调Q(Q开关)技术.
声光调Q技术
声光调Q技术一、实验目的：1、掌握固体激光器的工作原理；2、掌握声光调Q和倍频的原理；3、掌握GPF-NG-Ⅰ型声光调Q激光器的调节技术。
二、实验仪器：GPF-NG-Ⅰ型声光调Q激光器、激光冷水机，GTDC1220电流源，QSD-2750声光调Q驱动器。
三、实验原理：本实验采用的是掺钕钇铝石榴石晶体（Nd3+:Y AG）固体激光器，工作物质是由钇铝石榴石（YAG）单晶掺入适量的三价稀土离子Nd3+构成的掺钕钇铝石榴石晶体（Nd3+:YAG）。
采用半导体激光器激励方式将处于基态的粒子抽运到激发态，以形成粒子数反转状态，输出波长分别为532nm、1064nm两种激光。
谐振腔采用全外腔形式。
调Q方式为声光调Q，冷却方式为水冷。
下面将依次介绍。
1、激光器的基本结构一般激光器都是由三个基本的组成部分，即工作物质、激励源和光学谐振腔，如（图1）所示。
工作物质用来产生受激辐射，它是激光器的核心。
激励源用来激励工作物质建立粒子数反转，产生受激辐射。
光学谐振腔是用来维持受激辐射的持续振荡，以获得进一步的增益，从而得到高强度的激光输出。
全反射镜聚光器半反射镜激光工作物质灯电源图1 固体激光器结构示意图1、工作物质在激光器中，工作物质是决定激光器性能的关键部件。
固体激光工作物质被称为固体激光器的心脏。
的激活离子。
2、光泵光源固体激光材料具有比较宽的吸收带，这就为用光照来激励激活粒子创造了条件。
由于固体激光器的工作物质是靠外界光照使粒子激发到高能态的。
所以又称这种激发作用为光泵。
由阈值条件可计算出最低需要多少能量（或功率）才能使激光器振荡，也可以通过实验测得阈值泵浦能量。
因为计算得到的是理想的情况，所以一般都是通过实验来测量。
3、聚光器泵灯发光的空间特性是四面八方发射光辐射。
当泵光激励工作物质时，希望把各个方向的发射光都有效的集中到工作物质上，为此一般都是灯和棒外面加一个罩，罩的形状要适应灯和棒的匹配要求，这种装置称为聚光器，又叫聚光腔。
4.6 调Q技术
Q值也可以用光子在谐振腔内的寿命 的能量损耗率为
Q 0
c
表示。设谐振腔 ，则
dE
dt
， 0 2 0
dE dt
E dE
0
Q
dt
dt
由上式积分，得到
Et E0e 0t / Q
当 t Q
0
时， E E 1 ，把能量衰减到初始值的 t 0 e
1 e
所经历的时间
3、特点
(1)峰值功率不高，只在阈值附近
(2)加大泵浦能量，只是增加小尖峰脉冲的个数(缩短尖峰间
隔)，相应的小尖峰脉冲序列分布的时间范围更宽了，但不 能增加峰值功率。
4、原因
？
激光器的阈值始终保持不变
4.6.2
调Ｑ的基本原理
通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵 浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始 振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少， 致使上能级不能积累很大的反转粒子数，只能被限制 在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率不能提 高的原因。 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值 的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设 法通过改变（增加）激光器的阈值来实现。
突然退去晶体上的电压，这时晶体又恢复了原来的状态，
一般多使用带起偏器的λ /４电光开关，这种开关又
分为退压和加压两种工作方式。 下图为退压式电光开关，电光晶体施加λ /４调制电 压，由棒透过起偏器的Ｐ线偏振光两次通过电光晶体后， 偏振面正好偏转90°变成Ｓ光，被偏振片反射到腔外，激 光器处于高损耗关门状态，当突然去掉晶体上的调制电压 后，开关迅速打开，振荡光路接通，从而产生强的短脉冲 激光振荡输出。
此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量
长春理工大学 激光器件与技术 第二章-2讲
E
C
AB
o光 no
BC
o光 no
CE
o光 no
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折射率
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 对于e光来讲，反射前沿z轴振动， 反射后，近似沿y轴振动，由e光变 为e’光。根据各向异性介质的反射 公式
x z y
C
’ B
E
ne sin 45 ne 'sin
KD*P
全反镜
