第九章 Q调技术 §1 调Q原理 一、弛豫振荡现象 1、现象 2、解释 普通脉冲激光器输出波形由一系列不规则的尖峰脉冲组成 泵浦使激光器达到阈值，产生激光反转粒子数减少至低于阈值激光熄灭

3、特点 4、原因 二、调Q基本概念 (1)峰值功率不高，只在阈值附近 (2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率 激光器的阈值始终保持不变 4、原因 二、调Q基本概念 泵浦时令腔损耗很大(Q很小),突然减小损耗(增大Q),使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射,形成光脉冲

三、工作原理 1、腔损耗 2、阈值反转粒子数 3、泵浦速率 (1)t<0(Q开关打开前):  (>> ) 2、阈值反转粒子数 (2)t>0: nt (1)t<0: nt ( nt>>nt) 3、泵浦速率 (1)t<0: W大 (2)t>0: W小

4、反转粒子数n 5、腔内光子数密度 (1)t<0: n增大,t=0时为n=n0 tp m nf  W (1)t<0: n增大,t=0时为n=n0 (nt <n0 <nt) (2)t>0: n减小,t=tp时为n=nt (3)t>>0: 振荡结束时残余反转粒子数为n=nf 5、腔内光子数密度 (1)0<t<tp : 因n>nt而增强 (2)t>tp:因n<nt而减弱 (3)t=tp时,达最大m

四、调Q激光器速率方程 (三能级、固体、均匀加宽) 1、非调Q 2、调Q(忽略泵浦与自发辐射:w13=0,A21=0) n1+n2+n3=n E1 E2 E3 W13 S32 A21 W21 W12 2、调Q(忽略泵浦与自发辐射:w13=0,A21=0)

证 nt为达最大时,即 时的n 令 n1+n2=n n2-n1=n 由 和w13=0可得: S32=0

五、腔内光子数密度 由 和 消t 证 1 e e-2 e2 e2-3 六、最大光子数密度 当n= nt时光子数密度达最大值

七、峰值功率 1、计算公式 2、提高Pm的措施 Pm=h0mvST T:输出镜透过率 v:腔内光速 S:腔截面积 (1)提高Q开关打开前、后的腔损耗之比/ 越大,则 也可以越大 (2)提高泵浦功率(使 达到 水平)

八、脉冲能量 九、能量利用率 1、定义 每产生一个光子，消耗２个反转粒子数 E0(储能):储藏在工作物质中能转变为激光的初始能量 Ef(剩余能):巨脉冲结束后工作物质中的剩余能量，通过自发辐射消耗掉 九、能量利用率 1、定义

2、计算公式 证 光子数密度=0时,n达到nf 令

3、计算曲线 １ 5 0.993 2.56 0.9 0.5 1.34  1 0.1 0.5 0.9 0.993 1.054 1.386 2.558 5

十、脉冲的时间特性 1、脉冲宽度定义 2、脉冲宽度计算方法 tr:上升时间(光子数密度由m/2升至m所用时间) te:下降时间(光子数密度由m降至m/2所用时间) 2、脉冲宽度计算方法 nr、ne:分别为光子数密度升、降至m/2时所对应的反转粒子数密度,c:Q开关打开后的腔寿命

tp:光子数密度达到m的时刻,相应反转粒子数密度为nt nr tp m te tr nt ne n0  tr te t tp:光子数密度达到m的时刻,相应反转粒子数密度为nt tr:光子数密度升到m/2的时刻,相应反转粒子数密度为nr te:光子数密度降到m/2的时刻,相应反转粒子数密度为ne

证

3、脉冲宽度的特点 (1)增大 , 脉冲的前、后沿均减小，其中前沿 比后沿减小的更显著 t  < 1 2 (1)增大 , 脉冲的前、后沿均减小，其中前沿 比后沿减小的更显著 (2)脉宽与调Q时的腔寿命成正比,故腔长不宜太长、损耗也不宜太小. (3)最小脉宽为光在腔内往返一周所用时间

例1某气体激光器Q开关打开后,阈值反转粒子数及初始与阈值反转粒子数比分别为nt=1022m-3、n0/nt=3,求m 解 例2为使调Q激光器的能量利用率达到90%，求反转粒子数比参数n0/nt 解 例3求腔长1.5m的调Q激光器所能获得的最小脉宽 解

例4 红宝石调Q激光器输出镜反射率为r1=0.96,另一镜反射率在r2=0.1到r2=1之间变化,红宝石棒与腔长同为L=20 cm,截面积S=10mm2,红宝石发射截面S21=2.5×10-24m2,设Q开关在反转粒子数达到r2低反射率所对应的阈值时开启,求m及Pm(光波长= 6943Å,折射率n=1.76) 解

