調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)（課堂PPT）

1、1短脈沖技術(shù)短脈沖技術(shù) 調(diào)調(diào)Q技術(shù)技術(shù)與與鎖模技術(shù)鎖模技術(shù)是應(yīng)人們對(duì)是應(yīng)人們對(duì)高峰值功率、窄脈寬激光脈沖高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應(yīng)用需求而發(fā)展起來(lái)的。的應(yīng)用需求而發(fā)展起來(lái)的。 兩種方式機(jī)理不同，壓縮的程度也不同。兩種方式機(jī)理不同，壓縮的程度也不同。 調(diào)調(diào)Q技術(shù)可將激光脈寬壓縮至納秒量級(jí)（峰值功率達(dá)技術(shù)可將激光脈寬壓縮至納秒量級(jí)（峰值功率達(dá)106W以以上）。上）。 鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮至皮秒或飛秒量級(jí)（峰值功率可達(dá)鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮至皮秒或飛秒量級(jí)（峰值功率可達(dá)到到1012W)2 調(diào)調(diào)Q 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

2、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，欲獲得峰值功率在兆功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)?，F(xiàn)在，欲獲得峰值功率在兆瓦級(jí)瓦級(jí)(10(106 6w)w)以上，脈寬為納秒級(jí)以上，脈寬為納秒級(jí)(10(10-9-9s)s)的激光脈沖已并不困難。的激光脈沖已并不困難。第七章第七章 激光技術(shù)激光技術(shù)7.1 調(diào)調(diào)Q技術(shù)技術(shù)7.1.1 調(diào)調(diào)Q的基本理論的基本理論一一. 脈沖固體激光器的輸出的馳豫振蕩脈沖固體激光器的輸出的馳豫振蕩 將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進(jìn)行觀察、記將普通脈沖固體

3、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。3如圖如圖 (a)所示。每個(gè)尖峰的寬度約為所示。每個(gè)尖峰的寬度約為0.11s，間隔為數(shù)微秒，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(b)所示為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)象稱為激光器弛豫激光器弛豫振蕩振蕩。 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

4、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，tI( )a激光熒光( )b脈沖激光器輸出的尖鋒結(jié)構(gòu)4當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，又產(chǎn)生第二個(gè)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，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，峰脈沖都是在閾值附近

5、產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水平較低。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)使小尖峰的率的提高，而只會(huì)使小尖峰的個(gè)數(shù)增加。個(gè)數(shù)增加。E1E2泵浦使激光器達(dá)到閾值，產(chǎn)生激光泵浦使激光器達(dá)到閾值，產(chǎn)生激光反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少至低于反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少至低于閾值閾值激光熄滅激光熄滅特點(diǎn)特點(diǎn)(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的個(gè)數(shù)，不能增加峰值功率加大泵浦能量，只是增加尖峰的個(gè)數(shù)，不能增加峰值功率(1)峰值功率不高，只在閾值附近峰值功率不高，只在閾值附近原因原因:激光器的閾值始終保持不變激光器的閾值始終保持不變5二、諧振腔的品質(zhì)因數(shù)二、諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q儲(chǔ)存在

6、腔內(nèi)的總能量（E）單位時(shí)間內(nèi)損耗的能量（P）Q諧振腔的損耗越小，Q值越高1RQ定義：dtdNVhPVNhERteNN0cnLQR2Q的普遍定義三、調(diào)三、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，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)，激光器便開始振蕩，于是激光上能級(jí)子數(shù)達(dá)到或略超過(guò)閾值時(shí)，激光器便開始振蕩，于是激光上能級(jí)的粒子數(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)粒的粒子數(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子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。這是普

7、通激光器峰值功率不能提高的原因。不能提高的原因。6 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，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)激光器開始泵浦初期，設(shè)法將激光器，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，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級(jí)的的振蕩閾值調(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。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，此當(dāng)反

8、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沖激光輸出。沖激光輸出。 泵浦時(shí)令腔損耗很大泵浦時(shí)令腔損耗很大(Q很小很小),突然減小損耗突然減小損耗(增大增大Q),使積蓄使積蓄的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時(shí)間內(nèi)完成受激輻射的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時(shí)間內(nèi)完成受激輻射,形成光脈沖。形成光脈沖。 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。從從“

9、激光原理激光原理”得知，激光器振蕩的閾值條件可表示為得知，激光器振蕩的閾值條件可表示為 cthAgn121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，72cQ而212thgnAQ所以所以 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是腔內(nèi)能量衰減到初始能量的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間所經(jīng)歷的時(shí)間002/2nLnLcWWQQ值與諧振腔的損耗成反比值與諧振腔的損耗成反比，要改變激光器的閾值，可以通過(guò)要改變激光器的閾值，可以通過(guò)突變諧振腔的

10、突變諧振腔的Q值值(或損耗或損耗)來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 8 (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）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，

11、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。 實(shí)現(xiàn)調(diào)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)與諧振腔建立激光振蕩的時(shí)間相比擬。9四、調(diào)四、調(diào)Q激光器的兩種儲(chǔ)能方式激光器的兩種儲(chǔ)能方式調(diào)調(diào)Q激光器激光器工作物質(zhì)儲(chǔ)能工作物質(zhì)儲(chǔ)能諧振腔儲(chǔ)能諧振腔儲(chǔ)能1.工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q 脈沖反射式調(diào)脈沖反射式調(diào)Q，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱PR

