調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件

調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)怎樣思想，就有怎樣的生活調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)怎樣思想，就有怎樣的生活1短脈沖技術(shù)調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)是應(yīng)人們對高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的應(yīng)用需求而發(fā)展起來的。兩種方式機(jī)理不同,壓縮的程度也不同。調(diào)Q技術(shù)可將激光脈寬壓縮至納秒量級(峰值功率達(dá)106W以上)。鎖模技術(shù)可將激光脈寬壓縮至皮秒或飛秒量級(峰值功率可達(dá)到1012W)短脈沖技術(shù)2第七章激光技術(shù)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)。現(xiàn)在,欲獲得峰值功率在兆瓦級(105w)以上,脈寬為納秒級(109s)的激光脈沖已并不困難。7.1調(diào)Q技術(shù)7.1.1調(diào)Q的基本理論一.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。第七章激光技術(shù)3如圖(a)所示。每個尖峰的寬度約為01~1μs,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)象稱為激光器弛脈沖激光器輸出的尖鋒結(jié)構(gòu)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,如圖(a)所示。每個尖峰的寬度約為01~1μs,間隔為數(shù)微秒4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El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→激光熄滅特點(diǎn)(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),不能增加峰值功率原因:激光器的閾值始終保持不變當(dāng)超過閾值時,又產(chǎn)生第二個5、諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q定義:Q=0儲存在腔內(nèi)的總能量(E)Q的普單位時間內(nèi)損耗的能量(P)遍定義E=HivN=NP=chevQ=OTR=2TV諧振腔的損耗越小,Q值越高三、調(diào)Q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不能提高的原因。、諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q6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。泵浦時令腔損耗很大(Q很小突然減小損耗(增大Q,使積蓄的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時間內(nèi)完成受激輻射形成光脈沖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。從“激光原理”得知,激光器振蕩的閾值條件可表示為l式中,g是模式數(shù)目,A2自發(fā)輻射幾率,τ是光子在腔內(nèi)的壽命,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7O而t=n|是腔內(nèi)能量衰減到初始能量的1/所經(jīng)歷的時間所以Q值稱為品質(zhì)因數(shù),它定義為Q=2mvo×(腔內(nèi)存儲的能量/每秒損耗的能量)O=2丌WSc/nLQ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δ)來實(shí)現(xiàn)O8實(shí)現(xiàn)調(diào)Q對激光器的基本要求(1)由于調(diào)Q是把能量以激活離子的形式存儲在激光工作物質(zhì)的高能態(tài)上,集中在一個極短的時間內(nèi)釋放出來,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;其次,要求工作物質(zhì)必須有較長的壽命若激光工作物質(zhì)的上能級壽命為2則上能級上的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n2因自發(fā)輻射而減少的速度為n22,這樣,當(dāng)泵浦速率(要大)為W時,在達(dá)到平衡情況下,應(yīng)滿足:n2=W則上能級達(dá)到最大反轉(zhuǎn)粒子數(shù)取決于W為了能使激光工作物質(zhì)的上能級積累盡可能多的粒子,則要求W2值應(yīng)大一些,但2也不宜太大,否則會影響能量的釋放速度。(2)光泵的泵浦速度必須快于激光上能級的自發(fā)輻射速率,即光泵的發(fā)光時間(波形的半寬度)必須小于激光介質(zhì)的上能級壽命。(3)諧振腔的Q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間相比擬。實(shí)現(xiàn)調(diào)Q對激光器的基本要求9四、調(diào)Q激光器的兩種儲能方式工作物質(zhì)儲能諧振腔儲能1.工作物質(zhì)儲能調(diào)Q脈沖反射式調(diào)Q,簡稱PRM法(PulsereflectionModel)將能量以激活離子的形式儲存在工作物質(zhì)中。能量儲存的時間,取決激光上能級的壽命。w(a)(1)工作過程調(diào)Q激光脈沖的建立過程,各參量隨時間的變化情況,OL如圖所示。圖(a)表示泵浦速率W隨時間的變化;圖(b)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)更隨(d)時間的變化時間四、調(diào)Q激光器的兩種儲能方式10在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低Q值(Q狀態(tài),故闕值很高不能起振,從而激光上能級的粒子數(shù)不斷積累,直至0時刻,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值△n;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△n>>△n;(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?a)能量,結(jié)果產(chǎn)生了一個峰值功率很高的窄脈沖OL時間在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低Q值(Q狀態(tài),故闕值很11調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件12調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件13調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件14調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件15調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件16調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件17調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件18調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件19調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件20調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件21調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件22調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件23調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件24調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件25調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件26調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件27調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件28調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件29調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件30調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件31調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件32調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件33調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件34調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件35調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件36調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件37調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件38調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件39調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件40調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件41調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件42調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件43調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件44調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件45調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件46調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件47調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件48調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件49調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件50調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件51調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件52調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件53調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件54調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件55調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件56調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件57調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件58調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件59調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件60調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件61調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件62調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件63調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件64調(diào)Q技術(shù)與鎖模技術(shù)課件65調(diào)Q技術(shù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