調(diào)Q(Q開(kāi)關(guān))技術(shù)

1、 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(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)?，F(xiàn)在，欲要獲得峰值功率在兆瓦級(jí)(106w)以上，脈寬為納秒級(jí)(10-9s)的激光脈沖已并不困難。第二章第二章 調(diào)調(diào)Q(Q開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān))技術(shù)技術(shù) 先熟悉一下自發(fā)輻射發(fā)光、受激輻射發(fā)光以及受激吸收躍遷過(guò)程。 處于高能級(jí)E2的原子自發(fā)地向低能級(jí)El躍遷，并發(fā)射出一個(gè)頻率等于 E2一El的光子的過(guò)程稱為自發(fā)稱為自發(fā)輻射躍遷輻射躍遷。示意圖見(jiàn)圖131。圖1-3-1 自發(fā)輻射躍遷 (一)自發(fā)輻射)731 (122121ndtdnAsp這個(gè)過(guò)程可以用自發(fā)躍遷幾率A21來(lái)

2、描述，它定義為發(fā)光材料在單位時(shí)間內(nèi)，從高能級(jí)上產(chǎn)生自發(fā)輻射的發(fā)光粒子數(shù)密度占高能級(jí)總粒子數(shù)密度的比值。也就是：式中：dn21dt時(shí)間內(nèi)自發(fā)輻射粒子數(shù)密度； n2E2能級(jí)總粒子數(shù)密度。 下標(biāo)sp表示是自發(fā)輻射躍遷(spontaneous radiation transition)自發(fā)輻射躍遷的過(guò)程是一種只與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，而與輻射場(chǎng) u () 無(wú)關(guān)的自發(fā)過(guò)程。但是， A21（自發(fā)輻射躍遷愛(ài)因斯自發(fā)輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)坦系數(shù)）的大小與原子處在E2 能級(jí)上的平均壽命 有關(guān)。上式表明，E2能級(jí)上的粒子效密度因自發(fā)輻射作用隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減。我們定義n2(t)的數(shù)值由 t=0 時(shí)的n2(0)衰減到

3、它的12時(shí)所用時(shí)間為E2能級(jí)的平均壽命2 ，從(139)式不難推出：)831 ()()(221212tnAdtdndttdnsp解此微分方程可以得到n2(t)隨時(shí)間變化的規(guī)律:為：)931 ()0()(2122tAentn式中：n2(0)計(jì)時(shí)起點(diǎn)t0時(shí)的粒子數(shù)密度。)1031 (1212A 處于高能級(jí)E2上的原子在頻率為 (E2一E1) / h 的輻射場(chǎng)激勵(lì)作用下，或在頻率為 (E2一E1) / h 的光子誘發(fā)下，向低能級(jí)E1躍遷并輻射出一個(gè)與激勵(lì)輻射場(chǎng)光子或誘發(fā)光子的狀態(tài)(包括頻率、運(yùn)動(dòng)方向、偏振方向、相位等)完全相同的光子的過(guò)程稱為受激輻射躍遷稱為受激輻射躍遷。其示意圖見(jiàn)圖l32。我們用受

4、激輻射躍遷幾率W21來(lái)描述受激輻射： (二) 受激輻射圖1-3-2 受激輻射躍遷受激輻射過(guò)程區(qū)別于自發(fā)輻射的地方在于，它是在輻射場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的，因此，其躍遷幾率W21，不僅與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，還與輻射場(chǎng)成正比，這種關(guān)系我們可以表示為： B21受激輻射躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)。)1231 (2121BW)1131 (122121ndtdnWst式中：dn21dt時(shí)間內(nèi)受激輻射粒子數(shù)密度； 下標(biāo)st表示受激輻射躍遷(stimulated transition)。 處于低能級(jí)E1上的一個(gè)原子在頻率等于 (E2一E1) / h 的輻射場(chǎng)作用下，吸收一個(gè)光子后向高能級(jí)E2躍遷的過(guò)程稱為受激吸收躍遷。其示意圖

5、如下：(三)受激吸收我們用受激吸收躍遷幾率W12來(lái)描述受激輻射，它與受激輻射躍遷的過(guò)程恰好相反，其躍遷幾率為：)1331 (111212ndtdnWst式中：dn12dt時(shí)間內(nèi)受激吸收粒子數(shù)密度， n1E1 能級(jí)粒子數(shù)密度。因受激吸收躍遷過(guò)程也是在輻射場(chǎng) 作用下產(chǎn)生的；所以其躍遷幾率W12也應(yīng)與輻射場(chǎng)大小成正比，即 W 12 B12 （1-3-14)式中；BI 2受激吸收躍遷愛(ài)因斯坦系數(shù)。 正是由于有受激吸收過(guò)程的存在，才使得由（1-3-5）所描述的腔內(nèi)黑體輻射場(chǎng)具有穩(wěn)定的數(shù)值。 腔內(nèi)黑體輻射場(chǎng)() 與物質(zhì)原子相互作用的結(jié)果，維持黑體處于熱平衡狀態(tài)。在這種熱平衡狀態(tài)下，腔內(nèi)物質(zhì)的粒子數(shù)密度按能

6、級(jí)分布應(yīng)服從玻爾茲曼分布： 三、三個(gè)愛(ài)因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系三、三個(gè)愛(ài)因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系)1531 (1212kTEEennT： 熱平衡狀態(tài)的絕對(duì)溫度。)2131 (8332121chBA)2031 (2112 BB（1-3-20）和（1-3-21）稱為愛(ài)因斯坦系數(shù)關(guān)系式。圖圖 1-5-1 固體激光器的結(jié)構(gòu)固體激光器的結(jié)構(gòu)1，晶體棒，晶體棒 2，反射膜；，反射膜；3，氙，氙燈，燈，4一電源一電源 晶體棒或玻璃棒的直徑由晶體棒或玻璃棒的直徑由1cm到幾個(gè)到幾個(gè)cm不等，長(zhǎng)度由十幾個(gè)不等，長(zhǎng)度由十幾個(gè)cm到幾十到幾十個(gè)個(gè)cm不等。棒的兩端面磨的很光滑，平行度很高，鍍上反射膜以后就可以不等。棒的兩端

7、面磨的很光滑，平行度很高，鍍上反射膜以后就可以當(dāng)成反射鏡組成光學(xué)諧振腔。泵浦源使用普通強(qiáng)光源，如氙燈等。固體激光當(dāng)成反射鏡組成光學(xué)諧振腔。泵浦源使用普通強(qiáng)光源，如氙燈等。固體激光器的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，體積小，堅(jiān)固，貯存能量的能力較強(qiáng)，適合實(shí)現(xiàn)器的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，體積小，堅(jiān)固，貯存能量的能力較強(qiáng)，適合實(shí)現(xiàn)Q開(kāi)關(guān)、鎖模等技術(shù)。下邊我們分別以紅寶石激光器和摻釹離子激光器為例，開(kāi)關(guān)、鎖模等技術(shù)。下邊我們分別以紅寶石激光器和摻釹離子激光器為例，簡(jiǎn)介其工作原理。簡(jiǎn)介其工作原理。氙燈晶體電源固體激光器的結(jié)構(gòu)大體一致，如下圖所示。固體激光器的結(jié)構(gòu)大體一致，如下圖所示。 激光工作物質(zhì)被泵浦源激發(fā)后，對(duì)光的放大

8、作用主要表現(xiàn)在它能補(bǔ)償激光模式的能量損耗，使之滿足振蕩的閾值條件（反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大于nth ）、從而形成并維持激光模式的振蕩。E1E2 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(gè)平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬振幅、脈寬和間隔作隨機(jī)變化的尖峰脈沖組成的和間隔作隨機(jī)變化的尖峰脈沖組成的，如圖2.1-1(a)所示。每個(gè)尖峰的寬度約為0.11s，間隔為數(shù)微秒，脈沖序列的長(zhǎng)度大致與閃光燈泵浦持續(xù)時(shí)間相等。圖2.1-l(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激光器弛豫振蕩。一一. 脈沖固體激光器的輸出特性脈沖固體激光器的輸出特性E1E2 產(chǎn)生弛