12、M法法（Pulse Reflection Model)。將將能量以激活離子的形式儲(chǔ)存在工作物質(zhì)中能量以激活離子的形式儲(chǔ)存在工作物質(zhì)中。能量?jī)?chǔ)存的時(shí)間，。能量?jī)?chǔ)存的時(shí)間，取決激光上能級(jí)的壽命。取決激光上能級(jí)的壽命。（1）工作過(guò)程）工作過(guò)程 調(diào)調(diào)Q激光脈沖的建立過(guò)程，激光脈沖的建立過(guò)程，各參量隨時(shí)間的變化情況，如各參量隨時(shí)間的變化情況，如圖所示。圖所示。圖圖(a)表示泵浦速率表示泵浦速率Wp隨時(shí)間隨時(shí)間的變化；的變化；圖圖(b)表示腔的表示腔的Q值是值是時(shí)間的階躍函數(shù)時(shí)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的變的變化；化；圖圖(d)表示腔內(nèi)光子數(shù)表示腔內(nèi)光子數(shù)隨隨時(shí)

13、間的變化時(shí)間的變化。QpWmaxminintnfnmaxminpttttt( )a( )b( )c()d10在泵浦過(guò)程的大部分時(shí)間里諧振腔處于低在泵浦過(guò)程的大部分時(shí)間里諧振腔處于低Q值值(Qo)狀態(tài)，故閾值很狀態(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，時(shí)刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值ni，在這一時(shí)刻，在這一時(shí)刻，Q值突然升高值突然升高(損耗下?lián)p耗下降降)，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于此，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)閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù))，因此受激輻射

14、增強(qiáng)非常迅速，激光介質(zhì)，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)間存儲(chǔ)的能量在極短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱?chǎng)的內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱?chǎng)的能量，結(jié)果能量，結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)產(chǎn)生了一個(gè)峰值功率很高的窄脈沖峰值功率很高的窄脈沖。QpWmaxminintnfnmaxminpttttt( )a( )b( )c()d11 調(diào)調(diào)Q脈沖的建立有個(gè)過(guò)程，當(dāng)脈沖的建立有個(gè)過(guò)程，當(dāng)Q值階躍上升時(shí)開始振蕩，在值階躍上升時(shí)開始振蕩，在t=t0振蕩開始建立至以后一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程中，光子數(shù)振蕩開始建立至以后一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程中，光子數(shù)增長(zhǎng)十分緩增長(zhǎng)十分緩慢，如圖所示，其值始終很小慢，如圖所示，其值始終很小(i)，受激輻

15、射幾率很小，此時(shí)仍，受激輻射幾率很小，此時(shí)仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢(shì)。是自發(fā)輻射占優(yōu)勢(shì)。tfiD 從開始振蕩到脈沖形成的過(guò)程從開始振蕩到脈沖形成的過(guò)程只有振蕩持續(xù)到只有振蕩持續(xù)到ttD時(shí)，增長(zhǎng)到了時(shí)，增長(zhǎng)到了D ，雪崩過(guò)程才形成，雪崩過(guò)程才形成， 才迅速增大，受激才迅速增大，受激輻射才迅速超過(guò)自發(fā)輻射而占優(yōu)勢(shì)。輻射才迅速超過(guò)自發(fā)輻射而占優(yōu)勢(shì)。12因此，調(diào)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(shí)間遲時(shí)間t (也就是也就是Q開關(guān)開啟的持續(xù)時(shí)間開關(guān)開啟的持續(xù)時(shí)間)。光子數(shù)的迅速增長(zhǎng)，。光子數(shù)的迅速增長(zhǎng)，使使ni迅速減少，到迅速減少，到t=tp

16、時(shí)刻，時(shí)刻， ni= nt，光子數(shù)達(dá)到最大值，光子數(shù)達(dá)到最大值m之后，由之后，由n nt ，則，則 迅速減少，此時(shí)迅速減少，此時(shí)n = nf 見(jiàn)圖見(jiàn)圖 ，為振蕩終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)。可見(jiàn)，調(diào)為振蕩終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)?？梢?jiàn)，調(diào)Q脈沖的峰值脈沖的峰值是發(fā)生在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)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)刻。的時(shí)刻。 iD（2）工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)）工作物質(zhì)儲(chǔ)能調(diào)Q的特點(diǎn)的特點(diǎn) 巨脈沖的寬度一般為巨脈沖的寬度一般為1020ns；輸出方式為便形成激光振；輸出方式為便形成激光振蕩邊輸出，輸出光脈沖的形狀與腔內(nèi)光強(qiáng)的變化狀態(tài)一致；激蕩邊輸出，輸出光脈沖的形

17、狀與腔內(nèi)光強(qiáng)的變化狀態(tài)一致；激光振蕩終止時(shí)，工作物質(zhì)的出能沒(méi)有被全部取出。光振蕩終止時(shí)，工作物質(zhì)的出能沒(méi)有被全部取出。132.諧振腔儲(chǔ)能調(diào)諧振腔儲(chǔ)能調(diào)Q 脈沖透射式調(diào)脈沖透射式調(diào)Q，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱PTM法（法（Pulse Transmission Model)。將能量以光子的形式儲(chǔ)存在諧振腔中，當(dāng)腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到最大將能量以光子的形式儲(chǔ)存在諧振腔中，當(dāng)腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到最大值時(shí)，瞬間將腔內(nèi)能量全部輸出，因而也稱為值時(shí)，瞬間將腔內(nèi)能量全部輸出，因而也稱為腔倒空法腔倒空法。(1)工作過(guò)程工作過(guò)程工作物質(zhì)100%R 1P電光晶體2P100%R 諧振腔儲(chǔ)能調(diào)諧振腔儲(chǔ)能調(diào)QVV=0：損耗大，：損耗大，Q值

