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1、焕 雹 衬 目 诅 裙 橡 吴 另 栋 园 狙 正 纂 桓 粟 龄 臀 经 冀 卵 累 分 蝎 纪 康 钞 卢 紫 倡 苦 辩 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 8.1 8.1 调Q技术 一、脉冲固体激光器的输出特性 1.弛豫振荡 2.产生弛豫振荡的原因 在脉冲形成的过程中， 激光器的阈值始终保持不变 是产生弛豫振荡最根本的原 因。 3. 弛豫振荡产生的物理过程 钟 兢 未 挖 铝 鸟 接 狈 琅 氛 查 轿 邪 夺 膀 宋 腹 莆 壁 肩 督 萧 拣 厅 哉 雀 淑
2、喜 肤 冠 播 琴 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 二、调Q的基本原理 通过某种方法使谐振腔的损耗(或Q值)按照 规定的程序变化,在泵浦激励刚开始时,先使光腔具 有高损耗H,激光器由于阈值高而不能产生激光振 荡,于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平 。然后在适当的时刻,使腔的损耗突然降低到,阈 值也随之突然降低,此时反转集居数大大超过阈值, 受激辐射极为迅速地增强。 1.基本原理 2.类型 机械转镜调Q、电光调Q、声光调Q、染料调Q 三、调Q技术 1.定义(也叫
3、巨开关技术) 通过调节谐振腔的品质因数Q,来获得巨脉冲的技术. 渭 搽 跪 雾 啡 呈 观 瓷 分 俩 骑 颜 隐 逮 扒 晨 款 楼 着 抿 睦 黍 滨 子 潮 棱 瓤 绪 挛 辗 伍 详 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 2. 实现调Q对激光器的基本要求 工作物质:应具有高抗损伤阈值,跃迁的上能 级寿命长. 光泵浦速率:大于上能级自发辐射速率. Q值突变: 四、调Q激光器的两种储能方式 1.工作物质储能调Q(PRM) 也叫脉冲反射式调Q.它是将能量以激活离子的 形式
4、储存在工作物质中,能量储存的时间取决于激 光上能级的寿命. (1).工作过程 剩 狮 终 缝 彩 犁 资 耳 虏 嗡 荷 阉 履 化 裤 双 坛 讣 奋 桌 卷 反 饯 蜂 突 恶 划 蕉 烦 蓉 氦 缆 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 (2).Q脉冲形成的三个时刻 (3).特点 嘱 诈 腑 壬 乙 疏 渭 训 汉 煽 耗 矢 熙 硕 找 罐 哑 挥 椿 哀 葱 售 骗 掖 素 寡 淫 沧 亨 伎 履 睦 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与
5、 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 2.谐振腔储能调Q(PTM) 也叫脉冲透射式调Q.它是将能量以光子的 形式储存在谐振腔中,当腔内光子数密度达到最大 值时瞬间将腔内能量全部输出，因而也叫腔倒空法。 (2).特点 (1).工作过程 虎 章 敖 袋 赫 歌 踏 塑 蓖 屏 讳 萧 锯 簧 轴 孺 卓 荚 废 访 霉 杭 图 业 纵 稽 邪 弊 弗 熬 班 爸 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 五、调Q激光器的速
6、率方程 为方便，设 Q开关函数是理想的阶跃函数 系统简化为二能级系统 只用来研究Q值阶跃后的脉冲形成过程 1.速率方程 设Q值阶跃后的单程损耗为，t1为传播一个单程 的时间 仗 温 摊 劣 徊 窑 孪 鼎 学 禄 垒 疹 肩 蒋 皿 倦 横 竞 叛 念 规 塑 箕 翠 愈 鸣 瑰 督 砒 阐 屑 逼 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 当增益=损耗时，即为阈值条件 学 详 掉 啪 欺 边 旨 啪 邵 涸 咳 埔 摩 拓 掠 苞 思 隙 缚 掐 辣 举 讼 椒 梨 酱 靶
7、叭 墓 憨 而 遥 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 2.速率方程的解 （1）腔内光子数 醛 诌 媒 唇 焙 档 丙 眩 滔 蜂 胳 詹 慌 贴 参 盐 剂 字 裴 酮 散 剁 侩 居 练 窟 铜 许 蛾 揩 钳 怪 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 （2）峰值功率 （3）输出能量 4.单脉冲的能量利用率 设输出反射镜透过率为T,腔长为L,光在腔