9、豫振蕩的主要原因：當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級(jí)的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過(guò)閾值條件時(shí)，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光能級(jí)的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過(guò)閾值條件時(shí)，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光。隨著激光的發(fā)射，上能級(jí)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(shí)，激光振蕩就停止。這時(shí)，由于光泵的繼續(xù)抽運(yùn)，上能級(jí)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新積累，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，又產(chǎn)生第二個(gè)脈沖，如此不斷重復(fù)上述過(guò)程，直到泵浦停止才結(jié)束。每個(gè)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(wú)助于峰值功率的提高，而只會(huì)使小尖峰的個(gè)數(shù)增加。E1E2弛豫振蕩產(chǎn)生的物

10、理過(guò)程，可以用圖2.1-2來(lái)描述。它示出了在弛豫振蕩過(guò)程中粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n 和腔內(nèi)光子數(shù)的變化，每個(gè)尖峰可以分為四個(gè)階段 (在t1時(shí)刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n增長(zhǎng)，但尚未到達(dá)閾值nth因而不能形成激光振蕩。)圖2.1-2 腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化第一階段第一階段(t1一t2)：激光振蕩剛開(kāi)始時(shí)，n nth， 0；由于光泵作用， n繼續(xù)增加，與此同時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)密度也開(kāi)始增加，由于的增長(zhǎng)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2.1-2 腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化第二階段第二階段(t2一t3) ： n到達(dá)最大值后開(kāi)始下降，但仍然大于nth ，因

11、此 繼續(xù)增長(zhǎng)，而且增長(zhǎng)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(kāi)始回升，到t5時(shí)刻n又達(dá)到閾值nth ，于是又開(kāi)始產(chǎn)生第二個(gè)尖峰脈沖。因?yàn)楸闷值某檫\(yùn)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間要比每個(gè)尖峰脈沖寬度大得多，于是上述過(guò)程周而復(fù)始，產(chǎn)生一系列尖峰脈沖。泵浦功率越大,尖峰脈沖形成越快,因而尖峰的時(shí)間間隔越小 第三階段(t3一t4)： n nth ，增益小于損耗，光子數(shù)密度減少并急劇下降。二、調(diào)二、調(diào)的基本原理的基本原理 通常的激光器諧振腔的損耗是不變的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(guò)閾值時(shí)，激光器便開(kāi)始振蕩，于是激光上能級(jí)的

12、粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級(jí)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不能提高的原因。 既然激光上能級(jí)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(jí)積累大量的粒子，可以設(shè)法通過(guò)改變（增加）激要使上能級(jí)積累大量的粒子，可以設(shè)法通過(guò)改變（增加）激光器的閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)光器的閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)，就是當(dāng)激光器開(kāi)始泵浦初期，設(shè)法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級(jí)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(shí)，再突然把閾值調(diào)到很低，此時(shí)，積累在上能級(jí)的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級(jí)，于是在極短的時(shí)間內(nèi)將能量釋放出來(lái)，就獲得峰值功率極高的巨脈

13、沖激光輸出。 改變激光器的閾值是提高激光上能級(jí)粒子數(shù)積累的有效方法改變激光器的閾值是提高激光上能級(jí)粒子數(shù)積累的有效方法。從“激光原理”得知，激光器振蕩的閾值條件可表示為 式中，g 是模式數(shù)目，是模式數(shù)目，A21自發(fā)輻射幾率，自發(fā)輻射幾率，c是光子在腔內(nèi)的壽命是光子在腔內(nèi)的壽命，cthAgn121(2.1-1)2Qc而QAgnth221所以 （2.1-2) Q值稱為品質(zhì)因數(shù)值稱為品質(zhì)因數(shù)，它定義為: Q=20 (腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量 / 每秒損耗的能量）每秒損耗的能量）c是腔內(nèi)能量衰減到初始能量的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間0為激光 的中心頻率。用W表示腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量，表示光在腔內(nèi)傳播單次能量的損

14、耗率，那么光在一個(gè)單程中的能量損耗為W 。設(shè)L為諧振腔腔長(zhǎng)，n為介質(zhì)折射率，c為光速，則光在腔內(nèi)走一單程所需的時(shí)間為nL/c。由此，光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為：nLcWcnLW/式中，0為真空中激光中心波長(zhǎng)?？梢?jiàn)，當(dāng)0和L一定時(shí)，Q值與值與諧振腔的損耗成反比諧振腔的損耗成反比，要改變激光器的閾值，可以通過(guò)突變諧振要改變激光器的閾值，可以通過(guò)突變諧振腔的腔的Q值值(或損耗或損耗)來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 這樣，Q值可表示為（2.1-3)002/2nLnLcWWQ 調(diào)調(diào)Q技術(shù)就是通過(guò)某種方法使腔的技術(shù)就是通過(guò)某種方法使腔的Q值隨時(shí)間按一定程序變化值隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)的技術(shù)。或者說(shuō)使腔的使腔的損耗損耗

15、隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)。E1E2 調(diào)Q激光脈沖的建立過(guò)程，各參量隨時(shí)間的變化情況，如圖2.1-3所示。圖圖(a)表示泵浦速率表示泵浦速率Wp隨隨時(shí)間的變化時(shí)間的變化；圖圖(b)表示腔的表示腔的Q值是時(shí)值是時(shí)間的階躍函數(shù)間的階躍函數(shù)(藍(lán)虛線藍(lán)虛線)；圖圖(c)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n的變化的變化；圖圖(d)表示腔內(nèi)光子數(shù)表示腔內(nèi)光子數(shù)隨時(shí)間的變化隨時(shí)間的變化。圖圖2.1-3 Q開(kāi)關(guān)激光脈沖建立過(guò)程開(kāi)關(guān)激光脈沖建立過(guò)程nintQ在泵浦過(guò)程的大部分時(shí)間里諧振腔處于低Q值(Qo)狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級(jí)的粒子數(shù)不斷積累，直至 t0時(shí)刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到

16、最大值ni，在這一時(shí)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(kāi)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(chǔ)的能量在極短的時(shí)間nt內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱?chǎng)的能量，結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)峰值功率很高的窄脈沖。return14 調(diào)Q脈沖的建立有個(gè)過(guò)程，當(dāng)Q值階躍上升時(shí)開(kāi)始振蕩，在t=t0振蕩開(kāi)始建立至以后一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程中，光子數(shù)增長(zhǎng)十分緩慢，如圖2.1-4所示，其值始終很小(i)，受激輻射幾率很小，此時(shí)仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢(shì)。tfiD 圖圖2.1-4 從開(kāi)始振蕩到脈沖形成的過(guò)程從開(kāi)始振蕩到脈沖形成的過(guò)程只有振蕩持續(xù)到ttD時(shí)，增長(zhǎng)到了D ，雪崩過(guò)程才形成，

17、 才迅速增大，受激輻射才迅速超過(guò)自發(fā)輻射而占優(yōu)勢(shì)。因此，調(diào)Q脈沖從振蕩開(kāi)始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時(shí)間t (也就是Q開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的持續(xù)時(shí)間)。光子數(shù)的迅速增長(zhǎng)，使ni迅速減少，到t=tp時(shí)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(shí)n = nf 見(jiàn)圖2.1-3(c) ，為振蕩終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)?？梢?jiàn)，調(diào)調(diào)Q脈沖脈沖的峰值是發(fā)生在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)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(shí)的時(shí)刻刻。 iD 綜上所述，諧振腔的Q值與損耗成反比，如果按照一定的規(guī)律改變諧振腔的值，就可以使Q值發(fā)生相應(yīng)的變化。諧振腔的損耗一般

