1、5.4 激光調(diào) Q 技術(shù),普通的脈沖激光器,光脈沖的寬度約在ms級,峰值功率也只有幾十kW. 調(diào) Q 激光器,光脈沖的寬度可以壓到ns級,峰值功率也已達(dá)到MW.,調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個重要突破，它是將激光能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(shù)。,調(diào)Q技術(shù)的目的： 壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。,一、激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q,Q值是評定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)品質(zhì)因數(shù)。 1.Q值定義：,2.品質(zhì)因子Q與諧振腔的單程總損耗的關(guān)系,光強(qiáng)I0在諧振腔傳播z距離后會減弱為,上式可以改寫為光子數(shù)密度的形式,而,體積為V的腔內(nèi)存儲的能量為：,每

2、振蕩周期損耗的能量為：,調(diào)節(jié)Q值的途徑 一般采取改變腔內(nèi)損耗的辦法來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的Q值。,將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進(jìn)行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其波形并非一個平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機(jī)變化的尖峰脈沖組成的，如圖(a)所示。每個尖峰的寬度約為0.11s，間隔為數(shù)微秒，脈沖序列的長度大致與閃光燈泵浦持續(xù)時間相等。圖(b)所示為觀察到的紅寶石激光器輸出的尖峰。這種現(xiàn)象稱為激光器弛豫振蕩。,1. 脈沖固體激光器的輸出特性,二、調(diào) Q原理,產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因：當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過閾值條件時，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光。隨著激光的

3、發(fā)射，上能級粒子數(shù)大量被消耗，導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，當(dāng)?shù)陀陂y值時，激光振蕩就停止。這時，由于光泵的繼續(xù)抽運(yùn)，上能級粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新積累，,當(dāng)超過閾值時，又產(chǎn)生第二個脈沖，如此不斷重復(fù)上述過程，直到泵浦停止才結(jié)束。每個尖峰脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水平較低。增大泵浦能量也無助于峰值功率的提高，而只會使小尖峰的個數(shù)增加。,弛豫振蕩產(chǎn)生的物理過程，可以用圖2來描述。它示出了在弛豫振蕩過程中粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n 和腔內(nèi)光子數(shù)的變化，每個尖峰可以分為四個階段 (在t1時刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n增長，但尚未到達(dá)閾值n閾因而不能形成激光振蕩。),圖2 腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時間的變化,第一

4、階段(t1一t2)：激光振蕩剛開始時，n n閾， 0；由于光泵作用， n繼續(xù)增加，與此同時，腔內(nèi)光子數(shù)密度也開始增加，由于的增長而使n減小的速率小于泵浦使n 增加的速率，因此n一直增加到最大值。,圖2 腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時間的變化,第二階段(t2一t3) ： n到達(dá)最大值后開始下降，但仍然大于n閾 ，因此 繼續(xù)增長，而且增長非常迅速，達(dá)到最大值。,第四階段(t4一t5)：光子數(shù)減少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是n又開始回升，到t5時刻n又達(dá)到閾值n閾 ，于是又開始產(chǎn)生第二個尖峰脈沖。因?yàn)楸闷值某檫\(yùn)過程的持續(xù)時間要比每個尖峰脈沖寬度大得多，于是上述過程周而復(fù)始，產(chǎn)生一系列尖峰脈沖。泵浦

5、功率越大,尖峰脈沖形成越快,因而尖峰的時間間隔越小,第三階段(t3一t4)： n n閾 ，增益小于損耗，光子數(shù)密度減少并急劇下降。,2.調(diào)的基本原理,通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。這是普通激光器峰值功率(一般為幾十千瓦數(shù)量級)。不能提高的原因。,既然激光上能級最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制，那么，要使上能級積累大量的粒子，可以設(shè)法通過改變（增加）激光器的閾值來實(shí)現(xiàn)，就是當(dāng)激光器開始泵浦初期，設(shè)法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高，抑