x
U /2
检偏器
y
z
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2. 带偏振器的电光调Q器件-（单偏振器） 激光 输出镜 氙灯 激光介质：Nd:YAG晶体； 偏振器：格兰棱镜； 电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾） YAG 偏振器 KD*P
全反镜
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Page: 20
§2.3 电光调Q
双45oQ开关的特点：
第 二 章 调 Q 技 术
①双45o电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光 的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件； ②对于横向运用的LN晶体，可以通过控制晶体的长度和 厚度的比值来降低半波电压值。 缺点： ①由于o光和e光在BC段中的路程不同，所以要求的半波 电压不同。为解决此问题，需要引入“光预偏置技术” ， 增加了电路的复杂性； ②晶体保证双45o的方位不容易，给加工带来了困难。 优点:
y
z
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3. 单块双45o电光调Q器件-（无偏振器） 激光 输出镜 氙灯 YAG
调Q技术
调Q基本原理
如图所示：
调Q激光器的特点 • 1. 通过改变改变Q值——改变阈值，控制激光产生的时间。 • 2. 两阶段 （1）储能阶段（延迟时间） 反转粒子数达最大值。 （2）激光产生输出。 忽略泵浦和自发辐射的影响。 • 3. 开关时间 从Q值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要 的时间叫开关时间。 开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小 分为快、慢两种类型。
的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的
方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q技术。有电光调Q技术，声光调Q技术，染 料调Q技术等。 调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。或者说使腔的损耗随时 间按一定程序变化的技术。 三方面： （1）Q开关函数是理想的阶跃函数 （2）能级结构为二能级系统，Q开关打开前，忽略自发辐射，打开后光泵停止。 （3）只研究Q值阶跃后的脉冲形成过程。
激光调Q技术
主要知识要点
• 脉冲激光器工作原理 • Q调制技术原理 • Q调制技术
调Q技术原理
• 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 ，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，此时反转粒子数大大超过阈值，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。 • 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。
n d n dt Wp ntot n c 2 d n c dt c
调Q(Q开关)技术(精)
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（3）激光器的时序关系 电光Q开关的过程由晶体上加一阶跃式电压来完成的。 是快开关，因此时序关系同阶跃式Q开关。 （4）电光晶体Q开关的电路 要获得一高峰值功率的窄脉冲，对同步电路的要求是： a ．给出可靠的触发信号去点燃氙灯。 b．在点燃氙灯的同时，给出一脉冲信号经过一段延迟时 间后，退去晶体上的电压，打开Q开关。延迟时间可靠、 准确、可调。 c．退电压要快——开关速度快。 d．晶体上加 V 电压，要求稳定可调。 2 e．保证Q开关关的及时。
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2. 调Q理论
调Q的过程：氙灯的能量转成工作物质的能量， 两个阶段 (1)即低能态的粒子被激发到高能态，产 n 生最大 ；(2) 产生受激辐射。 0 (1) 积累 n ,达到最大值（不让出激光）经过 一段延迟时间－ －从氙灯点燃到Q开关打开积累 n 的时间 此阶段不应存在受激辐射过程。 速率方程：
2.1
概述