18、低，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)值低，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)得到積累得到積累/2:VV 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)最大反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)最大Q值突增，激光振蕩迅速建立，當(dāng)工作物質(zhì)儲(chǔ)能全部轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)值突增，激光振蕩迅速建立，當(dāng)工作物質(zhì)儲(chǔ)能全部轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)光子能量時(shí)，撤去晶體上電壓，則腔內(nèi)存儲(chǔ)的最大光能量瞬間光子能量時(shí)，撤去晶體上電壓，則腔內(nèi)存儲(chǔ)的最大光能量瞬間透過(guò)透過(guò)P2。（2）諧振腔儲(chǔ)能調(diào)）諧振腔儲(chǔ)能調(diào)Q的特點(diǎn)的特點(diǎn)當(dāng)工作物質(zhì)的儲(chǔ)能全部轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)能量時(shí)，瞬間將腔倒空；巨當(dāng)工作物質(zhì)的儲(chǔ)能全部轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)能量時(shí)，瞬間將腔倒空；巨脈沖寬度更窄，峰值功率更高；調(diào)脈沖寬度更窄，峰值功率更高；調(diào)Q脈沖的能量利用率更高。脈沖的能量利用率更高。14 綜上所述，諧

19、振腔的綜上所述，諧振腔的Q值與損耗值與損耗成反比，如果按照一定的成反比，如果按照一定的規(guī)律改變諧振腔的規(guī)律改變諧振腔的值，就可以使值，就可以使Q值發(fā)生相應(yīng)的變化。諧振腔值發(fā)生相應(yīng)的變化。諧振腔的損耗一般包括有：的損耗一般包括有：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，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)調(diào)Q技術(shù)。有技術(shù)。有機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)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)等技術(shù)等。 調(diào)調(diào)Q技術(shù)就是通過(guò)某種方法技術(shù)就是通過(guò)某種方法使腔的使腔

20、的Q值隨時(shí)間按一定程序變值隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)化的技術(shù)?；蛘哒f(shuō)使腔的使腔的損耗損耗隨隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)。E1E215 調(diào)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，可以采用速率方程來(lái)進(jìn)行分析，它是用速率方程來(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)這些規(guī)律，又可推導(dǎo)。根據(jù)這些規(guī)律，又可推導(dǎo)出調(diào)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。脈沖的峰值功率、脈沖寬度等和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的關(guān)系。7.1.2

21、調(diào)調(diào)Q激光器的速率方程激光器的速率方程一、速率方程一、速率方程三方面簡(jiǎn)化：三方面簡(jiǎn)化：（1）Q開關(guān)函數(shù)是理想的階躍函數(shù)開關(guān)函數(shù)是理想的階躍函數(shù)（2）能級(jí)結(jié)構(gòu)為二能級(jí)系統(tǒng)，）能級(jí)結(jié)構(gòu)為二能級(jí)系統(tǒng)，Q開關(guān)打開前，忽略自發(fā)開關(guān)打開前，忽略自發(fā)輻射，打開后光泵停止。輻射，打開后光泵停止。（3）只研究）只研究Q值階躍后的脈沖形成過(guò)程。值階躍后的脈沖形成過(guò)程。工作物質(zhì)的受激輻射過(guò)程中，腔內(nèi)光子數(shù)密度隨距離的增長(zhǎng)率為工作物質(zhì)的受激輻射過(guò)程中，腔內(nèi)光子數(shù)密度隨距離的增長(zhǎng)率為ddGZ腔內(nèi)光子數(shù)密度隨時(shí)間的增長(zhǎng)率為腔內(nèi)光子數(shù)密度隨時(shí)間的增長(zhǎng)率為ddddddZcGtZtn16若若為為Q Q值階躍后的單程損耗率，值階

22、躍后的單程損耗率，t t1 1為光在腔內(nèi)傳播一個(gè)單程所為光在腔內(nèi)傳播一個(gè)單程所需要的時(shí)間（需要的時(shí)間（t t1 1=nL/c)=nL/c)，則腔內(nèi)光子數(shù)密度，則腔內(nèi)光子數(shù)密度隨時(shí)間的衰減率為隨時(shí)間的衰減率為1ddccttnLt 于是腔內(nèi)光子數(shù)密度的總變化率為于是腔內(nèi)光子數(shù)密度的總變化率為d1()dccGtnt兩側(cè)同乘諧振腔的體積兩側(cè)同乘諧振腔的體積V，則得腔內(nèi)總光子數(shù)，則得腔內(nèi)總光子數(shù)的變化率的變化率d1()dccGtnt 在增益等于損耗的閾值條件下在增益等于損耗的閾值條件下d/d0t得閾值增益系數(shù)得閾值增益系數(shù)tcnGct/,ct t令則有d(1)(1)dctt GcGtnG 因增益正比于工

23、作物質(zhì)上、因增益正比于工作物質(zhì)上、下能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)下能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Nd(1)dtNN 17d(1)dtNN 設(shè)在設(shè)在d時(shí)間內(nèi)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)時(shí)間內(nèi)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)N的變化量的變化量dN，考慮到由于受激躍，考慮到由于受激躍遷而產(chǎn)生的光子數(shù)變化率遷而產(chǎn)生的光子數(shù)變化率 應(yīng)為應(yīng)為 ；此外，對(duì)于；此外，對(duì)于簡(jiǎn)化的二能級(jí)系統(tǒng)，每產(chǎn)生一個(gè)光子，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)簡(jiǎn)化的二能級(jí)系統(tǒng)，每產(chǎn)生一個(gè)光子，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)N相應(yīng)的減相應(yīng)的減少兩個(gè)，故有少兩個(gè)，故有d/d/tN N2tdNNdN 上兩式為調(diào)上兩式為調(diào)Q脈沖激光器的速率方程脈沖激光器的速率方程二、速率方程的解二、速率方程的解1.腔內(nèi)光子數(shù)腔內(nèi)光子數(shù)上兩式相除，得上兩式相除