6、制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。,當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大時，再突然把閾值調(diào)到很低，此時，積累在上能級的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級，于是在極短的時間內(nèi)將能量釋放出來，就獲得峰值功率極高的巨脈沖激光輸出。 改變激光器的閾值是提高激光上能級粒子數(shù)積累的有效方法。,Q值與諧振腔的損耗成反比，要改變激光器的閾值，可以通過突變諧振腔的Q值(或損耗a總)來實(shí)現(xiàn)。,調(diào)Q技術(shù)就是通過某種方法使腔的Q值隨時間按一定程序變化的技術(shù)。或者說使腔的損耗隨時間按一定程序變化的技術(shù)。,調(diào)Q激光脈沖的建立過程，各參量隨時間的變化情況，如右圖所示。 圖(a)表示泵浦速率Wp隨時間的變化； 圖(b

7、)表示腔的Q值是時間的階躍函數(shù)(藍(lán)虛線)； 圖(c)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n的變化； 圖(d)表示腔內(nèi)光子數(shù)隨時間的變化。,3.Q開關(guān)激光器的特點(diǎn) （1） 通過改變Q值改變閾值，控制激光產(chǎn)生的時間。,在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低Q值狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級的粒子數(shù)不斷積累，直至 t0時刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值ni，在這一時刻，Q值突然升高(損耗下降)，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于此ni nt(閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù))，因此受激輻射增強(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)槭芗ぽ椛鋱龅哪芰浚Y(jié)果產(chǎn)生了一個峰值功率很高的窄脈沖。,調(diào)Q脈沖的建立有個過程，當(dāng)Q值階

8、躍上升時開始振蕩，在t=t0振蕩開始建立至以后一個較長的時間過程中，光子數(shù)增長十分緩慢，如圖3所示，其值始終很小，受激輻射幾率很小，此時仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢。,圖3 從開始振蕩到脈沖形成的過程,只有振蕩持續(xù)到ttD時，增長到了D ，雪崩過程才形成， 才迅速增大，受激輻射才迅速超過自發(fā)輻射而占優(yōu)勢。,（2） 兩階段 儲能階段（延遲時間）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)最大值 。,因此，調(diào)Q脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時間t (也就是Q開關(guān)開啟的持續(xù)時間)。光子數(shù)的迅速增長，使ni迅速減少，到t=tp時刻， ni= nt，光子數(shù)達(dá)到最大值m之后，由n nt ，則 迅速減少，此時n = nf ，為振蕩

9、終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)?？梢?，調(diào)Q脈沖的峰值是發(fā)生在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)(ni= nt)的時刻。,激光產(chǎn)生輸出 忽略泵浦和自發(fā)輻射的影響。,（3） 開關(guān)時間 從Q值最小變到最大Q值即損耗從最大變到最小需要的時間叫開關(guān)時間。 開關(guān)時間對激光脈沖的影響很大，按開關(guān)時間的大小分為快、慢兩種類型。,諧振腔的Q值與損耗a總成反比，如果按照一定的規(guī)律改變諧振腔的a總值，就可以使Q值發(fā)生相應(yīng)的變化。諧振腔的損耗一般包括有：反射損耗、衍射損耗、吸收損耗等。那么，我們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)。有機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q技術(shù)，聲光調(diào)Q技術(shù)，染料調(diào)Q技術(shù)等。,三、Q調(diào)

10、制方法,四、調(diào)Q技術(shù)關(guān)鍵,動態(tài)損耗：Q 開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，諧振腔應(yīng)具有最大的損耗，以保證Q 開關(guān)打開之前沒有激光產(chǎn)生； 插入損耗：Q 開關(guān)處于打開狀態(tài)時，由開關(guān)本身引起的損耗應(yīng)最 小，一般會引入反射及散射損耗； 開關(guān)時間，Q 開關(guān)應(yīng)有優(yōu)異的開、關(guān)轉(zhuǎn)換性能，快的開關(guān)時間， 將產(chǎn)生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開關(guān)時間會使所存儲的能量在開關(guān)完全打開之間迅速衰竭； 同步性能， Q 開關(guān)應(yīng)能夠精確地控制，與外界信號保持同步。,電光調(diào) Q,一、電光晶體調(diào)Q原理 1. 電光Q開關(guān)原理。 利用晶體的電光效應(yīng)，在晶體上加一階躍式電壓，調(diào)節(jié)腔內(nèi)光子的反射損耗。,圖4-27 電光調(diào)Q裝置示意圖,（1）第一階段：積