一、调Q技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。
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二、一般固体脉冲激光器的输出特性
1. 输出的脉冲是系列尖峰振荡
激光器在阈值附近工作。 2. 脉宽比较宽，输出功率低
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三、调Q原理
1. 定义：Q值是评定激光器中光学谐振腔质量 好坏的指标----品质因数。Q值--定义为在激光谐 振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的 能量之比。
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二、单块双 450电光Q开关 带偏振器的Q开关激光器需加偏振器，使腔内元件增 多，因而增加了腔内损耗，降低了调Q效率。把晶体做成 0 双 45 的形式，使晶体起着偏振、Q开关两个作用，克服了 上述Q开关激光器的缺点。 1. Q开关原理
可以分储能和振荡两个阶段讨论它的调Q原理。
第2章调Q技术
2
2
t 1ms L 150km
t 1s L 150m
t 1ns L 150mm
t 1ps L 150m
激光脉冲的分类
ms
长脉冲 ct 300km
ms s 脉冲
100ns ns 短脉冲
100 ps fs 超短脉冲
§2.1概述
▪ 激光器的弛豫振荡
➢ 过程分析：
1
0时刻
➢ 对工作物质的要求
上能级寿命长，抗激光破坏阈值高。
➢ 对泵浦源的要求
泵浦光的脉宽和工作物质的上能级寿命要匹配。
➢ 对Q开关控制电路的要求
开关速度要快，控制要精确。
§2.4声光调方法
▪ 机理
➢ 在激光谐振腔内，利用声光调制器作为Q开关。 ➢ 声光调制器的1级光为腔内损耗，0级光为激光振荡。
▪ 结构
1 V 0 : K P1 Ex (P波) EO0 Ex (P波) P2 Ex (P波) A 不能振荡，ni
2 n nmax ,V V/2 : M1 K P1 Ex (P波) EO Ey (S波) P2 M 2
M1 K P1 Ex (P波) EO Ey (S波) P2 M 2
Q脉冲建立，没有输出损耗， 。
➢ 调Q过程自动完成，非人为控制，属于被动式。
§2.5被动调Q方法
▪ 饱和吸收体的速率方程
➢ 采用二能级模型 h [B12n1 B21n2 ] / c
➢ 定义饱和共振吸收截面 /n
1 u初始 0 0 n
2 nmax u 饱和体受激吸收，上能级粒子数增加n2 3 当n2 n1 n / 2时，饱和体漂白,"透明", 0 0
▪ 调Q过程
➢ 声光调制器调制信号为
Q开关Nd：YAG激光临床经验分享
Q开关Nd：YAG激光临床经验分享所谓调Q开关或者Q开关脉冲激光是激光的⼀种形式，简单的说就是通过调Q技术能够让脉冲激光的脉宽，也就是⼀个脉冲持续的时间压缩得很短。
当然，这个有⼀些技术。
那么所谓的调Q技术⼜不是⼀个特别新的⼀个技术，它伴随着激光的产⽣很快就产⽣了。
上个世纪六⼗年代就有这个技术。
主要是希望把脉冲激光的脉宽压缩得时间很短、能量很⼤，所以我们也可以把它称之为短脉冲激光。
当然，短脉冲激光的概念⽐较⼤，很多脉冲只要短⼀点，都可以这么叫。
那么对于调Q激光来说，⼀般可以把脉宽压缩到纳秒级，⽐如从⼏纳秒到⼏⼗个纳秒，然后它的能量可以达到兆⽡级的能量。
所以，它还是⼀个⾮常好的⼀个激光形式，临床上也可以解决很多问题。
⾄于这个Q是什么意思，⼤家可以去翻⼀翻相关的物理书，有些解释但不是特别的清楚，还没有对应的中⽂字可以把它阐述清楚。
这⼀点，希望⼤家谅解。
我搜到的概念是这样⼦的。
他关于调Q技术是这样说的：调Q技术的出现和发展是激光发展史上的⼀个重要突破，它是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲发射，从⽽使光源的峰值功率可提⾼⼏个数量级的⼀种技术。
那么它的⽬的就是压缩脉冲的宽度、提⾼峰值功率，⼤概就是这么个意思。
那么调Q激光跟这个⾊素病的关系呢？我们知道激光是⼀个有特定波长的相⼲光，我们⽤不同波长的激光，它能够解决⽪肤不同的⾊基、处理⾊素病。
当然，激光的波长跟它在⽪肤⾥⾯的穿透性有⾮常⼤的关系。
⼀般来讲，在可见光的范围内，如果波长越长，它的穿透性就越好。
相反，被吸收就少。
波长越短，它容易被吸收，所以穿透就浅了。
我们要选择⼀个好的激光。
说到激光在⽪肤或者介质中的穿透性跟波长有关系，⼀般的规律我们刚才说了。
波长越长，穿透越深。
当然这是这是在可见光范围之内，如果超过可见光，⽐如近红外或者紫外部分的激光波长，可能就不遵循这个原则了。