18、包括有：反射損耗、衍射損耗、吸收損耗反射損耗、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)有機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)電光調(diào)Q技術(shù)，聲光調(diào)技術(shù)，聲光調(diào)Q技術(shù)，染料技術(shù)，染料調(diào)調(diào)Q技術(shù)技術(shù)等。 (1)由于調(diào)Q是把能量以激活離子的形式存儲(chǔ)在激光工作物質(zhì)的高能態(tài)上，集中在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)，因此，要求工作物質(zhì)必須能在強(qiáng)泵浦下工作，即抗損傷閾值要高抗損傷閾值要高；其次，要求工作物質(zhì)必須有較長(zhǎng)的壽命較長(zhǎng)的壽命,若激光工作物質(zhì)的上能級(jí)壽命為2，則上能級(jí)上的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n2因自發(fā)輻射而減少的速度為n2/ 2，這樣，當(dāng)泵浦速率（要大）泵浦速率（要大）

19、為Wp時(shí)，在達(dá)到平衡情況下，應(yīng)滿足：pWn22則上能級(jí)達(dá)到最大反轉(zhuǎn)粒子數(shù)取決于 n2=Wp2 （2.1-4)為了能使激光工作物質(zhì)的上能級(jí)積累盡可能多的粒子，則要求為了能使激光工作物質(zhì)的上能級(jí)積累盡可能多的粒子，則要求Wp2值應(yīng)大一些值應(yīng)大一些，但2也不宜太大，否則會(huì)影響能量的釋放速度。三、實(shí)現(xiàn)調(diào)三、實(shí)現(xiàn)調(diào)Q對(duì)激光器的基本要求對(duì)激光器的基本要求 (2)光泵的泵浦速度必須快于激光上能級(jí)的自發(fā)輻射速率，即光泵的發(fā)光時(shí)間光泵的發(fā)光時(shí)間(波形的半寬度波形的半寬度)必須小于激光介質(zhì)的上能級(jí)壽命必須小于激光介質(zhì)的上能級(jí)壽命。 (3)諧振腔的諧振腔的Q值改變要快（值改變要快（最好是突變），一般應(yīng)與諧振腔建立激

20、光振蕩的時(shí)間相比擬。 激光器的嚴(yán)格理論是建立在激光器的嚴(yán)格理論是建立在量子電動(dòng)力學(xué)量子電動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上基礎(chǔ)上的，它原則上可以描述激光器的全部特性，但由于它的的，它原則上可以描述激光器的全部特性，但由于它的復(fù)雜性我們?cè)谟懻摷す馄鞯哪承┈F(xiàn)象時(shí)不一定非得采復(fù)雜性我們?cè)谟懻摷す馄鞯哪承┈F(xiàn)象時(shí)不一定非得采用它，而是使用不同近似程度的理論去描述不同層次的用它，而是使用不同近似程度的理論去描述不同層次的問(wèn)題。下面簡(jiǎn)介激光器約四類不同理論的出發(fā)點(diǎn)及其應(yīng)問(wèn)題。下面簡(jiǎn)介激光器約四類不同理論的出發(fā)點(diǎn)及其應(yīng)用范圍。用范圍。（回顧）（回顧）激光器的幾種理論激光器的幾種理論: :原子系統(tǒng)：原子系統(tǒng)： 原子中的電子，服從經(jīng)典

21、力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)固定原子中的電子，服從經(jīng)典力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一個(gè)固定在彈簧一端的帶電振子，電子在庫(kù)侖力的作用下作簡(jiǎn)在彈簧一端的帶電振子，電子在庫(kù)侖力的作用下作簡(jiǎn)諧振動(dòng)諧振動(dòng)輻射場(chǎng)：輻射場(chǎng)： MaxwellMaxwell方程方程一、一、 （回顧）（回顧）經(jīng)典理論經(jīng)典理論: : 光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論，經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論，經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)二、二、 （回顧）（回顧）半經(jīng)典理論半經(jīng)典理論物質(zhì)：物質(zhì)： 用量子力學(xué)方法描述用量子力學(xué)方法描述電磁場(chǎng)：電磁場(chǎng)： 經(jīng)典經(jīng)典MaxwellMaxwell方程方程輻射場(chǎng)對(duì)原子系統(tǒng)的影響：輻射場(chǎng)對(duì)原子系統(tǒng)的影響： HamiltonHamilton算符中

22、含時(shí)相互作用項(xiàng)算符中含時(shí)相互作用項(xiàng)原子系統(tǒng)對(duì)輻射場(chǎng)的影響：原子系統(tǒng)對(duì)輻射場(chǎng)的影響： MaxwellMaxwell方程中隨時(shí)間變化的宏觀極化強(qiáng)度方程中隨時(shí)間變化的宏觀極化強(qiáng)度采用量子電動(dòng)力學(xué)的處理方法，它對(duì)光頻電磁場(chǎng)以及物質(zhì)原子都采用量子電動(dòng)力學(xué)的處理方法，它對(duì)光頻電磁場(chǎng)以及物質(zhì)原子都作量子化處理。作量子化處理。 物質(zhì)（原子、分子、離子等）用物質(zhì)（原子、分子、離子等）用SchroedingerSchroedinger方程描方程描述述 電磁場(chǎng)量子化電磁場(chǎng)量子化 物質(zhì)與電磁場(chǎng)相互作用（耦合方程）物質(zhì)與電磁場(chǎng)相互作用（耦合方程） 開(kāi)放的激光系統(tǒng)：開(kāi)放的激光系統(tǒng)： 光輻射通過(guò)腔鏡的光輻射通過(guò)腔鏡的部分逸

23、出部分逸出 工作介質(zhì)的不均勻造成工作介質(zhì)的不均勻造成散射散射 工作介質(zhì)的雜質(zhì)造成工作介質(zhì)的雜質(zhì)造成吸收吸收 原子間碰撞、晶體中激活離子同晶格之間原子間碰撞、晶體中激活離子同晶格之間 相互作用和交換能量相互作用和交換能量 外界泵浦源向晶體外界泵浦源向晶體注入能量注入能量三、三、 （回顧）（回顧）量子理論（超出本書范圍）量子理論（超出本書范圍）四、速率方程理論四、速率方程理論 這是量子理論的一種簡(jiǎn)化形式，因?yàn)樗菑墓膺@是量子理論的一種簡(jiǎn)化形式，因?yàn)樗菑墓庾幼? (即量子化的輻射場(chǎng)即量子化的輻射場(chǎng)) )與物質(zhì)原子的相互作用出發(fā)與物質(zhì)原子的相互作用出發(fā)的，并的，并忽略了光子的相位持性忽略了光子的相位

24、持性與與光子數(shù)的起伏持性光子數(shù)的起伏持性，而使得該理論具有非常簡(jiǎn)單的形式。這個(gè)理論的基而使得該理論具有非常簡(jiǎn)單的形式。這個(gè)理論的基礎(chǔ)是礎(chǔ)是自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收幾率與愛(ài)因斯自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收幾率與愛(ài)因斯坦系數(shù)間的關(guān)系坦系數(shù)間的關(guān)系，由此導(dǎo)出激光器的速率方程。，由此導(dǎo)出激光器的速率方程。 以下所討論絕大多數(shù)有關(guān)激光的理論主要采用以下所討論絕大多數(shù)有關(guān)激光的理論主要采用的是速率方程理論。的是速率方程理論。 調(diào)Q脈沖的形成過(guò)程以及各種參量對(duì)激光脈沖的影響，可以采用速率方程來(lái)進(jìn)行分析可以采用速率方程來(lái)進(jìn)行分析，它是描述腔內(nèi)振蕩光子數(shù)和工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律的方程組。根據(jù)這些