11、累階段,電光調(diào)Q激光器如圖所示。未加電場前晶體的折射率主軸為z、y、z。沿晶體光軸方向z施加一外電場E ,由于普克爾效應(yīng),主軸變?yōu)閤、y,z。令光束沿z軸方向傳播,經(jīng)偏振器后變?yōu)槠叫杏趚軸的線偏振光,入射到晶體表面時分解為等幅的x和y方向的偏振光,在晶體中二者具有不同的折射率x和y。經(jīng)過晶體長度d距離后,二偏振分量產(chǎn)生了相位差,圖4-27 電光調(diào)Q裝置示意圖,式中為晶體尋常光折射率;63是晶體的電光系數(shù);V是加在晶體兩端的電壓，d為晶體在z軸方向的長度。當(dāng)=/2時,所需電壓稱作四分之一波電壓,記作V/4.圖中電光晶體上施以電壓V/4時,從偏振器出射的線偏振光經(jīng)電光晶體后,沿x和y方向的偏振分量

12、產(chǎn)生了/2位相延遲,經(jīng)全反射鏡反射后再次通過電光晶體后又將產(chǎn)生/2延遲,合成后雖仍是線偏振光,但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向,因此不能通過偏振器。這種情況下諧振腔的損耗很大,處于低Q值狀態(tài),激光器不能振蕩,激光上能級不斷積累粒子（這一狀態(tài)相當(dāng)于光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)）。,（2）第二階段：脈沖形成階段Q開關(guān)完全打開,在某一特等時刻,突然撤去電光晶體兩端的電壓,則偏振光的振動方向不再被旋轉(zhuǎn)900，相當(dāng)于光開關(guān)被打開，則諧振腔突變至低損耗、高Q值狀態(tài),于是形成巨脈沖激光。（這一狀態(tài)相當(dāng)于光開關(guān)處于打開狀態(tài)）。,1.有較高的動態(tài)損耗（）和插入損耗（） 2.開關(guān)速度快，同步性能好。開關(guān)時間可以達(dá)到秒 ，

13、3.典型的Nd:YAG電光調(diào)Q激光器的輸出光脈沖寬度 約為-20ns，峰值功率達(dá)到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦 4.適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術(shù)較高的插入損 耗使激光器無法振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器,二、電光調(diào)Q技術(shù)特點(diǎn),聲光調(diào) Q,一、聲光Q開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)腔內(nèi)插入的聲光調(diào)Q器件由聲光互作用介質(zhì)(如熔融石英)和鍵合于其上的換能器所構(gòu)成的。,圖4-28 聲光調(diào)Q裝置示意圖,二.聲光調(diào)Q原理：,當(dāng)聲波在某些介質(zhì)中傳播時,該介質(zhì)會產(chǎn)生與聲波信號相應(yīng)的、隨時間和空間周期變化的彈性形變,從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期變化,形成等效的位相光柵,其光柵常數(shù)等于聲波波長s.光束射經(jīng)此介質(zhì)時發(fā)生衍射,一部分光偏離原來方向

14、。當(dāng)聲波頻率較高.聲光作用長度d足夠大,滿足,時(s與分別為聲波與光波波長),如果射光與聲波波面的夾角滿足,則透射光束分裂為零級與+1級或-1級(視入射方向而定)衍射光,+1級或-1級衍射光與聲波波面的夾角亦為,如圖所示。這種現(xiàn)象稱作布喇格衍射,一級衍射光先強(qiáng)I1(或I-1)與入射光光強(qiáng)Ii 之比為,聲光布喇格衍射衍射示意圖,式中是經(jīng)長度為d的位相光柵后光波相位變化的幅度。,式中是介質(zhì)折射率變化的幅值;d與H分別為換能器的長度與寬度;M是聲光介質(zhì)的品質(zhì)因素;P是超聲驅(qū)動功率。提高超聲驅(qū)動功率可得到較高的衍射效率。,聲光調(diào)Q技術(shù)利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調(diào)Q任務(wù)。在聲光器件工作時產(chǎn)生很高的