那么，我们现在⽤的调QNd:YAG 激光是⼀个⼈⼯合成的⼀个固体晶体作为激光的⼯作物质的。
激光调Q技术
会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭；
同步性能： Q 开关应能够精确地控制，不外界信号保持 同步。
电光调Q
电光调Q是利用晶体的电光效应作为Q开关的元件。
电光调Q装置示意图
利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调 节腔内光子的収射损耗。开始工作时，晶体两端加一电压， 由于晶体的偏振效应，谐振腔的损耗很大，Q值低，激光 丌振荡，激光上能级丌断积累粒子数，Q开光处于关闭状 态。某一特定时刻，突然撤去晶体两端电压，谐振腔突变 至损耗低，Q值高，Q开关打开，形成巨脉冲激光。
电光调Q技术特点
1. 有较高的动态损耗（99%）和揑入损耗（15%） 2. 开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到10-9秒
3. 输出光脉冲宽度约为纳秒级，峰值功率达到数兆瓦至数十
兆瓦。 4. 适用于脉冲式泵浦激光器
声光调Q
主要原理为：在激光谐振腔内放置声光偏转器，当光 通过介质中的超声场时，由于衍射造成光的偏折，就会增 加损耗而改变腔内的Q值。
声光调Q装置示意图
声光调Q器件，由声光互作用介质(如熔融石英)和键 合于其上的换能器所构成。换能器将高频信号转换为超声 波。在激光腔内揑入声光调Q器件，可以产生很高的衍射 损耗，此时腔内具有很低的Q值，Q开关处于关闭状态。 当激光高能级积累大量粒子数时，撤除超声波，衍射效应 即刻消失，损耗下降，Q开光打开，激光巨脉冲遂即形成。
声光调Q技术特点
1. 多用于获得中等功率的高重复频率的脉冲激光器 2. 用于低增益的激光器，可获得脉宽几十纳秒，功率几百千
瓦的高频脉冲
3. 对高能量激光器的开关能力差，丌宜用于高能调Q激光。
染料调Q
电光或声光调Q技术，Q开关开启的延迟时间都是可 控的，因此，习惯上称这一类技术为主动调Q。而染料调
调Q原理
δL
1
⇒ Q值与腔内损成反比
2011-6-1
8
Q值也可用光子在谐振腔内的寿命τc表示。 设谐振腔的能量损耗速为 ： − dE dt ω 0 = 2πν 0 则
E Q = ω0 − dE dt
ω0 dE =− dt E Q
由上式积分，得到：
Et = E0 e
t
−ω0t / Q
⇒ 腔内光子寿命τ c =
根据调Q基本理论中的脉冲宽度公式计算可得输出脉宽， 因此峰值功率不难求得。 相比之下，对于相同的泵浦功率，连续激光器的输出功率为：
2011-6-1
25
2011-6-1
26
f
250000
200000
150000
D ni D ni D ni D ni D ni
D nth =10 D nth =20 D nth =30 D nth =40 D nth =50
5
Welds in Mild Steel
Laser Power: 3 kW LLK: 600 µm Weld Speed: 1 – 5 m/min
1 m/min
2 m/min
3 m/min
4 m/min
5 m/min
2011-6-1
6
激光脉冲
> ms µs-ms 100 ps-100 ns fs-100 ps 长脉冲 脉冲 短脉冲 超短脉冲
P / / P2 / / X 1 退 uu r uu r EO 压 V = Vλ /2 ⇒ Ex E y ⇒ TEO = 0, 光路断,Q值低，∆ni ↑ → θ = 90o 式 V = 0 ⇒ R EO TEO = 100%, 光路导通，Q值高，φ ↑ → → P P2 1 2011-6-1
6.2 激光调Q技术基本原理
1.调Q 的基本理论（1）脉冲固体激光器输出的弛豫振荡用示波器观察普通脉冲固体激光器输出的一个脉冲，发现它的波形并不是一个平滑的光脉冲，而是一系列不规则变化的尖峰脉冲组成。
每个尖峰脉冲的宽度为0.1—1 μs ，间隔为5—10μs 。
光泵越强，尖峰脉冲个数越多，但其包络的峰值增加并不多。
将这种现象称为激光器输出的弛豫振荡(或尖峰振荡)。
图6.2.1所示为实测到的钕玻璃脉冲激光器的输出波形。
图6.2.1 脉冲激光器的输出波形。
弛豫振荡现象形成的主要原因是：随着光泵的作用，激光器达到其振荡阈值产生激光振荡，腔内光子数密度上升，输出激光。
随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，使反转粒子数密度下降，到低于阈值时，激光发射停止。
此时由于光泵的继续抽运，反转粒子数密度重又上升，到高于阈值时，产生第二个激光脉冲。
如此往复，直至光泵停止上述过程才结束。
由于每个尖峰脉冲均产生于阈值附近，故脉冲的峰值功率水平不高，且增大泵浦能量也无助于提高其峰值功率，只能是增加尖峰脉冲的个数。
