调Q激光器基本理论
激光器的基本技术激光调Q技术讲解课件
测量领域
利用激光的高亮度和相干性好 的特点，实现高精度的测量和 定位。
军事领域
利用激光的高亮度和方向性好 的特点，实现远距离的探测、 跟踪和瞄准。
工业领域
利用激光的高亮度和高能量密 度的特点，实现各种加工和制 造，如切割、焊接、打标等。
02
激光调Q技术介绍
调Q技术的定义
调Q技术
调Q技术是一种控制激光器输出 脉冲宽度的技术，通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作，从而获得短 脉冲和高峰值功率的激光输出。
当激光器处于低损耗状态时，腔内的光子数会逐渐增加，当腔内的光子数达到最 大值时，突然关闭腔的损耗，使腔内光子数突然剧增，导致激光器产生单脉冲输 出。
调Q技术的实现方式
机械方式
通过调节反射镜或光学元件的位 置来实现腔长或折射率的调节。
电学方式
通过改变腔内电场的分布来实现 折射率的调节。
调Q技术的优缺点
调Q技术的原理
调Q技术的原理是通过调节激光 器的腔长或腔内损耗，使激光器 在脉冲状态下工作。在脉冲状态 下，激光器的输出功率和光束质 量得到显著提高，从而获得短脉 冲和高峰值功率的激光输出。
调Q技术的分类
调Q技术可以分为被动调Q和主动 调Q两大类。被动调Q技术利用某 些材料的物理特性（如非线性折 射率变化）来实现腔内损耗的调 节；主动调Q技术则通过外部控 制电路或声光调制器等设备来实 现腔内损耗的调节。
等优点。
激光调Q技术在工业领域的应用
激光调Q技术在工业领域的应用也非常广泛，它可以用于加工各种材料，如金属、 非金属、复合材料等。
激光调Q技术还可以用于制造各种产品，如激光打印机、激光投影仪、激光传感器 等。
脉冲调Q激光器原理
hvE 21(a)21(b)2 E 1(c)光与物质作用的吸收过程E2 1(c)2 E 1(a)2 1(b)光与物质作用的自发辐射过程脉冲调Q Nd:YAG 倍频激光器实验一．激光原理光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。
如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv 21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E 2。
在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E 1-E 2时才能被吸收。
激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。
自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。
phase处于激发态的原子，在外界光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并且两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。
只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。
激光的产生主要依赖受激辐射过程。
激光器主要由：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。
工作物质主要提供粒子数反转。
泵浦过程使粒子从基态E 1抽运到激发态E 3，E 3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E 2。
E 2是一个寿命较长的能级，这样处于E 2上的粒子不断积累，E 1上的粒子 又由于抽运过程而减少，从而实现E 2与E 1能级间的粒子数反转。
激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。
处于激发态的粒子由于不稳定而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。
激光技术第27讲 调Q激光器
27.1电光调Q方法
4
27.1电光调Q方法
二、偏振器件
5
27.1电光调Q方法
三、PTM式电光调Q 由两个全反镜组成谐振腔
1、 / 2波片式
不能振荡，ni
1 V 0 : K P1 Ex P波 EO 0 Ex P波 P2 Ex P波 A，
2 n nmax ,V V /2 : M1 K P1 Ex P波 EO E y S波 P2 M2
重复频率高，可达MHz以上 对声光器件有更高的要求：