§2 转镜调Q激光器 一、工作原理 激光介质 激光 转镜 半反 1、Q开关开启 激光介质 转镜 半反 2、Q开关关闭

激光介质 激光 半反 镜架 棱镜 磁头 磁钢 电源 光泵 电动机 触发电路 二、装置

三、延迟时间 泵浦开始至形成高Q所用时间 1、定义 2、大小 :延迟角(磁头方向与腔轴线夹角) :镜架旋转角速度 激光工作介质 镜架 棱镜 磁头 磁钢  2、大小 :延迟角(磁头方向与腔轴线夹角) :镜架旋转角速度

四、开关时间 1、定义 满足阈值条件产生激光至棱镜法线与腔轴线重合所用时间 2、意义 开关时间越短，产生的激光脉宽越短，峰值功率越大 3、大小 :开关角(能满足产生激光阈值条件时的镜面法线与腔轴线间所允许的最大偏离角) 4、开关角计算公式

(1)棱镜倾斜所引起的单程损耗率 d  2 4 6 设光在腔内往返m次后逸出 8 L 棱镜倾斜引起的腔寿命 单程损耗率

(2)激光振荡阈值条件 ：其它损耗率，G:增益系数 l:工作介质长度 (3)开关角(即棱镜倾斜角) 棱镜长度d越小、开关角越小 腔长L越长、开关角越小

五、加速装置 激光 激光 1、二倍加速 (1)折叠腔 光束两次通过棱镜，棱镜转过角，光束转过4 (2)棱镜加速 全反 激光介质 半反 转镜 半反 全反 1、二倍加速 (1)折叠腔 光束两次通过棱镜，棱镜转过角，光束转过4 激光介质 激光 转镜 半反 固定镜 (2)棱镜加速

棱镜转过角，光束转过4 DBC=90-2 ABC=45+ =DBA=DBC-ABC    45 ABC=45+ =DBA=DBC-ABC =90-2-(45+)=45-3  =ABC-=45+-45+3 =4 棱镜转过角，光束转过4

激光 六、优缺点 2、四倍加速 1、无插入损耗；不存在光损伤；可用于能量较大的脉冲激光器中 激光介质 激光 转镜 半反 固定镜 全反 六、优缺点 1、无插入损耗；不存在光损伤；可用于能量较大的脉冲激光器中 2、高转速的磨损，影响使用寿命；脉宽的进一步缩短受限制

§3 电光调Q激光器 一、电光效应 1、定义 2、类型 沿电光晶体的某一特定方向加直流电场后,在光轴方向上产生双折射现象，即入射线偏振光将分解为两个偏振方向正交的本征偏振光 2、类型 (1)纵向电光效应:电场方向与光传播方向一致 (2)横向电光效应:电场方向与光传播方向垂直

3、折射率差 4、相移 加电场后两个正交的本征偏振光折射率之差 E:直流电场强度 no:晶体o光主折射率 :晶体有效电光系数 入射线偏振光通过晶体后两本征模产生的相位差 L：晶体沿通光方向长度 ：真空中光波长

5、半波电压 使相移等于所须电压 纵向电光效应 H:晶体沿电场方向的长度 横向电光效应 证 令 对于纵向L=H

6、电光晶体的作用 1、加　: 相当于半波片,使入射线偏振光的偏振方向绕任一本征偏振光的偏振方向转过2角(为入射线偏振光与该本征偏振光的夹角)  若=45，则入、出射线偏振光方向互相垂直 2、加　: 相当于四分之一波片,使入射线偏振光变为椭圆偏振光 若=45，则出射椭圆偏振光变为圆偏振光

7、常用电光晶体工作模式 (1)磷酸氢钾(KDP) 电场与光传播方向都沿z轴(纵) 两本征偏振光方向分别沿x、y (2)铌酸锂(LN) a)电场沿x轴，光传播方向沿z轴(横) 两本征偏振光方向分别沿x、y b)电场沿y轴，光传播方向沿z轴(横) 两本征偏振光方向分别沿x、y

计算KDP晶体纵向电光效应的半波电压。使用He-Ne激光，=0. 6328m、no=1. 51、ne=1. 47、=10 计算KDP晶体纵向电光效应的半波电压。使用He-Ne激光，=0.6328m、no=1.51、ne=1.47、=10.610-12 m/v 例 解 例 计算LN晶体横向电光效应的半波电压，使用He-Ne激光，=0.6328m、no=2.29、ne=2.16、=3.410-12 m/v，晶体的宽度与长度之比为５． 解