25、規(guī)律，又可推導(dǎo)出調(diào)Q脈沖的峰值功率、脈沖寬度等和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系。2. 2 調(diào)調(diào)Q激光器的基本理論激光器的基本理論 激光形成的速率方程是根據(jù)工作物質(zhì)的粒子數(shù)激光形成的速率方程是根據(jù)工作物質(zhì)的粒子數(shù)變化和腔內(nèi)光子數(shù)變化之間的內(nèi)在關(guān)系建立起來(lái)的變化和腔內(nèi)光子數(shù)變化之間的內(nèi)在關(guān)系建立起來(lái)的。在激光物理學(xué)中已給出了一般激光器的三能級(jí)系統(tǒng)和四能級(jí)系統(tǒng)的速率方程，從而可直接寫出粒子反轉(zhuǎn)數(shù)和腔內(nèi)光子數(shù)隨時(shí)間變化的方程。一、調(diào)一、調(diào)Q的速率方程的速率方程式中， n為粒子反轉(zhuǎn)數(shù)密度； 為腔內(nèi)光子數(shù)密度；g為腔內(nèi)自發(fā)輻射波型數(shù)；W13， W14為受激躍遷幾率；A為自發(fā)輻射幾率。（2.2-1)(2.2-2)retu

26、rnn3(2.2-3) 為了便于分析，用一個(gè)二能級(jí)系統(tǒng)的模型取代實(shí)際的三能級(jí)和四能級(jí)系統(tǒng)。這對(duì)于討論調(diào)Q脈沖的形成過(guò)程和諸參量對(duì)脈沖的影響是可以得到比較滿意結(jié)果的。0dtd上式第二式中，令 （腔的增益等于損耗的閾值條件），可求得穩(wěn)態(tài)振蕩時(shí)閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)nt，則有 調(diào)Q激光器的速率方程是激光(振蕩)器的一種特例。在Q突變過(guò)程中，由于激光器處于急劇變化的瞬態(tài)過(guò)程，所以光泵激勵(lì)和自發(fā)輻射兩種過(guò)程的影響可以忽略，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在下面的分析中，認(rèn)為Q值是階躍式突變的，則(2.2-1)式和(2.2-2)式可以簡(jiǎn)化為 (2.2-4)式即為調(diào)Q激光振蕩的速率方程。書中有誤將上式代入（2.2-3)，得即 A /

27、g = / nt 即 （2.2-4） 對(duì)上述一階微分方程組，一般用數(shù)值方法求解，就可以求得調(diào)Q脈沖的諸參數(shù)。為了求解調(diào)Q的速率方程，必須給出Q開(kāi)關(guān)函數(shù)的具體形式。一般為了求解方便，都是預(yù)先假定幾種典型的Q開(kāi)關(guān)函數(shù)(階躍開(kāi)關(guān)函數(shù)、線性開(kāi)關(guān)函數(shù)和拋物線開(kāi)關(guān)函數(shù)階躍開(kāi)關(guān)函數(shù)、線性開(kāi)關(guān)函數(shù)和拋物線開(kāi)關(guān)函數(shù))。而實(shí)際的Q開(kāi)關(guān)函數(shù)往往是比較復(fù)雜的，甚至很難用一種簡(jiǎn)單形式予以表達(dá)。在此，著重討論理想的階躍式開(kāi)關(guān)函數(shù)。二、速率方程的求解二、速率方程的求解從方程組(2.24)式中，將上式除以下式， 消去時(shí)間t，得： 假定腔內(nèi)損耗 在時(shí)間上有一突變，如圖2.21所示的階躍函數(shù)，即在t0以前的過(guò)程只是準(zhǔn)備了初始反轉(zhuǎn)

28、粒子數(shù)密度ni這個(gè)初始條件，故對(duì)n的積累過(guò)程可不涉及，可只考慮t0以后的變化過(guò)程。 (2.2-5)nnnnnnnnddttt22) 1(利用臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)后，得近似式 (2.2-6)(2.2-8) (2.2-7)圖2.1-4在t0時(shí)刻， n到達(dá)最大值ni ，而受激輻射光子數(shù)為零，即 i0，之后， 開(kāi)始增加，到 tD 時(shí)雪崩過(guò)程形成(見(jiàn)圖2.1-4), 急劇增長(zhǎng), n也開(kāi)始劇減，這一過(guò)程一直持續(xù)到tp時(shí)刻，這時(shí)n nt ，腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到極大值 m 。將(2.2-5)式積分，并考慮到n的積分限為從ni nt ，有書中有誤去掉下標(biāo)t和m, 就是普通表達(dá)式 可見(jiàn)， m與參量(ni nt)存在二次方的關(guān)系

29、，其變化曲線如圖2.2-2所示。因此提高初始粒子反轉(zhuǎn)數(shù)提高初始粒子反轉(zhuǎn)數(shù)ni與閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù)與閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù)nt之之比值有利于腔內(nèi)最大光子數(shù)比值有利于腔內(nèi)最大光子數(shù) m的提高。的提高。(2.2-8) 1調(diào)調(diào)Q脈沖的峰值功率脈沖的峰值功率 可近似地認(rèn)為，這些光子在腔內(nèi)的壽命為 tc 的時(shí)間內(nèi)逸出，而每個(gè)光子的能量為h，則激光的瞬時(shí)功率P h/ tc，利用(2.2-7)式，可得 如果初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù) ni 大大超過(guò)閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)nt (高Q值情況)，則得 ? （后兩項(xiàng)忽略） (2.2-9)當(dāng)n = nt 時(shí)，輸出功率達(dá)到極大值，即峰值功率為(2.2-10)(2.2-11)ln(21itinnnnn去

30、掉下標(biāo)后式中，V為腔內(nèi)激活介質(zhì)的體積； nf 為激光振蕩終止時(shí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，它可由積分方程(2 .2-6)式解得， 激光脈沖的能量是由消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的受激輻射過(guò)程提供的，若以光子數(shù)從極大值m下降到 f的時(shí)間作為脈沖結(jié)束，則 f 對(duì)應(yīng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為 nf 。因此，調(diào)調(diào)Q脈沖（三能級(jí)系統(tǒng)）的總能量脈沖（三能級(jí)系統(tǒng)）的總能量可由下式?jīng)Q定可由下式?jīng)Q定： 在t0時(shí)刻， n到達(dá)最大值ni ，而受激輻射光子數(shù)為零，即 i0(2.2-12) fnf fnfnf(2.2-13)因?yàn)?f =0，所以(2.2-14)因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)光子，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)就減少兩個(gè) 2調(diào)調(diào)Q脈沖的能量及能量利用率脈沖的能量及能量利用率通

31、常ni nf ，所以由(2.2-12)式可以看出，調(diào)Q脈沖能量隨參量ni /nt 的變大而線性增加。 一個(gè)調(diào)Q脈沖可以從激活介質(zhì)的儲(chǔ)能中提取多大比率的能量, nf是沒(méi)有貢獻(xiàn)的，這些剩余的反轉(zhuǎn)粒子在巨脈沖結(jié)束后，以熒光形式消散掉了，因此，用 = (ni -nf )/ ni來(lái)表示調(diào)表示調(diào)Q脈沖可以從介質(zhì)中提取的能量，稱為單脈沖的能量利脈沖可以從介質(zhì)中提取的能量，稱為單脈沖的能量利用率用率。由公式(2.2-8)知輸出光子的峰值功率（最大數(shù)目）與ni )/ nt的比值有關(guān)。書中有誤，應(yīng)去掉 下面分析一下以及nf /ni 與ni /nt關(guān)系。圖2.2-3示出和nf /ni 與ni /nt的關(guān)系。從圖可以