24、，得d1(1)dN2tNN積分，得積分，得1(ln)2iitiNNN NN 式中，式中， 為腔內(nèi)初始光子數(shù)，為腔內(nèi)初始光子數(shù)， 為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)， iiN0i 181(ln)2itiNNN NN 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到其最大值時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到其最大值tNNm1(ln)2tmittiNNNNN 在在 附近做級(jí)數(shù)展開，可得附近做級(jí)數(shù)展開，可得tN2(1)4timtNNN2.峰值功率峰值功率mP當(dāng)腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到最大值當(dāng)腔內(nèi)光子數(shù)達(dá)到最大值 時(shí)，輸出的巨脈沖功率也達(dá)到其最時(shí)，輸出的巨脈沖功率也達(dá)到其最大值大值 ，即，即mmP0mmPh0為輸出鏡單位時(shí)間內(nèi)光能量的衰減率。為輸出鏡單

25、位時(shí)間內(nèi)光能量的衰減率。設(shè)輸出鏡透過(guò)率為設(shè)輸出鏡透過(guò)率為T,腔長(zhǎng)為腔長(zhǎng)為L(zhǎng)，光在腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度為，光在腔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度為v,可得可得21(1)4imttNPhTNLNv3.輸出能量輸出能量E1()2ifENNh194.單脈沖能量利用率單脈沖能量利用率定義為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)定義為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Ni和剩余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和剩余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)Nf之差與之差與Ni的比值的比值ifiNNN其意義為一個(gè)調(diào)其意義為一個(gè)調(diào)Q脈沖可以從工作物質(zhì)的儲(chǔ)能中提取多大比率的脈沖可以從工作物質(zhì)的儲(chǔ)能中提取多大比率的能量。能量。設(shè)脈沖終止時(shí)工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為設(shè)脈沖終止時(shí)工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為Nf，此時(shí)，此時(shí)0f 1(ln) 02ff

26、iftiNNNNN exp()exp(1)ffifiittiNNNNNNNNNifiNNNexp()itNN為提高調(diào)為提高調(diào)Q器件單脈沖的能量利用率，器件應(yīng)該有大的器件單脈沖的能量利用率，器件應(yīng)該有大的Ni和低的和低的Nf。要達(dá)到。要達(dá)到Ni/Nf3以上，這樣才能保證器件有較高的工作效率。以上，這樣才能保證器件有較高的工作效率。20Ni /Nt123451.00.90.8 0.70.6 0.50.400.1 0.2 0.30.4 0.50.6()/ifiNNN/fiNN21下面再討論一下調(diào)下面再討論一下調(diào)Q脈沖的脈寬和波形問(wèn)題脈沖的脈寬和波形問(wèn)題5調(diào)調(diào)Q脈沖的時(shí)間特性脈沖的時(shí)間特性d2dtNN

27、N 由ddd2tcNtNtN 1(ln)2itiNNN NN 積分積分21(ln)NNicttitdNNNNtNNNN 上式可用數(shù)值積分的方法上式可用數(shù)值積分的方法求出求出t的數(shù)值解的數(shù)值解脈沖寬度定義為半功率點(diǎn)的脈沖寬度定義為半功率點(diǎn)的寬度寬度rfttt 22 利用某些晶體的電光效應(yīng)可以做成電光利用某些晶體的電光效應(yīng)可以做成電光Q開關(guān)器件。開關(guān)器件。電光調(diào)電光調(diào)Q具有開關(guān)時(shí)間短，效率高，調(diào)具有開關(guān)時(shí)間短，效率高，調(diào)Q時(shí)刻可以精確控制，輸出脈沖寬時(shí)刻可以精確控制，輸出脈沖寬度窄（度窄（1020ns)，峰值功率高，峰值功率高(幾十兆瓦以上）等優(yōu)點(diǎn)幾十兆瓦以上）等優(yōu)點(diǎn)。7.1.3 電光調(diào)電光調(diào)Q

28、下圖所示是電光晶體調(diào)下圖所示是電光晶體調(diào)Q裝置的工作原理圖。激光工作物質(zhì)是裝置的工作原理圖。激光工作物質(zhì)是Nd:YAG晶體，偏振器采用方解石空氣隙格蘭晶體，偏振器采用方解石空氣隙格蘭付克棱鏡，調(diào)制付克棱鏡，調(diào)制晶體用晶體用KD*P(磷酸二氘磷酸二氘 鉀鉀)晶體，它是晶體，它是z-00切割的切割的(使通光面與使通光面與z軸軸垂直垂直)，利用其，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)與調(diào)Q電源相接。電源相接。一、帶偏振器的一、帶偏振器的Pockels電光調(diào)電光調(diào)Q器件器件1. 激光器的結(jié)構(gòu)激光器的結(jié)構(gòu)YAG氙燈透反鏡全反鏡偏振器電光晶體帶偏振

29、器的電光調(diào)Q裝置23全全反反鏡鏡 電光電光晶體晶體偏振片偏振片 聚光腔聚光腔輸輸出出鏡鏡4鍍?nèi)村內(nèi)慈玖虾腥玖虾休斴敵龀鲧R鏡調(diào)模塊調(diào)模塊染料調(diào)激光器染料調(diào)激光器聚光腔聚光腔電光調(diào)激光器電光調(diào)激光器24 如果在調(diào)制晶體上施加如果在調(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，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)，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

30、累積的相位差，往返一次總共累積產(chǎn)生產(chǎn)生 相位差，合成后得到沿相位差，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)了面相對(duì)于入射光旋轉(zhuǎn)了900，顯然，這種偏振光不能再通過(guò)偏振棱，顯然，這種偏振光不能再通過(guò)偏振棱鏡，此時(shí)，電光鏡，此時(shí)，電光Q開關(guān)處于開關(guān)處于“關(guān)閉關(guān)閉”狀態(tài)。因此，如果在氙燈剛狀態(tài)。因此，如果在氙燈剛開始點(diǎn)燃時(shí)，事先在調(diào)制晶體上加上開始點(diǎn)燃時(shí)，事先在調(diào)制晶體上加上 4電壓，使諧振腔處于電壓，使諧振腔處于“關(guān)閉關(guān)閉”的低的低Q值狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。值狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。2. 工作原理工作原理YAG氙燈透反鏡全反鏡偏振器電光晶

