1、第2章調(diào)Q（Q開關(guān)）技術(shù)2.1 緒論一、需求背景：高峰值功率推進(jìn)非線性光學(xué)的發(fā)展；窄脈寬激光測距、激光雷達(dá)等應(yīng)用的發(fā)展。二、調(diào)Q技術(shù)的目的：壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。2.1 緒論一. 普通脈沖固體激光器普通脈沖激光器輸出波形由一系列不規(guī)則的尖峰脈沖組成(1) 峰值功率不高，只在閾值附近(2) 加大泵浦能量，只是增加尖峰的個數(shù)，不能增加峰值功率輸出特性：振幅、脈寬和脈沖間隔隨機(jī)變化的尖峰。 2.1 緒論二. 調(diào)Q的基本原理由于弛豫振蕩的存在，使得普通激光器的輸出發(fā)生在閾值附近，峰值功率無法提高。在泵浦初期，設(shè)法提高激光器的振蕩閾值，抑制激光振蕩，使上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)可以積累的很高；當(dāng)積累到最高時

2、，突然將激光器的閾值調(diào)到很低，此時，積累的大量反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便雪崩式地躍遷到激光下能級，在極短時間內(nèi)將能量釋放出來，得到峰值功率很高的巨脈沖輸出。 2.1 緒論其中g(shù)是模式數(shù)目，A21是自發(fā)輻射幾率，c是光子壽命，Q值是諧振腔的品質(zhì)因數(shù)，定義為： 還可表示為： 改變閾值是提高激光上能級粒子數(shù)積累的有效方法。 激光器振蕩的閾值條件：v0：激光中心頻率；W：腔內(nèi)存儲能量；：光在腔內(nèi)的單程損耗率；L：激光器腔長；0：真空中激光波長。 (1)(2)(3)(4)2.1 緒論 激光器的腔長nL確定后，Q值與諧振腔的損耗成反比。損耗大，Q值低，閾值高，不容易起振?？梢姡淖兗す馄鏖撝?，可通過改變激光器的損耗

3、或者激光器的Q值來實(shí)現(xiàn)。 調(diào)Q技術(shù)： 通過某種方法使腔內(nèi)Q值隨時間按一定規(guī)律變化的技術(shù)。泵浦開始時，使諧振腔處于低Q值狀態(tài)，閾值高，激光不容易起振，上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)就可以大量積累；當(dāng)積累到最大值時，突然提高Q值，損耗減小，激光振蕩迅速建立起來，在極短的時間內(nèi)上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，從腔的一端以單脈沖形式釋放出來，獲得峰值功率很高的巨脈沖。 (4)2.1 緒論 在泵浦的大部分時間里諧振腔都處于低Q值狀態(tài)，閾值很高不能起振，從而激光上能級的粒子數(shù)不斷積累，直至t0時刻，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值ni，在這一時刻，Q值突然升高，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于ninth，

4、受激輻射增強(qiáng)非常迅速，激光介質(zhì)存儲的能量在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱龅哪芰?，因此產(chǎn)生了一個峰值功率很高的窄脈沖。調(diào)Q激光脈沖的建立過程：2.1 緒論圖-連續(xù)泵浦高重復(fù)頻率調(diào)Q過程2.1 緒論改變諧振腔的損耗，可以使Q值發(fā)生變化。諧振腔的損耗一般包括反射損耗、衍射損耗、吸收損耗等。用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可以形成不同的調(diào)Q技術(shù)： 控制反射損耗機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q 控制衍射損耗聲光調(diào)Q 控制吸收損耗可飽和吸收染料調(diào)Q調(diào)Q方式：2.1 緒論對于激光介質(zhì)，要求：抗損傷閾值要高；上能級有較長的壽命，利于儲能；光泵速率要快于激光上能級的自發(fā)輻射速率，即泵浦的持續(xù)時間必須小于激光介質(zhì)的上能