在脉冲形成的过程中，激光器的阈值始终保持不变是产生弛豫振荡最根本的原因。
（2）谐振腔的品质因数在电子技术中，用Q 值来描述一个谐振回路质量的高低。
在激光技术中，用Q 值来描述一个谐振腔的质量，称其为谐振腔的品质因数。
激光器的损耗可以用单程损耗来描绘，也可以用品质因数Q 值描绘，其定义为：品质因数是激光谐振腔的性能指标，与腔中介质的增益系数无关，光强I 0在谐振腔传播z 距离后会减弱为：(6.1.1)每振荡周期损耗的能量谐振腔内储存的能量π2=Q 00exp()exp a c I I a z I t μ⎛⎫=-=- ⎪⎝⎭总总其中μ为介质折射率，c 为真空中光速，t 为光在腔内传播距离z 所需的时间，则t 时刻腔中光子数密度与光强的关系为：(6.1.2)上式可以改写为光子数密度的形式：(6.1.3)体积为V 的谐振腔内存储的能量为：(6.1.4)每振荡周期损耗的能量为：(6.1.5)其中 为光子的平均寿命。
02-调Q(Q开关)技术
由于激光建立时间极短（ns量级），所以泵浦和自发辐射的影响可以忽略。
d n 2n 21v dt d n 21v dt
调Q激光振荡的速率方程
2012年9月28日, 11:00:36
二、阶跃式Q突变下的近似解
调Q激光振荡的速率方程
d n 2n 21v dt
d n 21v dt
速率方程为一阶ODE方程组，一般用数值方法求解。 为了求解调Q的速率方程，必须知道Q开关的函数形式，即 t
实际的Q开关函数往往很复杂，甚至无法用简单的函数形式表示 为了求解方便，一般假定Q开关为阶跃开关、线性开关或抛物线开关等 阶跃式Q开关是最理想的Q开关，着重讨论这种开关
一、调Q的速率方程
二、阶跃式Q突变下的近似解 三、调Q激光器的特点
2012年9月28日, 11:00:37
一、调Q的速率方程
1. 速率方程的建立
以三能级系统为例
因 E3 寿命极短，n3 ≈ 0，≈二能级
E3
S32 W13 W12 W21 A21
E2
dn2 E1 n1W13 n1W12 n2W21 n2 A21 dt 三能级系统 四能级系统 dn1 n1W13 n1W12 n2W21 n2 A21 dt d n2W21 n1W12 W12 W21 21v , n n2 n1 dt d n 2 n1W13 n 21v n2 A21 dt 速率方程 四能级系统类似 d n 21v dt Qun Han@Tianjin University 2012年10月9日, 17:01:02
2012年9月28日, 10:08:03
4. 调Q技术的过程
第二章 调Q(Q开关)技术
2.3.1 带偏振器的电光调Q器件
带偏转器的电光调Q装置
调Q工作程序示意图
对偏转器的要求 对调制晶体的要求
电光调Q工作程序示意图
2.3.2 单块双45°电光Q开关
带偏振器的Q开关激光器需加偏振器，使腔内元件增 多，因而增加了腔内损耗，降低了调Q效率。把晶体做成 双45°的形式，使晶体起着偏振、Q开关两个作用，克服 了上述Q开关激光器的缺点。 Q开关原理
腔内光子数和粒子反转数随时间的变化
2.1.2
调Q的基本原理
定义：Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好 坏的指标----品质因数。Q值--定义为在激光谐 振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的 能量之比。
调节Q值的途径 一般采取改变腔内 损耗的办法来调节 腔内的Q值。
g 1 nth A21 c Q c 2 v g 2 v nth A21 Q 腔内存储的能量 Q 2 v0 每秒损耗的能量 W 2 nL Q 2 v0 W c nL 0
染料Q开关激光器形式
两种，染料盒和全反射镜合为一体，利用染料盒的后壁做全反镜。在 锁模中用。
染料盒单独放在腔内，这种机构注意避免染料盒的表面和反射镜之间 形成寄生振荡。一般染料盒倾斜一个小角度1 °~ 2°，也可以倾斜 布儒斯特角。
染料调Q激光器
1、对染料选择的要求
染料的吸收峰应与激光波长基本吻合 染料要有适当的饱和光强值 染料溶液要有一定的稳定性
三﹑调Q激光（短脉冲）的应用
强相干光与物质的相互作用 短脉冲的应用
2.2.1 一般固体脉冲激光器的输出特性 输出的脉冲是系列尖峰振荡 驰豫振荡
脉冲激光器输出的尖峰结构
驰豫振荡产生的物理过程
激光器调Q技术
目录一、激光器调Q技术的工作原理及发展现状 (2)1、激光器调Q技术的工作原理 (2)2、激光器调Q技术的发展现状 (4)二、设计题 (5)三、谐振腔三维结构示意图 (6)《激光器件设计》大作业一、激光器调Q技术的工作原理及发展现状1、激光器调Q技术的工作原理激光调Q技术是将激光能童压缩到宽度极窄的脉冲中，从而使激光光源的峰.值功率提高几个数里级的一种技术。
