第十六十七次課激光原理課件

1、7.5 調(diào)Q技術(shù)一、弛豫振蕩現(xiàn)象泵浦使激光器達(dá)到閾值，產(chǎn)生激光反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少至低于閾值激光熄滅重復(fù)上述過(guò)程1、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(1)峰值功率不高，只在閾值附近2、原因激光器的閾值始終保持不變(3)時(shí)間特性差，多脈沖輸出，每個(gè)尖峰的寬度約為0.11s3、應(yīng)用局限以測(cè)距為例脈沖峰值功率較低(幾十kw量級(jí)) 影響測(cè)距距離時(shí)間特性差(多脈沖輸出) 影響測(cè)距精度激光測(cè)距儀激光雷達(dá)弛豫振蕩反映了激光振蕩過(guò)程的不穩(wěn)定，具有普遍性。為了改善激光器性能，獲得單個(gè)巨脈沖，必須抑制弛豫振蕩，使有限的激光能量在極短的時(shí)間內(nèi)輸出以提高脈沖峰值功率。 問(wèn)題1：如何獲得巨脈沖？

2、調(diào)Q 、鎖模當(dāng)v0 和L一定時(shí)，Q值與成反比，調(diào)Q即調(diào)。問(wèn)題2：調(diào)Q是調(diào)什么？問(wèn)題3：調(diào)損耗怎么就能獲得巨脈沖呢？二、調(diào)Q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(guò)閾值時(shí)，激光器便開始振蕩。這是普通激光器峰值功率不能提高的原因。要使上能級(jí)積累大量的粒子，可以設(shè)法將激光器的初始振蕩閾值調(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沖激光輸出。調(diào)Q思路和規(guī)定程序： 泵浦初期 (激光產(chǎn)生之

3、前)： 設(shè)置高損耗, (低Q), nt 高，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累 在適當(dāng)時(shí)刻(?) ： 降低損耗, (高Q), nt 低，受激輻射放大形成巨脈沖調(diào)Q基本術(shù)語(yǔ) 調(diào)Q 調(diào)腔內(nèi)損耗 Q開關(guān) 執(zhí)行調(diào)Q功能的器件 巨脈沖調(diào)Q產(chǎn)生的激光脈沖（脈寬窄，峰值功率高）Q開關(guān)關(guān)閉Q開關(guān)打開在腔內(nèi)加入階躍變化的損耗機(jī)制適當(dāng)時(shí)刻，也叫做Q開關(guān)的延遲時(shí)間： 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累最多 激光上能級(jí)壽命熒光壽命（工作物質(zhì)儲(chǔ)能最多）（諧振腔儲(chǔ)能最多）或腔內(nèi)光子數(shù)最多標(biāo)志三、調(diào)Q過(guò)程2、閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)(1)t0: nt( ntnt)1、腔損耗(1)t0(Q開關(guān)打開后): ( )3、泵浦速率(1)t0: Wp小ntnt nitd0mnfWpt

4、4、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n(1) t0: n減小(4) t=td: n=nt(nt n0 nt)5、腔內(nèi)光子數(shù)密度(1)0tnt而增強(qiáng)(2) ttd: 因n0: 振蕩結(jié)束時(shí)殘余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為n=nfntnt n0td0mnfWpt問(wèn)題4：調(diào)Q效果與哪些因素有關(guān)？四、調(diào)Q激光器的速率方程(二能級(jí)、固體、均勻加寬)1、非調(diào)QW12E1E2S21A21W21P26(2.15) B12g1=B21g2P39(2.50) W21=B21 W12=B12 P40(2.56)代入2、調(diào)Q(忽略自發(fā)輻射和無(wú)輻射躍遷:S12=0, A21=0)P99(4.4)P18二能級(jí)系統(tǒng)的速率方程調(diào)Q激光器的速率方程1、腔內(nèi)光子數(shù)密度