32、看出隨ni /nt的增加而增大，這說(shuō)明能量利用率高；伴隨有nf /ni越小，而（ ni -nf ）/ni越大 。（ =ni -nf ）/ni書中有誤ni /ntnf /ni 下面再討論一下調(diào)Q脈沖的脈寬和波形問(wèn)題。由(2.2-4)第一式可得 (2.2-17)如果所討論的時(shí)間t僅指激光脈沖的寬度的一段時(shí)間，那么，在該時(shí)間內(nèi)，初始光子數(shù)密度0可忽略，則上式可寫為 (2.2-16)(2.2-15)由由(2.2-5)式式 可求得可求得，代入上式，得到代入上式，得到) 1(0ndnndnnti3調(diào)調(diào)Q脈沖的時(shí)間特性脈沖的時(shí)間特性這個(gè)積分方程不易直接得出解析解，但可以根據(jù)已給的初始值 ，利用數(shù)值積分來(lái)求得

33、t的數(shù)值解，其結(jié)果列于表2.2-1。表中t1為光子數(shù)從半極大值上升到峰值所需時(shí)間(脈沖上升時(shí)間)； t2為光子數(shù)從峰值下降到半極大值處的時(shí)間(脈沖下降時(shí)間)，而t1十t2即為脈寬t 。tinn脈沖寬度t 與的關(guān)系tinn脈沖寬度t 與的關(guān)系tinn圖2.2-4 調(diào)Q脈沖波形與ni/ nt1.652.724.487.4 圖2.2-4給出了幾種不同初始值時(shí)的計(jì)算結(jié)果。圖中縱坐標(biāo)為歸一化光子數(shù)密度2mnt，橫坐標(biāo)表示以腔內(nèi)光子壽命為單位的時(shí)間參量 t/tc (其中tc為光子在腔內(nèi)的壽命)。從上述速率方程的解可以看出，在調(diào)在調(diào)Q激光器中，激光器中， 是一個(gè)極為重要的參量是一個(gè)極為重要的參量，它直接影響

34、到輸出功率和脈沖寬度，亦即影響到總體效率它直接影響到輸出功率和脈沖寬度，亦即影響到總體效率。當(dāng) 值增大時(shí)，峰值光子數(shù)增加，脈沖的上升時(shí)間(前沿)和下降時(shí)間(后沿)同時(shí)縮短，脈沖變窄。tinntinn 所以在設(shè)計(jì)調(diào)所以在設(shè)計(jì)調(diào)Q激光器時(shí)，應(yīng)盡可能地提高光泵的抽運(yùn)速率激光器時(shí)，應(yīng)盡可能地提高光泵的抽運(yùn)速率以增大以增大ni,；同時(shí)要選擇效率較高的激光工作物質(zhì)和合適的諧；同時(shí)要選擇效率較高的激光工作物質(zhì)和合適的諧振腔結(jié)構(gòu)以減小振腔結(jié)構(gòu)以減小nt和其他損耗。和其他損耗。 以上討論的是理想的階躍式Q開(kāi)關(guān)函數(shù)的情況。若腔內(nèi)損耗與時(shí)間呈線性函數(shù)的關(guān)系加圖2.2-5所示，其調(diào)Q特性也有不同，根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)研

35、究表明：設(shè)臨界振蕩點(diǎn)定為t0的點(diǎn)，那么t=ts就可理解為腔損耗從最大(A點(diǎn))減到最小(B點(diǎn))所需的時(shí)間。顯然，線性開(kāi)關(guān)函數(shù)與理想的階躍開(kāi)關(guān)函數(shù)之間的差異在于ts的不同。線性開(kāi)關(guān)函數(shù)的解與階躍式開(kāi)關(guān)函數(shù)的解沒(méi)有本質(zhì)的差別，不同之處只在于脈沖不同之處只在于脈沖建立時(shí)的延遲時(shí)間，前者比后者多了開(kāi)關(guān)時(shí)間建立時(shí)的延遲時(shí)間，前者比后者多了開(kāi)關(guān)時(shí)間ts 。另外，還有一種穩(wěn)變非線性（拋物線）開(kāi)關(guān)函數(shù)(一般了解)。t=0 t=ts 利用某些晶體的電光效應(yīng)可以做成電光Q開(kāi)關(guān)器件。電光調(diào)Q具有開(kāi)關(guān)時(shí)間短，效率高，調(diào)Q時(shí)刻可以精確控制，輸出脈沖寬度窄，峰值功率高等優(yōu)點(diǎn)。23 電光調(diào)電光調(diào)Q 圖2.3-1所示是電光晶體

36、調(diào)Q裝置的工作原理圖。激光工作物質(zhì)是一、帶偏振器的電光調(diào)一、帶偏振器的電光調(diào)Q器件器件Nd:YAG晶體，偏振器采用方解石空氣隙格蘭付克棱鏡，調(diào)制晶體用KD*P(磷酸二氘 鉀)晶體，它是z-00切割的(使通光面與z軸垂直)，利用其63的縱向電光效應(yīng)。將調(diào)制晶體兩端的環(huán)狀電極與調(diào)Q電源相接。 如果在調(diào)制晶體上施加4電壓，由于縱向電光效應(yīng)，當(dāng)沿x方向的線偏振光通過(guò)晶體后，兩分量之間便產(chǎn)生2的相位差，則從晶體出射后合成為相當(dāng)于圓偏振光；經(jīng)全反射鏡反射回來(lái)，再次通過(guò)調(diào)制晶體，又會(huì)產(chǎn)生 2的相位差，往返一次總共累積產(chǎn)生 相位差，合成后得到沿y方向振動(dòng)的線偏振光，相當(dāng)于偏振面相對(duì)于入射光旋轉(zhuǎn)了900，顯然，

37、這種偏振光不能再通過(guò)偏振棱鏡，此時(shí)，電光Q開(kāi)關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)。因此，如果在氙燈剛開(kāi)始點(diǎn)燃時(shí)，事先在調(diào)制晶體上加上 4電壓，使諧振腔處于“關(guān)閉”的低Q值狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。待激光上能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)積累到最大值時(shí)，突然撤去晶體上的 4電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)，產(chǎn)生雪崩式的激光振蕩，就可輸出一個(gè)巨脈沖。 由電光調(diào)Q基本原理可知，要獲得高效率調(diào)Q的關(guān)鍵之一是精確控制Q開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”的延遲時(shí)間，即從氙燈點(diǎn)燃開(kāi)始延遲一段時(shí)間，當(dāng)工作物質(zhì)上能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)達(dá)到最大時(shí)，立即“打開(kāi)”開(kāi)關(guān)的效果最好。如果Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)早了，上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)尚未達(dá)到最大時(shí)就開(kāi)始起振，顯然輸出的巨脈沖功率會(huì)降低，而且還可能

38、出現(xiàn)多脈沖。如果延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，即Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)得遲了，則由于自發(fā)輻射等損耗，也會(huì)影響巨脈沖的功率。 圖2.3-2所示的為調(diào)Q工作程序的示意圖。其過(guò)程是：（1）先開(kāi)主電源對(duì)電容C充電，并接于氙燈電極，但不導(dǎo)通故不點(diǎn)燃；（2）開(kāi)動(dòng)晶體電源給KD*P晶體加電壓，使腔處于關(guān)閉狀態(tài)；觸發(fā)器，使氙燈點(diǎn)燃，給工作物質(zhì)以能量，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累。但此時(shí)由于KD*P晶體上加有V/4電壓，所以諧振腔損耗最大，不能形成激光振蕩。當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)到最大時(shí)，通過(guò)延時(shí)電路的信號(hào)加到閘流管的柵極上(使之導(dǎo)通)，將KD*P晶體上的電壓瞬時(shí)退掉，使諧振腔Q值突增，形成激光振蕩，輸山巨脈沖?？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)，精確調(diào)節(jié)延時(shí)電路，宜到輸出激光最強(qiáng)為