它是激光单元技术之一，同时也是高功率冲激光器的基础技术之一。
对常用的脉冲固体激光器来说，采用调Q技术后,输出激光的脉冲时间宽度可压缩到万分之一，峰值功率可提高到千倍以上，即获得巨脉冲。
激光调Q技术是激光单元技术之一。
是为压缩激光器输出脉冲宽度和提高脉冲峰值功率而采取的一种特殊技术；这种技术的基础是一种特殊的关键元件──快速腔内光开关，一般称为激光调Q开关，或简称为Q开关。
共振腔的Q值大小，是由腔内损耗和反射镜光学反馈能力两个因素所决定的；Q值愈高,所需要的泵浦阈值就越低，亦即激光愈容易起振。
在一般的脉冲固体激光器的情况下，若不采用特殊的技术措施，脉冲激光在腔内的振荡持续时间，与光泵脉冲时间（毫秒量级左右）大致相同，因此输出激光的脉冲功率水平亦总是有限的。
如果采用一种特殊的技术，使光泵脉冲开始后相当长一段时间内，有意降低共振腔的Q 值而不产生激光振荡,则工作物质内的粒子数反转程度会不断通过光泵积累而增大；然后在某一特殊选定的时刻，突然快速增大共振腔的Q值,使腔内迅速发生激光振荡，积累到较高程度的反转粒子数能量会集中在很短的时间间隔内快速释放出来，从而可获得很窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出。
为实现以上目的，最常用的方法是在共振腔内引入一个快速光开关──Q开关,它在光泵脉冲开始后的一段时间内处于“关闭”或“低Q”状态，此时腔内不能形成振荡而粒子数反转不断得到增强；在粒子数反转程度达到最大时,腔内Q开关突然处于“接通”或“高Q”状态,从而在腔内形成瞬时的强激光振荡,并产生所谓的调Q激光脉冲输出到腔外。
4.6-调Q技术
就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的 振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激 光上能级的反转粒子数便可积累得很多当反转粒子 数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时， 积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级， 于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值 功率极高的巨脉冲激光输出。
同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声 光调Q技术，染料调Q技术等。
4.6.3 转镜调Q激光器
一、工作原理
激光介质
1、Q开关开启
激光
半反
转镜
2、Q开关关闭
激光介质 半反
转镜
二、装置
镜架
磁头
棱镜
磁钢
电动机
激光介质
光泵 电源
半反 激光
触发电路
三、延迟时间
1、定义 泵浦开始至形成高镜Q架所用时间
产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。
调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0 振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数Φ增长十分缓
慢，如图所示，其值始终很小(Φ≈Φi)，受激辐射几率很小，此时仍 是自发辐射占优势。 只有振荡持续到t＝tD时，增长到了ΦD ，雪
崩过程才形成， Φ才迅速增大，受激辐射
激光 半反
六、优缺点
固定镜
1、无插入损耗；不存在光损伤；可用于能量较大的 脉冲激光器中
2、高转速的磨损，影响使用寿命；脉宽的进一步缩 短受限制
4.6.4 电光调Q激光器
一、电光效应 electro-optical effect
1、定义
沿电光晶体的某一特定方向加直流电场后,在光轴方向上 产生双折射现象，即入射线偏振光将分解为两个偏振方 向正交的本征偏振光。
第9章调Q技术
n f
)V
Ef
1 2
hn
f
V
每产生一个光子，消耗２个反转粒子数
E0(储能):储藏在工作物质中能转变为激光的初 始能量
Ef(剩余能):巨脉冲结束后工作物质中的剩余能 量，通过自发辐射消耗掉
九、能量利用率
1、定义 E
E0
2、计算公式
n0 ln(1)
nt
证 E E0 E f 1 E f 1 n f
一、声光效应
1、定义
介质中有超声波时,其折射率产生一分布,相当于位 相光栅,对入射激光产生衍射作用的现象
2、类型
(1)正常声光效应
衍射光的偏振方向与入射光相同(因而折射率也相 同), 一般由超声纵波引起
(2)反常声光效应
衍射光的偏振方向与入射光不同(因而折射率也不 同),一般由超声切变波引起
