脉冲激光器分析

常用电光晶体有 KDP、KD*P、LiNbO3 及BSO等。
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第七章 脉冲激光理论
7.1 Q-调制技术
激光原理
陈历学 2011年2月
7.2.2声光调Q技术 当声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的、 随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期变 化，形成等效的位相光栅，其光栅常数等于声波波长$\lambda_e~$。 光束射经此介质时发生衍射，一部分光偏离原来方向。
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第七章 脉冲激光理论
7.1 Q-调制技术
激光原理
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电光Q开关是目前使用最广泛的一种Q开关，适用于脉冲激光器， 其主要特点是开关时间短(约 10-9s )，属快开关类型。 电光调Q激光器可以获得脉宽窄、峰值功率高的巨脉冲。 典型的 Nd3+:YAG 电光调Q激光器的输出光脉冲宽度为 10-20ns， 峰值功率可达数兆瓦至数十兆瓦。 而对于钕玻璃调Q激光器，不难获得数百兆瓦的峰值功率。
723-2 第七章 脉冲激光理论 7.1 Q-调制技术 激光原理 陈历学 2011年2月
由上述巨脉冲发展过程可知，用作被动Q开关的饱和吸收体 应具备下列特性： (a) 吸收峰中心波长应与激光器激光波长吻合；
(b) 饱和光强 I‘s 要适当。
I‘s 小于增益介质的饱和光强 Is，是巨脉冲产生的必要条件， I’s 太大还会因Q开关速度太慢而严重影响调Q效果。
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第七章 脉冲激光理论
7.1Q-调制激光器基本原理
激光原理
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为了得到高的峰值功率和窄的单个脉冲，采用了Q调制技术.
Q调制的基本原理是通过某种方法使谐振腔的损耗 (或Q值)按 照规定的程序变化，在泵浦激励刚开始时，先使光腔具有高损耗 H，激光器由于阈值高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒 子数便可以积累到较高的水平。 然后在适当的时刻，使腔的损耗突然降低到 ，阈值也随之突 然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增 强。 于是, 在极短时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转变为 激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。
激光原理
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7.2.3被动调Q技术 在谐振腔中设置一饱和吸收体，利用其饱和吸收效应可以控制 谐振腔的损耗。 理论上，可近似地把饱和吸收体看成是两能级系统，利用稳态 二能级速率方程，按由速率方程求增益系数的类似过程，可求出中 心频率处的吸收系数
简并度相等的二能级系统的饱和光强
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7.1Q-调制激光器基本原理
激光原理
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第七章 脉冲激光理论
7.1Q-调制激光器基本原理
激光原理
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7.1.2. 调Q激光器的峰值功率
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第七章 脉冲激光理论
7.1Q-调制激光器基本原理
激光原理
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第七章 脉冲激光理论
7.1 Q-调制技术
激光原理
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7.2.1 电光调Q技术 【电光效应】
某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体的 不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变化 的现象称为电光效应。
电光晶体中折射率的变化和电场成正比的效应称为普克尔效应， 折射率的变化和电场强度平方成正比的效应称为克尔效应。 电光调Q就是利用晶体的普克尔效应来实现Q突变的方法。 现以最常用的电光晶体之一的磷酸二氘钾 (KD*P) 晶体为例说明其 调Q原理。
721-2 第七章 脉冲激光理论 7.1 Q-调制技术 激光原理 陈历学 2011年2月
经过晶体长度 d 距离后，二偏振分量产生了相位差：
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7.1 Q-调制技术
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当 =/2 时，所需电压称作四分之一波电压，记作V/4。
图8-25 中电光晶体上施以电压 V/4 时，从偏振器出射的线偏振光 经电光晶体后，沿 x‘ 和 y’ 方向的偏振分量产生了 /2 位相延迟， 经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又将产生 =/2 延迟，合成 后虽仍是线偏振光，但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向，因此不 能通过偏振器。 这种情况下谐振腔的损耗很大，处于低Q值状态，激光器不能振 荡，激光上能级不断积累粒子。 如果在某一时刻，突然撤去电光晶体两端的电压，则谐振腔突变 至低损耗、高Q值状态，于是形成巨脉冲激光。
【布喇格衍射】 现象：透射光束分裂为 0级与+1级或-1级衍射 光，+1级或-1级衍射光 与声波波面的夹角亦为 ，如图8-26~所示。
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7.1 Q-调制技术
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布喇格衍射条件 当声波频率较高， 声光作用长度 d 足够大 入射光波与声波波面的夹角满足 光强比：一级衍射光光强 I1 (或 I-1 )与入 射光光强 Ii 之比为 经长度为 d 的位相光栅后光 波相位变化的幅度 声波波长 光波波长
随着激光工作物质中反转集居数的积累，放大的自发辐射逐渐增加， 当光强与饱和吸收体的 I‘s 可比拟时，吸收系数显著减少。当这一过 程发展到一定程度时，单程增益等于单程损耗，激光器开始起振。 随着激光强度增加，饱和吸收体的吸收系数又继续下降，而这又促 使激光更迅速地增加，于是产生了受激辐射不断增长的雪崩过程。 当激光光强增加至可与增益介质的饱和光强可比拟时，增益系数显 著下降，最终导致激光熄灭。
由吸收系数方程可见，吸收系数随光强的增加而减少，当光强很大 时，吸收系数为零，入射光几乎全部透过。 饱和吸收体的透过率随光强的变化如图8-26b~所示。