39、止。（3）由單結(jié)晶體管振蕩器產(chǎn)生一脈沖一脈沖時(shí)標(biāo)信號(hào)時(shí)標(biāo)信號(hào)輸入到控制電路，再由控制電路將該信號(hào)分別送往激光主電源，使其停止對(duì)電容充電，同時(shí)輸送到二、單塊雙二、單塊雙450電光調(diào)電光調(diào)Q器件器件(了解） 這是一種可省去偏振器的Q開(kāi)關(guān)。圖2.3-3所示是這種Q開(kāi)關(guān)激光器的示意圖。LiNbO3(鈮酸鋰鈮酸鋰)晶體晶體加工成具有兩個(gè)450斜面的矩形長(zhǎng)方體，光軸(z軸)沿長(zhǎng)方體的軸向，電壓沿x軸方向加到晶體上。這樣既不影響通光，而且電場(chǎng)又很均勻。由圖可見(jiàn)，這種結(jié)構(gòu)勿需插入偏振器，可減少腔的插入損耗，所以這是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的比較理想的電光Q開(kāi)關(guān)。下面分析單決雙450電光Q開(kāi)關(guān)的工作原理。zyx故o光反射后

40、沿晶體的光軸方向傳播。但對(duì)e光卻不同了，反射前振動(dòng)方向沿z軸，反射后近似沿z向傳播，其振動(dòng)方向雖然仍平行于主截面，但卻由z向變?yōu)閥向，其折射率變?yōu)閚e( n0)，故e光反射前后 如圖2.3-4所示，一束無(wú)規(guī)偏光沿y軸方向入射晶體后，分解為垂直于主截面沿x向振動(dòng)的o光和平行于主截面沿向振動(dòng)的e光。根據(jù)雙折射的性質(zhì)，兩光的傳播方向一致，不分開(kāi)，但是n0ne由于反射斜面與光軸z成450角，兩束線偏振光將在450反射面上全反射，o光服從均勻介質(zhì)的反射定律，其反射角等于入射角(450)， 1.未加電壓（未加電壓（Vx=0)的情況的情況相當(dāng)于在不同折射率的介質(zhì)中傳播，可根據(jù)各向異性介質(zhì)的反射公式求出e光的

41、反射角1，nesin450 ne sin 1 n0sin 1，對(duì)LN晶體，當(dāng)光波長(zhǎng)為1.06m時(shí)，n02.233，ne2.154，代入該式， 1 42054，它比o光的反射角小，二者之間的夾角為二者之間的夾角為 (206)。當(dāng)兩束光經(jīng)第二個(gè)450反射后，o光仍以450反射，故出射光o與入射光平行，e光的折射率由反射前的ne ( n0)變?yōu)閚e，其反射角”1又變?yōu)?50，故e光的反射光束e也平行于入射光方向。出射的o 和e 兩束光之間的距離近似為兩束光之間的距離近似為=ltg (其中l(wèi)為晶體光軸方向的幾何長(zhǎng)度)，由于由于值很小，兩束光幾乎重疊在一起值很小，兩束光幾乎重疊在一起。E =EC=ED

42、l tg 有誤2. 加電壓（加電壓（Vx=V/2)的情況的情況如圖235所示，晶體沿x軸向加壓后，入射光在晶體的AB段中，偏振光(nx no)的傳播情況與Vx=0時(shí)的情況基本相同。晶體上加電壓前后的差別在于沿光軸的BC段。而變成了o光，它們到達(dá)第二個(gè)450反射面被反射時(shí)則會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)光相互分開(kāi)的現(xiàn)象（見(jiàn)圖）。因而經(jīng)全反鏡反射后偏離諧振腔。ezzooyooxnnnEnnnEnnn2232232121當(dāng)晶體上加有Vx=V/2時(shí)，BC段晶體相當(dāng)于一個(gè)半波片，o光在這段距離中的傳播，其偏振面旋轉(zhuǎn)了900，即原來(lái)的o光變成了e光，同樣e光在這段距離中傳播，偏振面也旋轉(zhuǎn)900 就是說(shuō)，當(dāng)在晶體上加有半被電壓

43、加有半被電壓Vx=V/2時(shí)時(shí)，通過(guò)晶體后的o光和e光都偏離原來(lái)入射光的傳播方向，這時(shí)，腔內(nèi)光路不通，相當(dāng)于處于“關(guān)閉”狀態(tài)，即諧振腔處于低諧振腔處于低Q值狀態(tài)值狀態(tài)（損耗大），不能形成激光振蕩。當(dāng)光泵激勵(lì)工作物質(zhì)，上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累達(dá)到最大值時(shí)，瞬間撤去半波電壓瞬間撤去半波電壓，則o光和e光經(jīng)晶體后的出射光平行于入射光，經(jīng)腔鏡反射后，仍按原路徑返回，腔內(nèi)構(gòu)成光的通路，相當(dāng)于處于“啟開(kāi)”狀態(tài)，Q值突增，激光振蕩得以值突增，激光振蕩得以形成形成。因此控制對(duì)晶體加壓與否，便可改變諧振腔的Q值，從而起到Q開(kāi)關(guān)的作用。 以上介紹的電光Q開(kāi)關(guān)都是屬于工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q。即能量能量是以激活粒子

44、的形式存儲(chǔ)在工作物質(zhì)高能態(tài)上是以激活粒子的形式存儲(chǔ)在工作物質(zhì)高能態(tài)上，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)將Q開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”，腔內(nèi)便很快建立起極強(qiáng)的激光振蕩，使激光上能級(jí)存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，其輸出方式是一面形成激光振蕩，一面從輸出鏡端輸出激光，因此，輸出光脈沖的強(qiáng)度與腔內(nèi)光場(chǎng)強(qiáng)度成比例。這種由輸出反射鏡輸出激光這種由輸出反射鏡輸出激光脈沖的調(diào)脈沖的調(diào)Q方式稱為脈沖反射式方式稱為脈沖反射式(PulseReflectionMode，簡(jiǎn)寫為PRM)Q開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)。三、脈沖透射式三、脈沖透射式(PTM)調(diào)調(diào)Q (PulseTransmissionMode) 另外，還有一種諧振腔儲(chǔ)能調(diào)諧振腔儲(chǔ)能調(diào)Q開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)，即能量是以光

45、子能量是以光子(光光輻射場(chǎng)輻射場(chǎng))的形式存儲(chǔ)在諧振腔內(nèi)的形式存儲(chǔ)在諧振腔內(nèi)，這種調(diào)Q的輸出方式有別于PRM式，它是將PRM式調(diào)Q激光器諧振腔的輸出耦合鏡換成全反鏡，Q開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”后，光子只在腔內(nèi)往返振蕩而無(wú)輸出。直到直到工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子儲(chǔ)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)光子能量時(shí)，放置在工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子儲(chǔ)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)光子能量時(shí)，放置在腔內(nèi)的特定光學(xué)器件腔內(nèi)的特定光學(xué)器件(通常用偏振棱鏡通常用偏振棱鏡)才將腔內(nèi)存儲(chǔ)的最大振蕩才將腔內(nèi)存儲(chǔ)的最大振蕩能量瞬間全部透射輸出能量瞬間全部透射輸出。這種調(diào)Q的方式稱為脈沖透射式脈沖透射式(PulseTransmissionMode，簡(jiǎn)寫為PTM)Q開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)。又因?yàn)樗?/p>

46、不是邊振蕩邊輸出，而是先振蕩達(dá)到最大值后，再瞬間釋放出去，故又稱為“腔倒空腔倒空”。 圖2.3-8所示的是一種帶有起偏器P1和檢偏器P2的PTM式調(diào)Q激光器。 P1P2 ，M1，M2為全反鏡，而且M2置于P2偏振棱鏡界面反射偏光的光路上。當(dāng)電光晶體上不加電壓時(shí)，激光工作物質(zhì)在光泵的激勵(lì)下，上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度逐漸增加，工作物質(zhì)開(kāi)始的自發(fā)輻射光可順利通過(guò)P1和P2 ，但輸出端無(wú)反射鏡，腔的Q值很低，故形成不了激光振蕩。當(dāng)工作物質(zhì)儲(chǔ)能達(dá)到最大值時(shí)，在電光晶體上加上半波電壓V/2 ，此時(shí)通過(guò)P1的線偏振光通過(guò)晶體后偏振面將要旋轉(zhuǎn)900，因此，不能通過(guò)偏振棱鏡P2，但可經(jīng)棱鏡的界面反射到全反射鏡M2上