二、声光器件
第九章 Q调技术 §1 调Q原理
一、弛豫振荡现象
1、现象
普通脉冲激光器输出波形由一系列不规则的尖峰 脉冲组成
2、解释
泵浦使激光器达到阈值，产生激光反转粒子数 减少至低于阈值激光熄灭
3、特点
(1)峰值功率不高，只在阈值附近
(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增
加峰值功率
4、原因
激光器的阈值始终保持不变
二、调Q基本概念
泵浦时令腔损耗很大(Q很小),突然减小损耗(增大 Q),使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射, 形成光脉冲
三、工作原理 1、腔损耗 (1)t<0(Q开关打开前):
(2)t>0(Q开关打开后): (>> )
2、阈值反转粒子数
(1)t<0: nt
( nt>>nt) 3、泵浦速率
9.调Q技术
并有关系式 ： Q20 L c20 R 0c
上光成式子反表寿比示命变光化R 腔间的Q的。值关即与系损损。耗耗可大见、,Q模Q值值式就与频低损带；耗宽损率度耗总及c是 小 ,Q 值就高。
固体激光器由于存在弛豫振荡现象 , 产生了能 量在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列 , 从而阻碍了激 光脉冲峰值功率的提高。
声光调 Q 就是利用激光通过声光介质中的超 声场时产生衍射 ,使光束偏离出谐振腔 ,造成谐 振腔的损耗增大 ,Q 值下降 ,因而激光振荡不能 形成。故在光泵激励下其上能级反转粒子数将 不断积累并达到饱和值。若这时突然撤除超声 场 ,则衍射效应即行消失 ,腔损耗减少 ,Q 值猛 增 ,激光振荡迅即恢复 ,其能量以巨脉冲形式输 出。
由于有了这样强的相干辐射光当它与物质相互作用时就产生了一系列具有重大意义的新现象新技术和新方一般固体脉冲激光器的输出特性在脉冲光泵激励下脉冲固体激光器的输出的序列即所谓尖峰序列寻找一种方法使上述的弛豫振荡受到抑制全部激光能量压缩在一个窄脉冲的时间里释放出来这就是调q技术所要解决的一个核心问原理通常仿效无线电电子学的习惯用品质因数q值来衡量激光器中光学谐振腔的质量优劣它是对腔内损耗的一种量度
在这段时间内,工作物质在光泵激励下 , 反转粒子数
大量地积累。此时棱镜面的位置也在不断改变。当 棱镜面逐渐转到接近与腔轴垂直的位置时 ,腔内的反 射损耗便迅速减少 ,Q值迅速上升 , 到一定时刻就可以 形成激光振荡 , 并输出巨脉冲。这就是转镜调 Q 的基 本工作过程。
借助全反镜的高速旋转使谐振腔的 Q 值周期 变化从而构成调 Q 开关 ,这是转镜调 Q 的特点。
要使转镜调 Q 激光器获得稳定的最大功率输 出,还有一个十分关键的问题,就是要准确 地控 制延迟时间。在氙灯点燃后,需要经过一定的
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2.2
调Q激光器的基本理论
一、调Q的速率方程。 1.速率方程
dn 2 n1Wp n 2 A s n 21 dt d n 21 dt
对于一般的脉冲激光器，脉冲形成时间长， 泵浦、自发辐射、受激跃迁过程都是存在的。采 用Q开关技术后，各参量之间的关系发生了很大 的变化。根据Q开关的过程分析速率方程的变化。
d n 2n 2 Wp dt
(2)激光脉冲形成与输出（瞬态过程） 受激辐射迅速，时间短，因此忽略泵浦和自发辐射。 Q开关方程：
d n 2n 21 dt d n 21 dt
d d dt >0, 而且 dt 大好。
（3）激光器的时序关系 电光Q开关的过程由晶体上加一阶跃式电压来完成的。 是快开关，因此时序关系同阶跃式Q开关。 （4）电光晶体Q开关的电路 要获得一高峰值功率的窄脉冲，对同步电路的要求是： a ．给出可靠的触发信号去点燃氙灯。 b．在点燃氙灯的同时，给出一脉冲信号经过一段延迟时 间后，退去晶体上的电压，打开Q开关。延迟时间可靠、 准确、可调。 c．退电压要快——开关速度快。 d．晶体上加 V 电压，要求稳定可调。 2 e．保证Q开关关的及时。
n =- n
c r
d n ' n n ' n ' n ' ( 0 ln ) nt nt n0
上面积分，由于含有对数项，不易直接 求得解析解，只能 用数值积分法求得的数值解。 n 3．参量 n 的影响 n 越大，则峰值功率、输出的能量越大、脉冲宽度越 n 窄，说明调Q的效果越好。
此阶段主要是产生光子。要使光子增长的快
从光子的速率方程可以看出，在激光形成阶段，光子 的损耗下降的快慢对激光形成是有影响的，δ下降的快， 有利于激光的形成。