5、級壽命；諧振腔的Q值改變要快，太慢會使脈寬變寬，甚至?xí)a(chǎn)生多脈沖現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)調(diào)Q對激光器的要求： 2.2 調(diào)Q激光器的基本理論 因?yàn)榧す馍?、下能級之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)能夠集中體現(xiàn)粒子能級躍遷的主要過程。所以為了便于分析，可將工作物質(zhì)簡化為二能級系統(tǒng)，即工作物質(zhì)無論是三能級系統(tǒng)還是四能級系統(tǒng)，均簡化為只有激光上、下兩個能級的二能級系統(tǒng)。(1)(2)(3)(4)2.2 調(diào)Q激光器的基本理論 式中， n為粒子反轉(zhuǎn)數(shù)密度； 為腔內(nèi)光子數(shù)密度； A為自發(fā)輻射幾率；g為腔內(nèi)自發(fā)輻射波型數(shù)。 為腔內(nèi)損耗。 式(6)中，右邊第一項(xiàng)表示因受激輻射導(dǎo)致光子數(shù)的增加，第二項(xiàng)表示因各種損耗導(dǎo)致光子數(shù)的減少。 基于以上幾條假

6、設(shè)，Q開關(guān)打開后，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度和腔內(nèi)光子數(shù)密度隨時間變化的方程為： (5)(6)2.2 調(diào)Q激光器的基本理論 令(6)式為0 (腔的增益等于損耗的閾值條件)，可求得穩(wěn)態(tài)振蕩時，閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)nt為： 將(8)式分別代入(5)、(6)兩式，即可得到調(diào)Q激光振蕩的速率方程為：(7)(8)(9)(10)2.2 調(diào)Q激光器的基本理論二、速率方程的求解 假定腔內(nèi)損耗在時間上有一突變，階躍函數(shù)表示為： 對t=0以前的過程由初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度 這個初始條件表示，故對 的積累過程可不涉及，可只考慮t=0以后的變化過程。2.2 調(diào)Q激光器的基本理論 在t=0時刻，n到達(dá)最大值ni，而受激發(fā)射光子數(shù)為0，即=i

7、=0。隨后，開始增加，到tD時雪崩過程形成，急劇增長，n也開始劇減，這一過程一直持續(xù)到tp時刻，這時n= nt，腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到極大值m。圖2.1-4 從開始振蕩到巨脈沖的形成過程(11)i2.2 調(diào)Q激光器的基本理論調(diào)Q脈沖的峰值功率： 可以近似認(rèn)為光子在腔內(nèi)的壽命tc內(nèi)逸出，每個光子的能量為hv，則激光的瞬時功率為：將式(13)代入到式(15)，可得：當(dāng)n=nt時，輸出功率達(dá)到極大值，即峰值功率為當(dāng)nint時(高Q值下)，可近似得到： (15)(16)(17)(18)2.2 調(diào)Q激光器的基本理論調(diào)Q脈沖的能量及能量利用率： 激光脈沖的能量是由消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的受激輻射過程提供的，若以光子數(shù)從極

8、大值m下降到f的時刻作為脈沖結(jié)束，則f對應(yīng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為nf。因此，調(diào)Q脈沖的總能量為： 式中，V為激活介質(zhì)的體積， nf為激光振蕩終止時的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。 通常情況下，ninf，所以調(diào)Q脈沖的能量隨參數(shù)ni的變大而線性增加。(19)2.2 調(diào)Q激光器的基本理論 由于剩余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)nf在巨脈沖結(jié)束后，就以熒光形式消散掉了，也就是說它對巨脈沖的產(chǎn)生是沒有貢獻(xiàn)的。因此，可以用式(23)表示調(diào)Q脈沖可以從介質(zhì)中提取能量的效率，稱為單脈沖的能量利用率。 當(dāng)ni/nt3時，90%，也就是說為了獲得90%以上的能量提取效率，需要ni/nt3。 (23) =（ni -nf ）/ninf /nini /nt2.2 調(diào)Q