激光技术第二章-1讲PPT.ppt

Page: * 第二章 调Q技术 长春理工大学电子科学与技术系 Page: * §§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§§ 第2章————————————————调Q（Q开关）技术 §2.1 绪论 一、需求背景： 高峰值功率→推进非线性光学的发展； 窄脉宽→激光测距、激光雷达等应用的发展。 二、调Q技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 §2.1 绪论 一. 普通脉冲固体激光器 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 (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 输出特性：振幅、脉宽和脉冲间隔随机变化的尖峰。 §2.1 绪论 弛豫振荡现象 (t1~t2)激光开始振荡时，Δn=Δnth，Φ=0。持续泵浦下，Δn增加，Φ也增加，Φ的增长使Δn减小的速率小于泵浦使Δn增加的速率，因此Δn一直增加到最大值； (t2~t3)Δn达到最大值后开始下降，但仍大于Δnth，因此Φ继续增长，直至最大值； (t3~t4)ΔnΔnth，增益小于损耗，Φ减小并急剧下降； (t4~t5)Φ减小到一定程度，泵浦又起主要作用，于是Δn又开始增加，在t5时刻等于Δnth，于是开始产生第二个尖峰脉冲。 §2.1 绪论 激光器的腔长nL确定后，Q值与谐振腔的损耗δ成反比。损耗大，Q值低，阈值高，不容易起振。可见，要改变激光器阈值，可通过改变激光器的损耗δ 或者激光器的Q值来实现。 调Q技术： 通过某种方法使腔内Q值随时间按一定规律变化的技术。泵浦开始时，使谐振腔处于低Q值状态，阈值高，激光不容易起振，上能级反转粒子数就可以大量积累；当积累到最大值时，突然提高Q值，损耗减小，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内的光能量，从腔的一端以单脉冲形式释放出来，获得峰值功率很高的巨脉冲。 (4) §2.1 绪论 在泵浦的大部分时间里谐振腔都处于低Q值状态，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，反转粒子数达到最大值Δni，在这一时刻，Q值突然升高，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于ΔniΔnth，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，因此产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。 调Q激光脉冲的建立过程： §2.1 绪论 ，振荡刚开始建立，光子数φ增长十分缓慢，受激发射几率很小，自发辐射占优势。 ， ，雪崩过程开始形成，φ迅速增长，受激辐射迅速超过自发辐射而占优势。光子数的迅速增长使Δn迅速减少。 ， ，光子数φ达到最大值后由于 而迅速减少。 图2.1-4 从开始振荡到巨脉冲的形成过程 调Q脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数的时刻！ i §2.1 绪论 图-连续泵浦高重复频率调Q过程 §2.1 绪论 改变谐振腔的损耗，可以使Q值发生变化。 谐振腔的损耗一般包括反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。 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： 控制反射损耗—机械转镜调Q、电光调Q 控制衍射损耗—声光调Q 控制吸收损耗—可饱和吸收染料调Q 调Q方式： §2.1 绪论 对于激光介质，要求：抗损伤阈值要高；上能级有较长的寿命，利于储能； 光泵速率要快于激光上能级的自发辐射速率，即泵浦的持续时间必须小于激光介质的上能级寿命； 谐振腔的Q值改变要快，太慢会使脉宽变宽，甚至会产生多脉冲现象。 实现调Q对激光器的要求： §2.2 调Q激光器的基本理论 一. 调Q的速率方程 调Q脉冲形成过程以及各种参量对激光脉冲的影响，可以采用速率方程来进行分析。 在脉冲输出的瞬态过程中起主导作用的是受激辐射，因此可以忽略自发辐射和泵浦速率的影响。所以下述分析中基于三条假设：(1) Q开关“打开”前后均不考虑自发辐射；(2) Q开关“打开”后忽略泵浦作用；(3) 腔内损耗按阶跃式突变处理。 §2.2 调Q激光器的基本理论 因为激光上、下能级之间的粒子数反转能够集中体现粒子能级跃迁的主要过程。所以为了便于分析，可将工作物质简化为二能级系统，即工作物质无论是三能级系统还是四能级系统，均简化为只有激光上、下两个能级的二能级系统。 (1) (2) (3) (4) §2.2 调Q激光器的基本理论 式中， △n为粒子反转数密度； Φ为腔内