723-1 第七章 脉冲激光理论 7.1 Q-调制技术 激光原理 陈历学 2011年2月
染料盒透过率随光强变化曲线 将饱和吸收体放在 谐振腔中，泵浦过程 开始时，由于其吸收 系数大，谐振腔损耗 很大，激光器不能起 振。
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7.1Q-调制激光器基本原理
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7.1Q-调制激光器基本原理
激光原理
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第七章 脉冲激光理论
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7.1 Q调制原理 我们在分析脉冲激光器输出尖峰序列的原因时已指出，在泵浦激 励过程中，当工作物质中反转集居数密度 n 增加到阈值时就产生 激光。
当 n 超过 nt 时，随着受激辐射的增强，上能级粒子数大量消 耗，反转集居数 n 迅速下降，直到 n 低于阈值 nt 时，激光振 荡迅速衰减。
7.2 Q-调制技术
1 电光调Q技术； 2.声光调Q技术；3.被动调Q技术; 4.腔倒空技术
7.3 激光器锁模技术
1 激光锁模原理; 2. 振幅调制主动锁模; 3. 相位调制主动锁模; 4.均匀加宽激光器主动锁模自洽 理论; 5. 被动锁模
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7.2. Q调制技术 凡能使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作Q开关。 常用调Q方法有转镜调Q、电光调Q、声光调Q与饱和吸收调Q等。 前三种方法中谐振腔损耗由外部驱动源控制，称为主动调Q。后 一种方法中，谐振腔损耗取决于腔内激光光强，因此称为被动调Q。 转镜调Q是最早发展的一种调Q方法，但目前已很少使用。本书仅 简要介绍其余三种调Q方法。
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7.1Q-调制激光器基本原理
激光原理
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7.1.1.Q调制激光器基本原理 图 7.1-1为调 Q 过程的示意图。 在 t<0 时，损耗为 H ，腔内 光子寿命为 H，相应的阈值为
当 t<0 时，泵源激励使反转集居数不断增长，至 t=0 时刻，反 转集居数密度增加到 ni ，但 因 ni < nt ，所以不能产生激光， 此时腔内只有由自发辐射产生的少量光子，光子数密度 Ni 很小 在 t=0 时刻，损耗突然降至 (光子 寿命为 R )，阈值也相应地降至 nt
然后泵浦的抽运又使上能级逐渐积累粒子而形成第二个激光尖峰。 如此不断重复，便产生一系列小的尖峰脉冲。 由于每个激光脉冲都是在阈值附近产生的，所以输出脉冲的峰值 功率较低，一般为几十千瓦数量级。
增大输入能量时，只能使尖峰脉冲的数目增多，而不能有效地提 高峰值功率水平。同时，激光输出的时间特性也很差。
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第七章 脉冲激光理论
7.1 Q-调制技术
激光原理
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电光调Q激光器如图8-25~所示。 未加电场前晶体的折射率主轴 x,y,z 。 沿晶体光轴方向 z 施加一外电场 E ，由于普克尔效应，主轴变为 x‘,y’,z‘。 令光束沿 z 轴方向传播，经偏振器后变为平行于 x 轴的线偏振光， 入射到晶体表面时分解为等幅的 x‘ 和 y‘ 方向的偏振光；在晶体中二 者具有不同的折射率 和 。
获得高衍射效率的方法：提高超声驱动功率！
722-2 第七章 脉冲激光理论 7.1 Q-调制技术 激光原理 陈历学 2011年2月
当声光Q开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成， 常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。 声光介质表面粘接有铌酸锂、石英等压电材料薄片制成的换能器， 换能器的作用是将高频信号转换为超声波。 声光开关置于激光器中，在超声场作用下发生衍射，由于一级衍 射光偏离谐振腔而导致损耗增加，从而使激光振荡难以形成，激光 高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场，则衍射效应即刻消 失，谐振腔损耗突然下降，激光巨脉冲遂即形成。
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激光原理
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第七章 脉冲激光基础
7.1Q-调制激光器基本原理
1 Q调制原理 .2. 调Q激光器的峰值功率； 3. 巨脉冲的能量； 7.1.4. 巨脉冲的时间特性
第七章 脉冲激光基础
7.1Q-调制激光器基Βιβλιοθήκη Baidu原理
1 Q调制原理 .2. 调Q激光器的峰值功率； 3. 巨脉冲的能量； 7.1.4. 巨脉冲的时间特性
7.2 Q-调制技术
1 电光调Q技术； 2.声光调Q技术；3.被动调Q技术; 4.腔倒空技术
7.3 激光器锁模技术
1 激光锁模原理; 2. 振幅调制主动锁模; 3. 相位调制主动锁模; 4.均匀加宽激光器主动锁模自洽 理论; 5. 被动锁模
声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间，属快开关类型。
由于开关的调制电压只需100多伏，所以可用于低增益的连续激 光器，可获得峰值功率几百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨 脉冲。 但声光开关对高能量激光器的开关能力差，不宜用于高能调Q激 光器。
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7.1 Q-调制技术
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7.1Q-调制激光器基本原理
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7.1.4. 巨脉冲的时间特性
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7.1.3. 巨脉冲的能量
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采用调Q技术很容易获得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十毫微 秒的激光巨脉冲。 本节将简单介绍Q调制技术的原理和基本技术。
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7.1Q-调制激光器基本原理
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7.1.1.Q调制激光器基本原理 图 7.1-1为调 Q 过程的示意图。 在 t<0 时，损耗为 H ，腔内光子寿命为 H，相应的阈值为