二、电光调Q工作原理 激光 1、Q开关开启 2、Q开关关闭 - 激光介质 全反镜 输出镜 起偏镜 检偏镜 电光器件 激光介质 全反镜 输出镜 + - 2、Q开关关闭

三、电光调Q激光器装置 激光 激光 1、带偏振器的KDP电光调Q激光器 2、双45LN电光调Q激光器 YAG 全反镜 输出镜 偏振器 氙灯 YAG 激光 全反镜 输出镜 LN 氙灯 45 z y  x 2、双45LN电光调Q激光器

(1)不加电压(Q开关打开) a)入射o光 b)入射e光 nesin45=nosin no>ne <45 光性质 折射率 z y  x A B C D 光性质 折射率 AB BC CD O光 no a)入射o光 光性质 折射率 AB BC CD e光 ne no z y  x A B C D  45 b)入射e光 nesin45=nosin no>ne <45

(2)沿x方向加电压U(Q开关关闭) a)入射o光 b)入射e光 nosin45=nesin no>ne >45 z y  x A B C D  45 光性质 折射率 AB BC CD o oe e no ne a)入射o光 nosin45=nesin no>ne >45 z y  x A B C D  45 光性质 折射率 AB BC CD e eo o ne no b)入射e光 nesin45=nosin no>ne <45

§4 声光调Q激光器 一、声光效应 1、定义 2、类型 介质中有超声波时,其折射率产生一分布,相当于位相光栅,对入射激光产生衍射作用的现象 (1)正常声光效应 衍射光的偏振方向与入射光相同(因而折射率也相同), 一般由超声纵波引起

二、声光器件 1、结构 (2)反常声光效应 衍射光的偏振方向与入射光不同(因而折射率也不同),一般由超声切变波引起 (1)声光晶体 实现声光互作用 钼酸铅(PM):正常器件 氧化碲(TeO2):反常器件

2、分类 (2)压电换能晶片 利用反压电效应将驱动电信号转变为超声波 铌酸锂( LN):Y36切激发纵波,X切激发切变波 (1)按声光互作用长度分类 a)喇曼-奈斯声光器件 零级光 +1级衍射光 +2级衍射光 +3级衍射光 -1级衍射光 -3级衍射光 -2级衍射光 入射光 声光互作用区域短，相当于平面光栅，对入射光方向要求不严格，能产生多级衍射光。

声光互作用区域长,相当于体光栅,对入射光方向要求严格,只有一级衍射光。 b)布拉格声光器件 声光互作用区域长,相当于体光栅,对入射光方向要求严格,只有一级衍射光。 零级光 +1级衍射光 入射光 (2)按用途分类 a)声光偏转器(正常布拉格器件) 零级光 +1级衍射光 入射光 0  偏转角 :光在真空中的波长，f: 声频率(即驱动换能器的电信号频率)　V: 声速

M2:声光优值(反映晶体声光效应强弱的参数) B 0 ki、kd:入射、衍射光波矢，K:声波矢, b)声光调制器(正常布拉格器件) 衍射效率 L、H:换能器长、宽度 Pa:声功率(与驱动电功率成正比) M2:声光优值(反映晶体声光效应强弱的参数)

三、声光调Q工作原理 1、Q开关开启 激光介质 声光器件 激光 全反镜 输出镜 2、Q开关关闭 激光介质 声光器件 全反镜 输出镜

§5 染料调Q激光器 一、染料的可饱和吸收系数 二、染料吸收特性 0:光强很小时的吸收系数 Is:染料的吸收饱和光强参数(与染料种类及浓度有关) 二、染料吸收特性 光强很小时，吸收系数很大，I=0时,=0 I/Is T 光强很大时，吸收系数很小，I>>Is时, =0

三、染料调Q激光器 激光 1、装置 2、工作过程 (1)开始泵浦腔内荧光弱吸收系数大Q值低 不能形成激光 激光介质 染料盒 激光 全反镜 输出镜 氙灯 1、装置 2、工作过程 (1)开始泵浦腔内荧光弱吸收系数大Q值低 不能形成激光 (2)继续泵浦腔内荧光变强吸收系数变小荧光达到一定值时，吸收系数饱和燃料被漂白 Q值突增，形成激光脉冲泵浦结束

3、饱和吸收体要求 (1)吸收中心频率与激光介质增益中心频率一致 (2)产生巨脉冲的必要条件是吸收饱和光强参数小于介质的增益饱和光强参数,Is<Is (3)吸收饱和光强参数Is的大小要适当 ①Is太大，开关速度慢，影响调Q效果 ②Is太小,很弱的光即可使其透明，导致工作介质的反转粒子数不能充分积累