31、體帶偏振器的電光調(diào)Q裝置25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，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。就可輸出一個(gè)巨脈沖。 由電光調(diào)由電光調(diào)Q基本原理可知，要獲得高效率調(diào)基本原理可知，要獲得高效率調(diào)Q的關(guān)鍵之一是精的關(guān)鍵之一是精確控制確控制Q開關(guān)開關(guān)“打開打開”的延遲時(shí)間，即從氙燈點(diǎn)燃開始延遲一段的延遲時(shí)間，即從氙燈點(diǎn)燃開始延遲一段時(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)

32、，立即“打開打開”開關(guān)的效果最好。如果開關(guān)的效果最好。如果Q開關(guān)打開早了，上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)尚未開關(guān)打開早了，上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)尚未達(dá)到最大時(shí)就開始起振，顯然輸出的巨脈沖功率會(huì)降低，而且還達(dá)到最大時(shí)就開始起振，顯然輸出的巨脈沖功率會(huì)降低，而且還可能出現(xiàn)多脈沖。如果延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，即可能出現(xiàn)多脈沖。如果延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，即Q開關(guān)打開得遲了，則由于開關(guān)打開得遲了，則由于自發(fā)輻射等損耗，也會(huì)影響巨脈沖的功率。自發(fā)輻射等損耗，也會(huì)影響巨脈沖的功率。YAG氙燈透反鏡全反鏡偏振器電光晶體帶偏振器的電光調(diào)Q裝置26二、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開關(guān)。圖所示是這種Q開關(guān)激光器

33、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開關(guān)。下面分析單決雙450電光Q開關(guān)的工作原理。YAG 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡LN氙燈氙燈45 45 zy x27故o光反射后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，

34、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，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28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

35、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 l tg 有誤292. 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

36、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)90030 就是說(shuō)，當(dāng)在晶體上加有半被電壓加有半被電壓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

37、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”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開關(guān)的作用。317.1.4 被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q 本節(jié)將介紹一種被動(dòng)式本節(jié)將介紹一種被動(dòng)式Q開關(guān)，即開關(guān)，即利用某些可飽和吸收體本利用某些可飽和吸收體本身特性，能自動(dòng)地改變身特性，能自動(dòng)地改變Q值的一種方法值的一種方法。一、可飽和吸收染料的調(diào)一、可飽和吸收染料的調(diào)

38、Q原理原理 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，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)：吸收系數(shù)：0/(1/)sI I式中，式中，0為光強(qiáng)很小為光強(qiáng)很小(I0)時(shí)的吸收時(shí)的吸收系數(shù)；系數(shù)；Is為染料的飽和吸收光強(qiáng)，其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)，一般大小與染料的種類和濃度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，染料的濃度增加，來(lái)說(shuō)，染料的

39、濃度增加， Is值也增加；值也增加；I為入射光強(qiáng)。由上式可以看出，為入射光強(qiáng)。由上式可以看出，當(dāng)當(dāng)I Is 時(shí)，吸收系數(shù)趨于零，染料對(duì)通時(shí)，吸收系數(shù)趨于零，染料對(duì)通過(guò)的光束于是變?yōu)橥该鬟^(guò)的光束于是變?yōu)橥该?圖示出了染圖示出了染料透過(guò)率與光功率密度的關(guān)系，透射料透過(guò)率與光功率密度的關(guān)系，透射率率 = 1 - 吸收率）吸收率） 染料透過(guò)率與光功率密度的關(guān)系染料透過(guò)率與光功率密度的關(guān)系32那么，將具有這種性能的染料那么，將具有這種性能的染料(溶液或固態(tài)片溶液或固態(tài)片)置于諧振腔內(nèi)時(shí)置于諧振腔內(nèi)時(shí)（見(jiàn)下圖（見(jiàn)下圖),開始泵浦開始泵浦腔內(nèi)熒光弱腔內(nèi)熒光弱吸收系數(shù)大吸收系數(shù)大Q值低值低不能形成激光不能形成

40、激光繼續(xù)泵浦繼續(xù)泵浦腔內(nèi)熒光變強(qiáng)腔內(nèi)熒光變強(qiáng)吸收系數(shù)變小吸收系數(shù)變小熒光達(dá)到一定值時(shí)，熒光達(dá)到一定值時(shí)，吸收系數(shù)飽和吸收系數(shù)飽和燃料被漂白燃料被漂白 Q值突增，形成激光脈沖值突增，形成激光脈沖泵浦泵浦結(jié)束結(jié)束激光介質(zhì)激光介質(zhì)染料盒染料盒 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡氙燈氙燈33 聲光聲光Q開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)，由聲光介質(zhì)、電開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)，由聲光介質(zhì)、電-聲換能器、吸聲材聲換能器、吸聲材料和驅(qū)動(dòng)電源組成。其裝置示意圖如下圖所示。料和驅(qū)動(dòng)電源組成。其裝置示意圖如下圖所示。7.1.5 聲光調(diào)聲光調(diào)Q激光介質(zhì)激光介質(zhì)聲光器件聲光器件全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡激光介質(zhì)激光介質(zhì)聲光器件聲光器件 激光激光全反

41、鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡1、Q開關(guān)開啟開關(guān)開啟2、Q開關(guān)關(guān)閉開關(guān)關(guān)閉34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。把聲光光Q開關(guān)器件插入諧振腔內(nèi)，當(dāng)聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)加開關(guān)器件插入諧振腔內(nèi)，當(dāng)聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)加在聲光調(diào)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，形成等效的化，形成等效的“相位光柵相位光柵”，當(dāng)光束通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，便產(chǎn)生，當(dāng)光束通