5、由 和 消t當(dāng)n= nt時(shí)光子數(shù)密度達(dá)最大值2、最大光子數(shù)密度1e0e-2e2e2-3五、調(diào)Q激光器的性能參數(shù)3、峰值功率計(jì)算公式Pm=h0mST:腔內(nèi)光速S:腔截面積T:輸出鏡透過(guò)率提高Pm的措施1)提高Q開關(guān)打開前、后的腔損耗之比/越大,則 也可以越大 2)提高泵浦功率(使 達(dá)到 的水平)開關(guān)比; 如何使 大 熒光壽命紅寶石釹玻璃YAGCO2He-Ne染料3ms0.7ms0.23ms1ms20nsns工作介質(zhì) 氦氖激光器與染料激光器不適合采用調(diào)Q技術(shù)相同泵浦功率下為什么？3)選擇合適的工作物質(zhì)4、單脈沖能量每產(chǎn)生一個(gè)光子，消耗個(gè)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)5、單脈沖能量利用率E0(儲(chǔ)能):儲(chǔ)藏在工作物質(zhì)中能

6、轉(zhuǎn)變?yōu)榧す獾某跏寄芰縀f(剩余能):巨脈沖結(jié)束后工作物質(zhì)中的剩余能量，通過(guò)自發(fā)輻射消耗掉n0多大，單脈沖能量利用率較高？光子數(shù)密度=0時(shí), n達(dá)到nf令即代入得即計(jì)算并畫出關(guān)系曲線010.10.50.90.9931.0541.3862.5585500.9932.560.90.51.34一般應(yīng)保證6、調(diào)Q脈沖的時(shí)間特性脈沖寬度定義tr:上升時(shí)間(光子數(shù)密度由m/2升至m所用時(shí)間)te:下降時(shí)間(光子數(shù)密度由m降至m/2所用時(shí)間)怎么求？tnnr tpmtetrnt ne tn0 trtettp:光子數(shù)密度達(dá)到m的時(shí)刻,相應(yīng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為nttr:光子數(shù)密度升到m/2的時(shí)刻,相應(yīng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為

7、nrte:光子數(shù)密度降到m/2的時(shí)刻,相應(yīng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為ne脈沖寬度計(jì)算方法nr、ne:分別為光子數(shù)密度升、降至m/2時(shí)所對(duì)應(yīng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，c:Q開關(guān)打開后的腔內(nèi)光子壽命由 和得所以脈沖寬度的特點(diǎn) 1)增大 , 脈沖的前、后沿均減小，其中前沿比后沿減小的更顯著t85%，LN晶體0.45um,最高透過(guò)率可達(dá)98%哪種好？利用KD*P(磷酸二氘鉀）型晶體的縱向電光調(diào)Q利用LiNbO3 （鈮酸鋰）型晶體的橫向電光調(diào)Q。比較：設(shè)計(jì)電光調(diào)Q激光器要考慮的問(wèn)題調(diào)制晶體 消光比高 半波電壓低 抗激光破壞閾值高 透過(guò)率高調(diào)制器的電極結(jié)構(gòu)要形成均勻電場(chǎng)縱向運(yùn)用用環(huán)形電極，橫向運(yùn)用用平板電極。對(duì)工作物質(zhì)的要

8、求上能級(jí)壽命長(zhǎng)，抗激光破壞閾值高。對(duì)泵浦源的要求泵浦光的脈寬和工作物質(zhì)的上能級(jí)壽命要匹配。對(duì)Q開關(guān)控制電路的要求開關(guān)速度要快，控制要精確。？巨脈沖形成的三個(gè)特殊時(shí)刻：.值階躍上升的時(shí)刻（t0)2雪崩過(guò)程形成的時(shí)刻（ t）.光子數(shù)密度達(dá)到最大值的時(shí)刻（ tp)三個(gè)過(guò)程：.自發(fā)輻射為主的過(guò)程.雪崩過(guò)程.光子數(shù)密度衰減的過(guò)程兩個(gè)時(shí)間：從Q值最小變到最大需要的時(shí)間叫開關(guān)時(shí)間tD-t0稱為脈沖建立的延遲時(shí)間Q開關(guān)開啟的快慢直接影響巨脈沖的性能快開關(guān)開關(guān)時(shí)間遠(yuǎn)小于脈沖建立的延遲時(shí)間階躍函數(shù)開關(guān)慢開關(guān)開關(guān)時(shí)間與脈沖建立的延遲時(shí)間相差不多或者更長(zhǎng)線性函數(shù)開關(guān)拋物線函數(shù)開關(guān)不足：容易引起多脈沖的形成優(yōu)點(diǎn)： 開關(guān)