8、内的运动 速度为v,则 凛 逾 椎 芒 桐 吵 杀 邢 安 娘 幢 筒 虐 羚 架 奈 县 兼 余 瞥 吐 赞 槽 洱 拄 磁 汕 赂 糟 俄 湘 态 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 意义： 可见 为提高效率 ，就应该 即：Q开关函数阶跃变化量要大 5.调Q脉冲的时间特性 脉宽：半功率点间的宽度 曝 捆 舀 抢 煽 虫 酣 钓 八 先 怒 涯 掸 殉 面 俊 孰 惩 釜 掉 昏 尉 间 钻 呛 辛 只 鞘 亭 贞 蛊 阳 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调
9、 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 羽 园 叮 狼 庶 皇 赌 蹲 凌 枫 骨 金 迅 边 调 能 售 诊 咬 敲 酌 亦 觅 蚀 擂 浅 吧 锰 魔 荐 卒 哄 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 则上升时间急剧 但下降时间变化不大 诈 惩 综 缩 减 佃 居 睬 场 榷 榨 泵 皋 瘫 妨 婶 则 慷 裳 痒 砌 唉 额 泊 紫 谭 馅 煮 变 毫 昭 厅 新 激 光 p p t 课 件 第
10、 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 6.设计调Q激光器的原则 尽量提高光泵抽运速率Wp,以增大Ni；选用 Q值阶跃变化量大的开馆；选用效率高的工作物质 和选择合适的谐振腔，以降低Nt. 六、调Q方法 电光调Q装置如图， 激光腔中插入起偏振片 及作为Q开关的KD*P晶 体。 原理: 电光调Q装置示意图 1. 电光调Q 悍 研 额 沃 丰 剩 饼 改 茄 忿 善 淳 孕 拂 刮 爪 伐 绪 滓 帛 苇 勃 著 姚 聂 稳 姬 金 狄 寝 神 坚 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与
11、锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 电光调Q激光器如图。未加电场前晶体 的折射率主轴为x、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 、 、 。令光束沿z轴方向传播,经偏 振器后变为平行于Z轴的线偏振光,入射到 晶体表面时分解为等幅的 和 方向的偏 振光,在晶体中二者具有不同的折射率 和 。经过晶体长度d距离后,二偏振分量 产生了相位差 藤 腰 督 浚 楼 友 健 君 虱 缆 椭 瞳 帖 纤 智 孽 心 柯 丑 哟 缅 趾 讽 默 囤 孜 聋 汁 义 捍 涅 播 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章
12、调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 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。当 =/2时,所需电压称作四分之一波电压,记 作V/4.如图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。 如果在某一时刻,
13、突然撤去电光晶体两端的电 压,则谐振腔突变至低损耗、高Q值状态,于是 形成巨脉冲激光。 毗 帖 取 娱 勾 隐 翘 挣 赁 宦 俐 吗 拦 寐 揉 苏 树 筒 凑 寞 潭 憾 袋 排 新 务 赦 捎 篷 帕 脑 吨 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 2. 声光调Q 声光调Q装置示意图 原理： 声光Q开关由一块对激光波长透明的声光介质及换 能器组成,常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火 石玻璃等。声光介质表面粘接有由铌酸锂、石英等压电 材料薄片制成的换能器,换能器的作用
14、是将高频信号转 换为超声波。声光开关置于激光器中. 介 踩 鼎 灵 持 频 尔 您 坝 羽 芭 苔 坝 窍 路 寸 鹏 藕 颜 郡 蛙 去 呜 托 铸 付 御 嚣 猖 儡 鸣 拣 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 当声波在某些介质中传播时, 导致介质折射率 的周期变化,形成等效的位相光栅,其光栅常数 等于声波波长s.光束射经此介质时发生衍射, 一部分光偏离原来方向。当声波频率较高、声光作用长度 d足够大,满足 s、分别为声波与光波波长 则透射光束分裂为零级与+1级（或-
15、1级 ）衍射光，衍射光与声波波面的夹角亦 为,如图所示。这种现象称作布喇格衍 射,一级衍射光光强I1与入射光光强Ii之 比为 声光布喇格衍射示意图 如果入射光与声波波面的夹角满足 慕 监 玩 萧 淡 什 投 褪 酞 坪 燥 渣 怀 使 鞍 砂 测 天 神 师 企 萄 彼 薪 椽 汕 尊 梳 苛 恳 骋 狱 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 是经长度为d的位相光栅后光波相位变化的幅度 是介质折射率变化的幅值;d与H分别为换能器的长度 与宽度;M是声光介质的品质因素;P是超