47、。這樣，由兩個(gè)全反射鏡構(gòu)成的諧振腔損耗很低，Q值突增，激光振蕩迅速形成。當(dāng)腔內(nèi)激光振蕩的光子密度達(dá)到最大值時(shí)，迅速撤去晶體上的電壓，光路又恢復(fù)到加電壓之前的狀態(tài)，于是腔內(nèi)存儲(chǔ)的最大光能量瞬間透過(guò)棱鏡P2而耦合輸出。這就是PTM式Q開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程。 前面所介紹的調(diào)Q技術(shù)，無(wú)論是工作物質(zhì)儲(chǔ)能的PRM式運(yùn)轉(zhuǎn)，還是腔內(nèi)儲(chǔ)能的PTM式運(yùn)轉(zhuǎn)，其最后的結(jié)果都是獲得壓縮脈寬的獲得壓縮脈寬的高峰值功率巨脈沖輸出高峰值功率巨脈沖輸出。但是通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，由于Q調(diào)制器能有效地控制激光器的損耗與增益(增益Q開(kāi)關(guān))，即能有效地控制激光器的凈增益，因而，一個(gè)Q調(diào)制器不僅能有效地控制激光的能量(或功率)特性，而且也可以控制激

48、光的空間空間(橫模橫模)特性特性和頻率頻率(縱縱模模)特性特性以及輸出穩(wěn)定性輸出穩(wěn)定性等。四、四、Q調(diào)制技術(shù)的其他功能調(diào)制技術(shù)的其他功能 基于不同橫模之間存在的損耗差異，通過(guò)插入腔內(nèi)的Q調(diào)制器來(lái)控制腔的損耗，開(kāi)始時(shí)使激光器運(yùn)行于高閾值、低增益的臨界振蕩狀態(tài)(稱為稱為“預(yù)激光預(yù)激光”技術(shù)技術(shù))，在一定泵浦功率強(qiáng)度下，只有1.選橫模的功能選橫模的功能(本科一般了解)圖圖5.1-1 不同橫模的光場(chǎng)強(qiáng)度不同橫模的光場(chǎng)強(qiáng)度Lra圖5.2-8共心腔兩低階模衍射損耗與光闌孔徑的關(guān)系 % （ %）損耗最小的橫模(TEM00模)建立振蕩，其余損耗較大的橫模都被抑制而不能振蕩(選模的基本原理詳見(jiàn)第五章)，這樣便產(chǎn)

49、生了單橫產(chǎn)生了單橫模模“種籽種籽”。為了得到大的能量輸出，接著將Q開(kāi)關(guān)完全打開(kāi)，使種籽激光得到充分放大，那么最終輸出的便是功率足夠高的基橫模激光（如圖2.3-12所示） 。圖中M1，M2為腔鏡；PC為泡克耳斯電光晶體，P為偏振鏡，KD*P晶體兩電極上分別加電壓V1，V2，其中V1為常加電壓， V2為方波電壓，工作程序如圖2.3-13所示。 圖中， V12為KD*P晶體上的合成電壓； Vos為一定泵浦功率下對(duì)應(yīng)于腔損耗最小橫模之臨界振蕩條件下晶體上所需的常加電壓值，電壓V1 值略低于Vos值，僅僅使損耗最小的橫模能建立振蕩。V2方波VosV1-V2寬度的選取應(yīng)該便于損耗最小的橫模激光能得到充分放

50、大，而其余橫模均不能形成激光為準(zhǔn)，所以只要方波電壓V2的寬度選擇合適，使損耗最小的基橫模得到充分放大，而其他橫模還未形成激光之前及時(shí)“關(guān)閉”Q開(kāi)關(guān)，則輸出到腔外的僅是損耗最小橫模的激光。 2.選單縱模的功能 選單縱模的Q調(diào)制技術(shù)是在單橫模的基礎(chǔ)上，利用不同縱模之間存在的增益差異進(jìn)行的。開(kāi)始時(shí)，使Q開(kāi)關(guān)處于不完全關(guān)閉狀態(tài)，通過(guò)Q開(kāi)關(guān)控制腔的損耗，使之在一定泵浦功率下，僅靠近中心頻率0附近少數(shù)增益較大的縱模能建立起振蕩，而且由于這少數(shù)縱模是在閾值附近振蕩，激光形成所需要的時(shí)間較長(zhǎng)，不同縱模之間的模式競(jìng)爭(zhēng)比較充分，故最終形成并得到充分放大的僅是增益最大的單縱模。當(dāng)單縱模激光形成后，將Q開(kāi)關(guān)完全打開(kāi)，

51、即可獲得單縱模脈沖激光輸出。 C/(2nL)腔諧振頻率C/(2nL)腔諧振頻率C/(2nd)腔諧振頻率單振蕩頻率 選單縱模Q調(diào)制的工作程序與圖2.3-13基本相同。所不同的是，電壓電壓Vos是在一定泵浦功率下對(duì)應(yīng)于增益最大縱模是在一定泵浦功率下對(duì)應(yīng)于增益最大縱模(中心頻率中心頻率0)之臨之臨界振蕩條件下晶體上應(yīng)加的電壓界振蕩條件下晶體上應(yīng)加的電壓。由于靠近中心頻率附近各縱模之間增益差異甚小，故在腔內(nèi)插入一個(gè)F-P標(biāo)準(zhǔn)具平板(反射率R8)，使中心頻率附近各縱模之間同時(shí)存在損耗差異，增大各縱模之間的的凈增益差異，使Q調(diào)制器對(duì)縱模的選擇作用更為有效。 VosV1Q調(diào)制技術(shù)還有鎖模、削波等功能?？梢?jiàn)，

52、多功能Q調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，將是激光單元技術(shù)上的一個(gè)突破，可以大大提高調(diào)Q激光器的實(shí)用性。-V2 調(diào)Q激光器與普通脈沖激光器相比，它具有超臨界振蕩的持點(diǎn)，因此，對(duì)Q開(kāi)關(guān)器件、激光工作物質(zhì)、光泵浦燈以及耦合輸出條件等有一些新的要求。2.4 設(shè)計(jì)電光調(diào)設(shè)計(jì)電光調(diào)Q激光器應(yīng)考慮的問(wèn)題激光器應(yīng)考慮的問(wèn)題一、調(diào)制晶體材料的選擇一、調(diào)制晶體材料的選擇 電光晶體的質(zhì)量對(duì)調(diào)Q性能起著很重要的作用，目前能夠獲得較高光學(xué)質(zhì)量的線性電光晶體材料還是有限的。1 消光比要高；消光比要高；2 透過(guò)率要高；透過(guò)率要高；3 半波電壓要低；抗破壞閾值要半波電壓要低；抗破壞閾值要高等。高等。二、調(diào)制晶體的電極結(jié)構(gòu)二、調(diào)制晶體的電極結(jié)

53、構(gòu) 電極的結(jié)構(gòu)形式及晶體接觸的好壞直接影響晶體內(nèi)電場(chǎng)的均勻性，一個(gè)極不均勻的電場(chǎng)可能導(dǎo)致器件失去調(diào)Q效應(yīng)。因此，晶體晶體內(nèi)具有均勻的電場(chǎng)是設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)的基本出發(fā)點(diǎn)內(nèi)具有均勻的電場(chǎng)是設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)的基本出發(fā)點(diǎn)。 需要有高質(zhì)量的需要有高質(zhì)量的激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)，具備儲(chǔ)能密度高的性能，還，具備儲(chǔ)能密度高的性能，還要求有較高的抗強(qiáng)光破壞要求有較高的抗強(qiáng)光破壞閾閾值，能承受較高的激光功率密度。值，能承受較高的激光功率密度。三、對(duì)激光工作物質(zhì)的要求三、對(duì)激光工作物質(zhì)的要求四、對(duì)光泵浦燈的要求四、對(duì)光泵浦燈的要求 要求泵浦燈的發(fā)光時(shí)間（脈沖波形的半寬度）必須小于工作物質(zhì)的熒光壽命（激光上能級(jí)壽命）。但是