42、過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，便產(chǎn)生布拉格衍射。衍射光相對(duì)于布拉格衍射。衍射光相對(duì)于0級(jí)光有級(jí)光有2角的偏離角的偏離(如當(dāng)超聲頻率在如當(dāng)超聲頻率在2050MHz范圍時(shí)，石英對(duì)范圍時(shí)，石英對(duì)1.06m的光波的衍射角為的光波的衍射角為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，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耗低Q值狀態(tài)，不能產(chǎn)生振蕩，或者說(shuō)值狀態(tài)，不能產(chǎn)生振蕩，或者說(shuō)Q開關(guān)將激光開關(guān)將激光“關(guān)斷關(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)楦咧C振腔又突變?yōu)楦逹值狀態(tài)，相當(dāng)于

43、值狀態(tài)，相當(dāng)于Q開關(guān)開關(guān)“打開打開”。Q值交替值交替變化一次，就使激光器輸出一個(gè)調(diào)變化一次，就使激光器輸出一個(gè)調(diào)Q脈沖。脈沖。357.1.6 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)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。如圖所示的是轉(zhuǎn)鏡調(diào)值的方法。如圖所示的是轉(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)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)

44、高速旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子上，由于它繞垂直于腔的軸線作周而復(fù)始的高速旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)子上，由于它繞垂直于腔的軸線作周而復(fù)始的旋轉(zhuǎn)，因此構(gòu)成一個(gè)旋轉(zhuǎn)，因此構(gòu)成一個(gè)Q值作周期變化的諧振腔。值作周期變化的諧振腔。激光介質(zhì)激光介質(zhì) 激光激光半反半反鏡架鏡架棱鏡棱鏡磁頭磁頭磁鋼磁鋼電源電源光泵光泵電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)觸發(fā)電路觸發(fā)電路36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)腔的損耗很大，此時(shí)腔的Q值很低，所以不能形成激光振蕩。在值很低，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)粒子這段時(shí)間內(nèi)，工作物質(zhì)在光泵激勵(lì)下，

45、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，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)脈沖。這就是轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q的工作原理。的工作原理。 要使轉(zhuǎn)鏡調(diào)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。即是要求在氙燈點(diǎn)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)到極大值大

46、值(飽和值飽和值)，此時(shí)恰好等于棱鏡轉(zhuǎn)到成腔位置，此時(shí)恰好等于棱鏡轉(zhuǎn)到成腔位置(兩反射鏡相兩反射鏡相平行的位置平行的位置)所需要的時(shí)間，使之形成激光振蕩，才能獲得所需要的時(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。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。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。37 綜上所述，調(diào)綜上所述，調(diào)Q激光器的工作方式是多種多樣的，且都具有激光器的工作方式是多種多樣的，且都具有各自的特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用中可以選用，現(xiàn)歸納如下：各自的特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用中可以選用，現(xiàn)歸納如下

47、： (1)轉(zhuǎn)鏡調(diào)轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q 這是發(fā)展較早的一種這是發(fā)展較早的一種Q開關(guān)，由于其開關(guān)時(shí)間開關(guān)，由于其開關(guān)時(shí)間與脈沖時(shí)間近似相等，故與脈沖時(shí)間近似相等，故屬于慢開關(guān)類型屬于慢開關(guān)類型。使用時(shí)應(yīng)特別注意最。使用時(shí)應(yīng)特別注意最佳轉(zhuǎn)速的選擇，以便消除多脈沖的產(chǎn)生。由于這種佳轉(zhuǎn)速的選擇，以便消除多脈沖的產(chǎn)生。由于這種Q開關(guān)無(wú)插入開關(guān)無(wú)插入損耗，也不存在光損傷的問(wèn)題，所以可用于能量較大的脈沖激光損耗，也不存在光損傷的問(wèn)題，所以可用于能量較大的脈沖激光器中，可獲得峰值功率在幾十兆瓦以上，脈寬為納秒級(jí)的巨脈沖。器中，可獲得峰值功率在幾十兆瓦以上，脈寬為納秒級(jí)的巨脈沖。其主要缺點(diǎn)是在其主要缺點(diǎn)是在高轉(zhuǎn)速下的機(jī)械磨損

48、會(huì)影響使用壽命，且裝配工高轉(zhuǎn)速下的機(jī)械磨損會(huì)影響使用壽命，且裝配工藝要求較高藝要求較高。目前這種。目前這種Q開關(guān)已開關(guān)已基本上不采用基本上不采用。 (2)電光晶體調(diào)電光晶體調(diào)Q 由于其開關(guān)時(shí)間主要取決于電路的高壓脈由于其開關(guān)時(shí)間主要取決于電路的高壓脈沖上升和退壓時(shí)間，一般都能做到小于脈沖建立時(shí)間，故屬于沖上升和退壓時(shí)間，一般都能做到小于脈沖建立時(shí)間，故屬于快開關(guān)類型快開關(guān)類型。它能產(chǎn)生窄脈沖，且同步性能好，使用壽命長(zhǎng)，。它能產(chǎn)生窄脈沖，且同步性能好，使用壽命長(zhǎng)，輸出巨脈沖穩(wěn)定?？色@得峰值功率為幾十兆瓦以上、脈寬為十輸出巨脈沖穩(wěn)定?？色@得峰值功率為幾十兆瓦以上、脈寬為十幾納秒的巨脈沖，故幾納秒的