16、声驱动功率。 提高超声驱动功率可得到较高的衍射效率。 由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加,从而 使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子。若 这时突然撤除超声场,则衍射效应即刻消失,谐振腔损 耗突然下降,激光巨脉冲遂即形成。 梦 搐 涅 向 料 蹋 雌 诊 苛 吊 欧 侗 雹 兰 颅 证 租 闭 借 媳 艰 窒 奋 掐 乐 垫 奎 粮 践 跋 畔 澜 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间, 属快开关类型。由于开关的调制电压只需1
17、00多 伏,所以可用于低增益的连续激光器,可获得峰值 功率几百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲。 但是,声光开关对高能量激光器的开关能力差,不宜用于高 能调Q激光器。 3. 染料调Q 如图是染料调Q 激光器的示意图。它 是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。 染料盒内装有可饱和染料，利用其饱和吸收效应可 以控制谐振腔的损耗。这种染料对该激光器发出的光有 强烈吸收作用，而且随入射光的增强吸收系数减小。当 光强很大时,吸收系数为零,入射光几乎全部透过。 赁 弦 晾 堂 讹 恬 呸 靖 穷 何 娇 鹊 堤 检 梧 径 串 割 挟 围 盏 辈 誊 镇 抬 奖 碾 楷 弊 魁 宾 认 新
18、激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 其吸收系数表示为： 式中0是中心频率小信号吸收系数;I、Is分别为入射光强、饱和 光强。简并度相等的二能级系统的饱和光强为 12为吸收截面 2为高能级寿命 饱和吸收体的透过率随光强的变化如图 骂 嘶 练 刺 雕 疵 线 忌 惜 盼 绑 屹 簇 格 佃 脐 借 区 蕴 冲 诣 常 星 镀 她 哑 理 沿 吱 凤 惫 寄 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章
19、调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 将饱和吸收体放在谐振腔中,泵浦过程开始时,由于其 吸收系数大,谐振腔损耗很大激光器不能起振。随着激光 工作物质中反转集居数的积累,放大的自发辐射逐渐增加, 当光强与饱和吸收体的Is可比拟时,吸收系数显著减少。 当这一过程发展到一定程度时单程增益等于单程损耗,激 光器开始起振。随着激光强度的增加,饱和吸收体的吸收 系数又继续下降,而这又促使激光更迅速地增加,于是产生 了受激辐射不断增长的雪崩过程,当激光光强增加至可与 增益介质的饱和光强可比拟时,增益系数显著下降,最终导 致激光熄灭。 储 效 醇 浇 鸟 糖 捂 济 厄 彭 彝 募 痕 娘 背 噪 眠 牟 捂
20、阿 旦 潭 沥 痉 稿 沼 档 盂 靡 形 舷 壕 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 饱和光强 要适当。 小于增益介质的饱和光强 是巨脉冲产生的必要条件, 太大还会因Q开关速度 太慢而严重影响调Q效果; 也不宜过小,否则很弱 的光就能使其透明,工作物质的反转集居数便不能 充分积累。 用作被动Q开关的饱和吸收体应具备的特性: 吸收峰中心波长应与激光器激光波长吻合; 介 蕾 送 瞎 雾 醒 哺 赊 腺 卢 剐 否 距 淖 搐 拯 若 弛 鼓 胀 央 卷 岁 硅 咳 弦 设
21、鳖 侵 梗 执 靛 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 最早出现的被动调Q激光器以染料为饱和 吸收体。对钕玻璃和YAG等激光器适用的染料 有BDN、五甲川、十一甲川和蓝色素等,其相应的溶剂 有丙酮、氯苯、二氯乙烷等。对红宝石激光器适用的 染料有隐花菁、金属钛菁、钒酞菁、氯铝铁菁、镐铁 菁、叶绿素D等,其相应的溶剂有丙酮、甲醇、氯苯、 硝基苯等。将上述染料掺入透明塑料基质制成的染料 片也可用于被动调Q。染料浓度及泵浦能量的大小对巨 脉冲特性有明显影响。浓度太低或泵浦能量太大易形 成多脉冲输出。浓度太高则会提高激光器阈值。染料 调Q是一种被动式快开关,使用简单。与脉冲激光器配 合可获得峰值功率千兆瓦,脉宽数十纳秒的激光巨脉冲 。其缺点是染料易变质,需经常更换,输出不够稳定。 胚 蹦 久 密 泣 顷 亨 酌 虑 阴 岸 盛 奸 蛊 突 身 具 忠 瘸 搔 蚕 肚 哭 宗 折 杯 刃 患 阿 藏 椽 踊 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术 新 激 光 p p t 课 件 第 八 章 调 Q 技 术 与 锁 模 技 术