9、時(shí)間短（可以小到10-9秒）；效率高；調(diào)Q的時(shí)間可以精確控制；系統(tǒng)工作穩(wěn)定；重復(fù)頻率高；輸出脈沖窄（10-20ns);峰值功率高（幾十兆瓦以上）主要缺點(diǎn)： 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。 由于較高的插入損耗使激光器無(wú)法振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器。 KDP易潮解，使用時(shí)必須密封安裝。電光調(diào)Q技術(shù)特點(diǎn)2、聲光調(diào)Q激光器為獲得高的衍射效率，通常采用布拉格衍射方式。你能說(shuō)說(shuō)怎樣利用聲光效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)腔內(nèi)損耗嗎？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。聲光調(diào)Q激光器基本結(jié)構(gòu)和工作原理產(chǎn)生布拉格衍射時(shí)，衍射光

10、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0.3-0.5），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)。工作物質(zhì)反射鏡反射鏡驅(qū)動(dòng)源聲光介質(zhì)Bragg衍射0級(jí)1級(jí)聲光調(diào)制器的1級(jí)光為腔內(nèi)損耗，0級(jí)光為激光振蕩 聲光調(diào)Q激光器的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn):性能穩(wěn)定、重復(fù)頻率高、調(diào)制電壓低（一般小于200V）；可獲得中小峰值功率（幾幾百KW）、高重復(fù)頻率（1幾十KHz）的短脈沖（幾十幾百納秒），且脈沖的重復(fù)性好；屬于主動(dòng)調(diào)Q快開關(guān)類型，開關(guān)時(shí)間在100ns以上。缺點(diǎn)：對(duì)于高能量激光器的開關(guān)能力較差，容易“關(guān)不死門”，所以，只能用于低增益的連續(xù)

11、激光器上。脈寬比較寬開關(guān)速度比電光Q開關(guān)慢。聲光調(diào)Q技術(shù)特點(diǎn)3、可飽和吸收調(diào)Q激光器利用某些物質(zhì)對(duì)入射光具有強(qiáng)烈的非線性吸收而改變腔內(nèi)損耗從而達(dá)到調(diào)Q的目的。目前應(yīng)用的可飽和吸收物質(zhì)有兩類：可飽和吸收晶體和可飽和吸收染料。染料調(diào)Q在重復(fù)頻率不很高的中小功率情況下，是最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的調(diào)Q方法?？娠柡臀杖玖险{(diào)Q原理某些有機(jī)染料的吸收系數(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，其吸收系數(shù)為：光強(qiáng)很小時(shí)的吸收系數(shù)染料的飽和吸收光強(qiáng)IS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，IS值也增加。1102I/IsT0.40

12、.60.81.0染料調(diào)Q激光器 1)開始泵浦腔內(nèi)熒光弱吸收系數(shù)大Q值低不能形成激光2)繼續(xù)泵浦腔內(nèi)熒光變強(qiáng)吸收系數(shù)變小熒光達(dá)到一定值時(shí)，吸收系數(shù)飽和燃料被漂白 Q值突增，形成激光脈沖泵浦結(jié)束激光介質(zhì)染料盒 激光全反鏡輸出鏡氙燈裝置工作過(guò)程對(duì)可飽和吸收體的要求1)吸收中心頻率：與激光介質(zhì)增益中心頻率一致2)飽和吸收光強(qiáng)：小于激光工作物質(zhì)的增益飽和光強(qiáng),IsIs3)吸收飽和光強(qiáng)Is的大小要適當(dāng)Is太大，開關(guān)速度慢，影響調(diào)Q效果Is太小,很弱的光即可使其透明，導(dǎo)致工作介質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不能充分積累4)染料吸收帶寬要盡量窄， 太寬不僅會(huì)使吸收的選擇性降低，而且會(huì)使染料不易迅速達(dá)到飽和吸收狀態(tài)而影響Q開關(guān)效率染料調(diào)Q技術(shù)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，沒(méi)有電的干擾;無(wú)需外界信號(hào)控制，屬被動(dòng)式快開關(guān)；適用于脈沖激光器，可獲得峰值功率為幾兆瓦、脈寬為十幾納秒的巨脈沖。缺點(diǎn)由于它是一種被動(dòng)式Q開關(guān)，產(chǎn)生