49、巨脈沖，故是目前應(yīng)用最廣泛的一種是目前應(yīng)用最廣泛的一種Q開關(guān)開關(guān)，其主要缺，其主要缺點(diǎn)是半波電壓較高，需要幾千伏的高壓脈沖，對(duì)其他電子線路點(diǎn)是半波電壓較高，需要幾千伏的高壓脈沖，對(duì)其他電子線路易造成干擾。易造成干擾。38 (3)聲光調(diào)聲光調(diào)Q 其開關(guān)時(shí)間小于脈沖建立時(shí)間，屬于其開關(guān)時(shí)間小于脈沖建立時(shí)間，屬于快開關(guān)類快開關(guān)類型型。開關(guān)的調(diào)制電壓只需一百多伏，易與連續(xù)激光器配合調(diào)。開關(guān)的調(diào)制電壓只需一百多伏，易與連續(xù)激光器配合調(diào)Q，可獲得可獲得kHz高重復(fù)頻率的巨脈沖，且脈沖的重復(fù)性好，可獲得峰高重復(fù)頻率的巨脈沖，且脈沖的重復(fù)性好，可獲得峰值功率為幾百千瓦，脈寬約為幾十納秒的巨脈沖。但由于它對(duì)高值

50、功率為幾百千瓦，脈寬約為幾十納秒的巨脈沖。但由于它對(duì)高能量激光器的開關(guān)能力較差，所以，能量激光器的開關(guān)能力較差，所以，只能用于低增益的連續(xù)激光只能用于低增益的連續(xù)激光器上器上。 (4)可飽和吸收體調(diào)可飽和吸收體調(diào)Q 這是這是一種被動(dòng)式的快開關(guān)類型一種被動(dòng)式的快開關(guān)類型，這種，這種Q開關(guān)開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，沒(méi)有電的干擾結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，沒(méi)有電的干擾，可獲得峰值功率為，可獲得峰值功率為幾兆瓦、脈寬為十幾納秒的巨脈沖。其主要缺點(diǎn)是，由于它是一幾兆瓦、脈寬為十幾納秒的巨脈沖。其主要缺點(diǎn)是，由于它是一種被動(dòng)式種被動(dòng)式Q開關(guān)，產(chǎn)生調(diào)開關(guān)，產(chǎn)生調(diào)Q脈沖的時(shí)刻有一定的隨機(jī)性，不能人脈沖的時(shí)刻有一定的隨機(jī)

51、性，不能人為地控制。另外，為地控制。另外，染料易變質(zhì)，需經(jīng)常更換，輸出不穩(wěn)定。染料易變質(zhì)，需經(jīng)常更換，輸出不穩(wěn)定。397.2 鎖模技術(shù)鎖模技術(shù) 超短脈沖（納秒以下的光脈沖超短脈沖（納秒以下的光脈沖ps-fs ）技術(shù)是物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、光電子學(xué)，以及激光光譜學(xué)等學(xué)科對(duì)微觀世界進(jìn)行研究和揭示新的超快過(guò)程的重要手段。超短脈沖技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、同步泵浦鎖模、碰撞鎖摸主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、同步泵浦鎖模、碰撞鎖摸(CPM)，以及90年代出現(xiàn)的加成脈沖鎖模加成脈沖鎖模(APM)或耦合腔鎖模耦合腔鎖模(CCM)、自鎖自鎖模等階段模等階段。自60年代實(shí)現(xiàn)激光鎖模以來(lái)，鎖模光脈沖寬度為皮秒(1

52、0-12s)量級(jí)，70年代，脈沖寬度達(dá)到亞皮秒(10-13s)量級(jí)，到80年代則出現(xiàn)了一次飛躍，即在理論和實(shí)踐上都有一定的突破。1981年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的R.L.Fork等人提出碰撞鎖模理論，并在六鏡環(huán)形腔中實(shí)現(xiàn)了碰撞鎖模碰撞鎖模，得到穩(wěn)定的90fs的光脈沖序列。采用光脈沖壓縮技術(shù)后，獲得了6fs的光脈沖的光脈沖。90年代自鎖模技術(shù)的出現(xiàn)，在摻鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中得到了8.5fs的超短光脈沖序列。 本節(jié)將討論超短脈沖激光器的原理、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)的方法超短脈沖激光器的原理、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)的方法，幾種典型的鎖模激光器及有關(guān)的超短脈沖技術(shù)。典型的鎖模激光器及有關(guān)的超短脈沖技術(shù)。40一、多模激光器的輸出特

53、性一、多模激光器的輸出特性 7.2.1 鎖模鎖模Mode Locking的基本理論的基本理論 激光器的模式分為縱模和橫模。鎖模也分為鎖縱模、鎖橫激光器的模式分為縱模和橫模。鎖模也分為鎖縱模、鎖橫模、鎖縱橫模三種。本節(jié)介紹模、鎖縱橫模三種。本節(jié)介紹縱模鎖定縱模鎖定。 為了更好地理解鎖模的原理，先討論未經(jīng)鎖摸的多縱模自為了更好地理解鎖模的原理，先討論未經(jīng)鎖摸的多縱模自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出特性。腔長(zhǎng)為由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出特性。腔長(zhǎng)為L(zhǎng)的激光器，其縱模的頻率的激光器，其縱模的頻率間隔為間隔為12qqqcL自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個(gè)超過(guò)閥一般包含若干個(gè)超過(guò)閥值的縱模，如圖所示。值

54、的縱模，如圖所示。這些模的振幅及相位都這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時(shí)不固定，激光輸出隨時(shí)間的變化是它們無(wú)規(guī)則間的變化是它們無(wú)規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時(shí)疊加的結(jié)果，是一種時(shí)間平均的統(tǒng)計(jì)值。間平均的統(tǒng)計(jì)值。 / 2cL()a()b( )c()a共 振 腔 縱 模激 光 增 益 曲 線閾 值 增 益激 光 輸 出 頻 譜激 光 增 益 曲 線 與 諧 振 腔 縱 模 的 相 互 作 用41 假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有2N+1個(gè)縱模，那個(gè)縱模，那么激光器輸出的光波電場(chǎng)是么激光器輸出的光波電場(chǎng)是N個(gè)縱模電場(chǎng)的和，即個(gè)縱模電場(chǎng)的和，即( )cos(