15、衍射損耗，此時，腔具 有很低的Q值，Q開關(guān)處于關(guān)狀態(tài)；在某一特定時間，撤去 超聲，光束則順利通過均勻的聲光介質(zhì)， 此時Q開關(guān)處于 開狀態(tài)；,聲光Q開關(guān)由一塊對激光波長透明的聲光介質(zhì)及換能器組成,常用的聲光介質(zhì)有熔融石英、錮酸鉛及重火石玻璃等。聲光介質(zhì)表面粘接有由銀酸鯉、石英等壓電材料薄片制成的換能器,換能器的作用是將高頻信號轉(zhuǎn)換為超聲波。聲光開關(guān)置于激光器中,在超聲場作用下發(fā)生衍射,由于一級衍射光偏離諧振腔而導(dǎo)致?lián)p耗增加,從而使激光振蕩難以形成,激光高能級大量積累粒子。若這時突然撤除超聲場,則衍射效應(yīng)即刻消失,諧振腔損耗突然下降,激光巨脈沖遂即形成。,圖4-28 聲光調(diào)Q裝置示意圖,聲光調(diào)Q開

16、關(guān)時間一般小于光脈沖建立時間,屬快開關(guān)類型。由于開關(guān)的調(diào)制電壓只需100多伏,所以可用于低增益的連續(xù)激光器,可獲得峰值功率幾百千瓦、脈寬約為幾十納秒的高重復(fù)率巨脈沖。但是,聲光開關(guān)對高能量激光器的開關(guān)能力差,不宜用于高能調(diào)Q激。,染料調(diào)Q,前面介紹的都是主動式調(diào)Q方法，即是人為地利用某些物理效應(yīng)來控制激光諧振腔的損耗，從而達(dá)到Q值的突變。本節(jié)介紹被動式Q開關(guān)，即利用某些可飽和吸收體本身特性，能自動地改變Q值的一種方法。,一、可飽和吸收染料的調(diào)Q原理,利用有機(jī)材料對光的吸收系數(shù)會隨著光強(qiáng)變化的特性來達(dá)到調(diào)Q的目的。,圖就是染料調(diào)Q激光器的示意圖。它是在一個固體激光器的腔內(nèi)插入一個染料盒構(gòu)成的。,

17、圖(染料調(diào)Q裝置示意圖,某些有機(jī)染料是一種非線性吸收介質(zhì)，即其吸收系數(shù)并不是常數(shù)，當(dāng)在較強(qiáng)激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減小直至飽和，對光呈現(xiàn)透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數(shù)可以表示為：,式中0是中心頻率小信號吸收系數(shù); I 和 Is 分別為人射光強(qiáng)和飽和光強(qiáng)。,可見,吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減少,當(dāng)光強(qiáng)很大時,吸收系數(shù)為零,入射光幾乎全部透過。飽和吸收體的透過率隨光強(qiáng)的變化如下圖所示。,Is為染料的飽和吸收光強(qiáng)，其大小與染料的種類和濃度有關(guān)，一般來說，染料的濃度增加， Is值也增加；I為入射光強(qiáng)。由上式可以看出，當(dāng)I Is 時，吸收系數(shù)趨于零，染料對通過的光束于是變?yōu)橥该?將飽和吸收體放在諧振腔中,泵浦過程開始時,腔內(nèi)自發(fā)熒光很弱，染料吸收系數(shù)很大，使光的透過率很低，腔處于低Q值(高損耗)狀態(tài)，故不能形成激光振蕩。 隨著光泵的繼續(xù)作用反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累，放大的自發(fā)輻射逐漸增加,當(dāng)光強(qiáng)與飽和吸收體的Is可比擬時,染料的吸收系數(shù)變小，透過率逐漸增大.當(dāng)這一過程發(fā)展到一定程度時,單程增益等于單程損耗,激光器開始起振。 隨著激光強(qiáng)度的增加,到一定數(shù)值時，染料吸收達(dá)到飽和（吸收最小）值，突然被“漂白”而變得透明了，這時腔內(nèi)Q值猛增，產(chǎn)生了受激輻射不斷增長的雪崩過