料很重要。染料需滿足下面條件：染料需滿足下面條件： （1）吸收體的吸收峰和激光器的中心波長對應；）吸收體的吸收峰和激光器的中心波長對應； （2）染料溶液要具有一定