二、阶跃式Q突变的近似解 阶跃式Q突变，即Q值从第一阶段的最小值突然变 到第二阶段的最大值不需要时间，或者说需要的时间很 短，可以忽略。 1. 激光脉冲的峰值功率和脉冲能量 要找到脉冲的峰值功率，只要知道输出的最大光子 数即可，利用速率方程组可得到： 1 1 E (n0 ne )hv P h max 0 2 2 其中， ～工作物质的体积， 0 ～单位时间光子的透过率。
3．调Q技术的过程
(1)能量贮存过程 a.激活介质贮能 当光泵的能量被激光介质吸收后，使激活离子贮存在 激活介质的高能态上（该能级有一定的寿命）。不产生激 光辐射－从而使反转粒子数达到最大值。实现这一过程， 满足的条件： 达到最大值，增益达到最大，而 很大，使阈值高， 满足 ，激光不振荡，Q低。 b.激活介质－谐振腔组合贮能 先是使反转粒子数达到最大值 ,但满足 然后 使 ～产生激光－又以光子的形式贮存在腔内。
n n n 1 1 n 1 max nt [ 0 ( 0 1) ( 0 1)2 1] nt ( 0 1)2 2 nt nt 2 nt 4 nt
2．时间特性 调Q激光器输出的脉冲从时间上分为三阶段：脉冲建 立时间 、脉冲前沿时间和脉冲后沿时间 。 脉冲宽度可表示为
1. 输出的脉冲是系列尖峰振荡
激光器在阈值附近工作。 2. 脉宽比较宽，输出功率低
三、调Q原理
1. 定义：Q值是评定激光器中光学谐振腔质量 好坏的指标----品质因数。Q值--定义为在激光谐 振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的 能量之比。
式中W---腔内储存的总能量， dW/dt--光子 能量的损耗速率，即单位时间内损耗的能量。 ---激光的中心频率。 2．调节Q值的途径 一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。
2. 调Q理论
调Q的过程：氙灯的能量转成工作物质的能量， 两个阶段 (1)即低能态的粒子被激发到高能态，产 n 生最大 ；(2) 产生受激辐射。 0 (1) 积累 n ,达到最大值（不让出激光）经过 一段延迟时间－ －从氙灯点燃到Q开关打开积累 n 的时间 此阶段不应存在受激辐射过程。 速率方程：
第二章 调Q(Q开关)技术
调Q(Q开关)技术 两个基本问题： 一、调Q技术的基本概念和基本理论 二、实现调Q技术的方法： 1. 电光调Q ； 2. 声光调Q ； 3. 染料调Q ； 4. 色心晶体调Q； 5. 转镜调Q 。
2.1 概述
一、调Q技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。二、一般固体脉冲激光器的输出特性2.3电光晶体调Q
一、电光晶体调Q原理 1. 电光Q开关原理。 利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式 电压，调节腔内光子的反射损耗。 （1）第一阶段：积累阶段
例如：采用KDP纵向运用方式，即Z向加电场，Z向通光
第一阶段是在晶体上加 V 2 。偏振光通过KDP晶体时 分解为沿X和Y方向振动的振幅相等的两束光，两束光的 振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播时，其合成的 规迹由两光的相位差来决定，当 时，两束光合成 为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原振动方向旋转 90度。因为P1//P2，所以，从晶体出来的光不能通过P2， 被P2反射掉。所以光不能在腔内来回传播形成振荡。这就 相当于腔内光子的损耗很大，Q值很高，称为“关门”状 态。 （2）第二阶段：脉冲形成阶段——Q开关完全打开 在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值 n0 时， 突然退去晶体上的电压，这时晶体又恢复了原来的状态， 光在腔内形成振荡 。
0 t
0 t
三、Q开关激光器的特点 1. 通过改变改变Q值——改变阈值，控制激光产生的时间。 2. 两阶段 （1）储能阶段（延迟时间） 反转粒子数达最大值 。 n0 （2）激光产生输出 忽略泵浦和自发辐射的影响。 3. 开关时间 从Q值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要 的时间叫开关时间。 开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小 分为快、慢两种类型。
(2)．激光产生与输出过程 条件：G , 减小到 min , Q达到最高。 因为增益最大，所以 min 小时，激光迅速建立， 在极短的时间内，工作物质贮能通过光子的受激 辐射过程释放出来，形成巨脉冲。调Q的过程： 调节 ，相当于 Q是一个门，关上门，Q低－贮 能，打开门－产生激光。