55、)NqqqqNE tEt式中，式中，q0， 1， 2， N是激光器內(nèi)是激光器內(nèi)(2N+1)個(gè)振蕩模中第個(gè)振蕩模中第q個(gè)縱模的序數(shù)；個(gè)縱模的序數(shù)； Eq是縱模序數(shù)為是縱模序數(shù)為q的場(chǎng)強(qiáng)的場(chǎng)強(qiáng); q及及q是縱模序數(shù)為是縱模序數(shù)為q的模的角頻率及相位。的模的角頻率及相位。三大特點(diǎn)：三大特點(diǎn)：1. 各縱模初相位彼此無(wú)確定關(guān)系，完全獨(dú)立、隨機(jī)的。各縱模初相位彼此無(wú)確定關(guān)系，完全獨(dú)立、隨機(jī)的。2. 頻譜。由于存在頻率牽引和推斥作用，各相鄰縱模之間頻率頻譜。由于存在頻率牽引和推斥作用，各相鄰縱模之間頻率間隔并不嚴(yán)格相等。各縱模不相干。間隔并不嚴(yán)格相等。各縱模不相干。3. 輸出光強(qiáng)。輸出光強(qiáng)由于各縱模之間非相

56、干疊加而呈現(xiàn)隨機(jī)輸出光強(qiáng)。輸出光強(qiáng)由于各縱模之間非相干疊加而呈現(xiàn)隨機(jī)的無(wú)規(guī)則起伏。的無(wú)規(guī)則起伏。N22q=-N1( )( )( )dI tEtEttt22( )2NqqNEEt若振幅若振幅相同相同220( )(21)2EEtN 1222222201cos()cos2cos.cos11( )( )( )2NqqqqNqqqqqqqqqqq qNtqqNI tEtEtEtE EttI tEtEt dtEt42二、鎖模的基本原理二、鎖模的基本原理1. 鎖模的概念鎖模的概念 使各縱模在使各縱模在時(shí)間上同步，頻率間隔也保持一定時(shí)間上同步，頻率間隔也保持一定，則激光器，則激光器將輸出脈寬極窄、峰值功率很高

57、的超短脈沖。將輸出脈寬極窄、峰值功率很高的超短脈沖。2.鎖模脈沖的特征鎖模脈沖的特征先看三個(gè)不同頻率光波的疊加：先看三個(gè)不同頻率光波的疊加：Ei = E0cos(2 i i t+ i ) i=1,2,3設(shè)三個(gè)振動(dòng)頻率分別為設(shè)三個(gè)振動(dòng)頻率分別為1 、 2 、 3 的三個(gè)光波沿同一方向傳播，的三個(gè)光波沿同一方向傳播，且有關(guān)系式：且有關(guān)系式：3=31， 2= 21 , E1 = E 2 =E3 = E0 若相位未鎖定，則此三個(gè)不同若相位未鎖定，則此三個(gè)不同頻率的光波的初位相頻率的光波的初位相 1 、 2 、 3 彼此無(wú)關(guān)，如左圖，由于破彼此無(wú)關(guān)，如左圖，由于破壞性的干涉疊加，所形成的光壞性的干涉疊加

58、，所形成的光波并沒(méi)有一個(gè)地方有很突出的波并沒(méi)有一個(gè)地方有很突出的加強(qiáng)。輸出的光強(qiáng)只在平均光加強(qiáng)。輸出的光強(qiáng)只在平均光強(qiáng)強(qiáng)3 E02 /2級(jí)基礎(chǔ)上有一個(gè)小的級(jí)基礎(chǔ)上有一個(gè)小的起伏擾動(dòng)。起伏擾動(dòng)。-E0E0I(t) 0E(t)v3=3v1, v2=2v1， 初相 位 無(wú)規(guī)律v3v2v1未 鎖 相 前的三個(gè)光波 的疊加 time3 E02 /243但若設(shè)法使 1 = 2 = 3 =0時(shí)，有 E1 = E0cos(21 t) E2 = E0cos(41 t) E3 = E0cos(61 t) 9E029E02321 t1/v102/(3v1)1/(3v1)-E0E00I(t)E(t)v3=3v1, v

59、2=2v1， 初位相相同(0)v3v2v1三個(gè)光波 的 相位鎖 定 當(dāng) t=0 時(shí), E = 3E0, E2 = 9E02; t = 1/(31)時(shí), E1 = E0cos(2/3) = -E0/2， E2 = E0cos(4/3) = -E0/2, E3 = E0cos(2) = E0 , 三波疊加的結(jié)果是： E = E1 + E 2 + E3 = 0; 同理可得，t=2/(31 )時(shí)，E = 0；t = 1/1時(shí)，E = 3E0 。這樣就會(huì)出現(xiàn)一系列周期性的脈沖，見(jiàn)下圖。 當(dāng)各光波振幅同時(shí)達(dá)到最大值處時(shí)，由于“建設(shè)性建設(shè)性”的干涉作用的干涉作用，就周期性地出現(xiàn)了極大值出現(xiàn)了極大值（ I =

60、 E2 = 9E02 ）。當(dāng)然, 對(duì)于諧振腔內(nèi)存在多個(gè)縱模的情況，同樣有類似的結(jié)果。449E029E02321 t1/v102/(3v1)1/(3v1)-E0E00I(t)E(t)v3=3v1, v2=2v1， 初位相相同(0)v3v2v1三個(gè)光波 的 相位鎖 定 -E0E0I(t) 0E(t)v3=3v1, v2=2v1， 初相位無(wú)規(guī)律v3v2v1未 鎖 相前的 三個(gè)光波 的 疊加 time3 E02 /2 如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步，即把它們的相位相互聯(lián)系起來(lái)，使之有一確定的關(guān)系(q+1 - q =常數(shù))，那么就會(huì)出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象；激光器輸出