54、，燈光半波寬度太窄，燈的效率又會(huì)降低，故應(yīng)根據(jù)激光工作物質(zhì)，選擇二者匹配比較好的泵燈。五、對(duì)五、對(duì)Q開(kāi)關(guān)控制電路的要求開(kāi)關(guān)控制電路的要求 要獲得最佳的調(diào)Q效果，要求要求Q開(kāi)關(guān)速度要快開(kāi)關(guān)速度要快，必須精確設(shè)計(jì)各部分電路，使其能很好地協(xié)調(diào)。 #一、聲光調(diào)Q的基本原理 聲光Q開(kāi)關(guān)器件的結(jié)構(gòu)，由聲光介質(zhì)、電-聲換能器、吸聲材料和驅(qū)動(dòng)電源組成。其裝置示意圖如圖2.5-1所示。2.5 聲光調(diào)聲光調(diào)Q熔融石英、玻璃、鉬酸鉛sin B / (2 n s )聲光介質(zhì)主要采用熔融石英、玻璃、鉬酸鉛等。換能器常采用石英、鈮酸鋰等晶體制成。吸聲材料常用鉛橡膠或玻璃棉等。把聲光Q開(kāi)關(guān)器件插入諧振腔內(nèi)，當(dāng)聲光電源產(chǎn)生的

55、高頻振蕩信號(hào)加在聲光調(diào)Q器件的換能器上時(shí)，在聲光介質(zhì)中，使折射率發(fā)生變化，形成等效的“相位光柵”，當(dāng)光束通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，便產(chǎn)生布拉格衍射。衍射光相對(duì)于0級(jí)光有2角的偏離(如當(dāng)超聲頻率在2050MHz范圍時(shí)，石英對(duì)1.06m的光波的衍射角為0.30 0.50)，這一角度完全可以使光波偏離出腔外，使諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài)，不能產(chǎn)生振蕩，或者說(shuō)Q開(kāi)關(guān)將激光“關(guān)斷”。當(dāng)高頻信號(hào)的作用突然停止，則聲光介質(zhì)中的超聲場(chǎng)消失，于是諧振腔又突變?yōu)楦逹值狀態(tài)，相當(dāng)于Q開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”。Q值交替變化一次，就使激光器輸出一個(gè)調(diào)Q脈沖。二、聲光調(diào)二、聲光調(diào)Q器件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)器件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì) 1.材料的選擇 2.器件的設(shè)

56、計(jì) #26 被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q 前面幾節(jié)介紹的都是主動(dòng)式調(diào)Q方法，即是人為地利用某些物理效應(yīng)來(lái)控制激光諧振腔的損耗，從而達(dá)到Q值的突變。本節(jié)將介紹一種被動(dòng)式Q開(kāi)關(guān)，即利用某些可飽和吸收體本身特性，能自動(dòng)地改變Q值的一種方法。一、可飽和吸收染料的調(diào)Q原理 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(duì)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)。（2.6-1）0為光強(qiáng)很小(I0)時(shí)的吸收系數(shù)；Is為染料的飽和吸收光強(qiáng)式中，0為光強(qiáng)很小(I0)時(shí)的吸收系數(shù)；Is為染料的飽和吸收光強(qiáng)，其大小與染料的

57、種類和濃度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，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)當(dāng)I Is 時(shí)，時(shí)，吸收系數(shù)趨于零，染料對(duì)通過(guò)的光束于是變?yōu)橥该魑障禂?shù)趨于零，染料對(duì)通過(guò)的光束于是變?yōu)橥该?圖2.6-1示出了染料透過(guò)率與光功率密度的關(guān)系，透射率 = 1 - 吸收率）圖2.6-1 染料透過(guò)率與光功率密度的關(guān)系那么，將具有這種性能的染料(溶液或固態(tài)片)置于諧振腔內(nèi)時(shí)（見(jiàn)圖2.6-2),開(kāi)始，腔內(nèi)自發(fā)熒光很弱，染料吸收系數(shù)很大，使光的透過(guò)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，腔內(nèi)熒光逐漸變強(qiáng)，當(dāng)光強(qiáng)能與Is相比擬時(shí)，染料的吸收系數(shù)變小，

58、透過(guò)率逐漸增大，到一定數(shù)值時(shí)，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(shí)腔內(nèi)Q值猛增，產(chǎn)生激光振蕩輸出調(diào)Q激光脈沖。泵浦一定是脈沖式2.6-2 染料調(diào)Q激光器因?yàn)楸闷质敲}沖式的，腔內(nèi)光場(chǎng)迅速減弱（I0)，因而染料又恢復(fù)了吸收特性（透過(guò)很?。鸬綄⑶魂P(guān)閉的作用，然后再重復(fù)以上的過(guò)程。#27 轉(zhuǎn)鏡調(diào)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 激光器的諧振腔中，兩反射鏡的平行度直接影響著諧振腔的Q值，轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q就是利用改變反射鏡的平行度反射損耗來(lái)控制Q值的方法。圖2.7-1所示的是轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q激光器的示意圖。它是把脈沖激光器諧振腔的全反射鏡用一直角棱鏡取代，該棱鏡安裝在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子上，由于它繞垂

59、直于腔的軸線作周而復(fù)始的旋轉(zhuǎn)，因此構(gòu)成一個(gè)Q值作周期變化的諧振腔。當(dāng)泵浦氙燈點(diǎn)燃后，由于棱鏡面與腔軸不垂直，諧振腔反射損耗很大，此時(shí)腔的Q值很低，所以不能形成激光振蕩。在這段時(shí)間內(nèi)，工作物質(zhì)在光泵激勵(lì)下，激光上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累，同時(shí)棱鏡面也逐漸轉(zhuǎn)到接近與腔軸垂直的位置，腔的Q值逐漸升高，到一定時(shí)刻就形成激光振蕩，并輸出巨脈沖。這就是轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q的工作原理。 要使轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q激光器獲得穩(wěn)定的最大功率輸出，一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題，就是準(zhǔn)確地控制延遲時(shí)間準(zhǔn)確地控制延遲時(shí)間。即是要求在氙燈點(diǎn)燃之后，需要經(jīng)過(guò)一定的延遲時(shí)間以保證反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到極大值(飽和值)，此時(shí)恰好等于棱鏡轉(zhuǎn)到成腔位置(兩反射鏡相平行的位置)

60、所需要的時(shí)間，使之形成激光振蕩，才能獲得最大激光功率輸出。因此，過(guò)早或過(guò)遲地產(chǎn)生激光振蕩都是不理想的。從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)最佳的延遲時(shí)間。圖2.7-2表示了轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程。由圖可知Q值變化不是嚴(yán)格突變的。為了準(zhǔn)確地控制延遲時(shí)間，通常采用如圖2.7-3所示的延遲裝置。它是在棱鏡架上裝一塊磁鋼和棱鏡一起高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)到與磁頭相切時(shí)，磁頭線圈就感應(yīng)出脈沖信號(hào)，放大后經(jīng)觸發(fā)電路去觸發(fā)點(diǎn)燃氙燈。磁頭的位置可以調(diào)整，磁頭位置的確定是根據(jù)當(dāng)棱鏡面的法線方向與諧振腔的軸線方向成角時(shí)，磁鋼正好通過(guò)磁頭觸發(fā)點(diǎn)燃氙燈。夾角稱為延遲角，與其對(duì)應(yīng)的便是延遲時(shí)間t，若馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為n(rmin)，則有對(duì)應(yīng)關(guān)系 t6