衍射效率接近100% 开关速度要求快得多，上升时间大约为5ns，则要求光束
必须聚焦到一个直径50m的区域上
17
27.2 声光调Q方法
18
27.2 声光调Q方法
19
27.3 被动调Q
电光调Q和声光调Q都是主动式调Q，即人为的利用某 些物理效应来控制激光谐振腔的损耗，从而达到Q值 得突变；而被动式调Q方式，是利用某些可饱和吸收 体本身特性来改变激光谐振腔的损耗，达到调Q目的。
M1 K P1 Ex P波 EO E y S波 P2 M2
Q脉冲建立，没有输出损耗， 。
3 m ,V 0 : K P1 Ex P波 EO 0 Ex P波 P2 Ex P波 A
巨脉冲输出
思考：P1 P2光路 及调Q过程如何？
2L
tPTM c
6
27.1电光调Q方法
Ex P EO/2T EO/2 P T 0,光路断,Q值低，ni Ex P EO0T EO0 P Ex
Ey
T 100%,光路导通，Q值高，
思考题：怎么将 / 4波片退压式调Q变成 / 4波片加压式调Q？
上述方法称为PRM 方式调Q，在建立 Q脉冲过程中，边 振荡输出，Q脉冲 宽度10 100ns。
激光器的基本技术激光调Q技术讲解课件
微型化与集成化
新材料与新波段
微纳激光器、芯片上集成激光器等技术的 发展，为光通信、光互联等领域提供有力 支撑。
探索新型激活介质与光学材料，拓展中红 外、太赫兹等波段的激光技术与应用。
02
激光调Q技术原理及优势
调Q技术基本原理
调Q开关
通过调节激光腔内的Q值来控制激光的输出。Q值高时，激光腔内存储能量多 ，输出激光脉冲峰值功率高；Q值低时，激光腔内能量损失多，输出激光脉冲 宽度窄。
的相关参数。
数据处理
02
对采集到的光信号进行处理，如滤波、放大等，以提取有效信
息。
数据分析
03
采用统计方法对处理后的数据进行分析，如计算平均值、标准
差等。
结果展示和讨论
结果展示
将实验结果以图表形式进行展示，如绘制光信号波形图、功率谱 图等。
结果讨论
根据实验结果进行讨论，分析激光调Q技术对激光器性能的影响 及其可能原因。
参数设置和影响因素分析
初始参数设置
根据激光器类型和实验条件，设置初始参数 ，如增益系数、损耗系数、腔长等。
调Q参数设置
设置调Q开关的参数，如调制频率、调制深度等， 实现不同的调Q效果。
影响因素分析
分析增益介质特性、泵浦源特性、腔镜反射 率等因素对激光器性能的影响，为性能优化 提供依据。
性能优化策略提出
窄脉冲宽度
调Q技术可以将激光脉冲压缩至纳秒甚至皮秒量级，有利于实现高精度、高质量的激光加 工和微观探测。
广泛应用
调Q技术在激光加工、医疗、科研、军事等领域有着广泛的应用。例如，可以用于切割、 焊接、打孔等激光加工过程，也可以用于激光雷达、光谱分析、非线性光学等科研领域。
03
第27讲 调Q激光器
Q脉冲建立，没有输出损耗， 。
EO P1 P2 3 m ,V 0 : K E P 波 E x P 波 E x P波 A x 0
巨脉冲输出
思考：P1 P 2光路 及调Q过程如何？
t PTM
2L c
二、调Q过程
声光调制器调制信号为
1
fs ~
21
在如上图所示的f m调制信号的驱动下，轴向光线受Bragg衍射 s G单程， ，Q ， 作用，以2n 角度被衍射出谐振腔外，
B
0，Pump n ni。
在f s调制下，消除了Bragg衍射， ，Q ，激光振荡建立，
16
27.2 声光调Q方法
四、声光PTM 激光器
2L 输出效率高，脉宽窄，t c 重复频率高，可达MHz以上
对声光器件有更高的要求： 衍射效率接近100%
开关速度要求快得多，上升时间大约为5ns，则要求光束 必须聚焦到一个直径50 m的区域上
17
27.2 声光调Q方法
18
27.2 声光调Q方法
T e
L
和吸收体被漂白 可饱和吸收材料有染料、BDN、LiF : F2 色心晶体、Cr : YAG等。 对于可饱和吸收材料有如下一些要求：
I
0 L lim , T T e I 0 0 0 lim 0, T 1
M2 圆偏振光 3 V V / 4 : M1 K E x P 波 圆偏振光 P
EO / 2EO来自 E y S 波 A， / 2
巨脉冲输出，t PTM
2L c
7
27.1电光调Q方法
激光调Q技术讲解
激光调Q技术讲解关键信息项：1、激光调 Q 技术的定义和原理2、调 Q 技术的分类3、调 Q 技术的实现方法4、调 Q 技术的性能参数5、调 Q 技术的应用领域6、调 Q 技术的优势和局限性7、调 Q 技术的发展趋势11 激光调 Q 技术的定义和原理激光调 Q 技术是一种用于获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的技术。
其基本原理是通过改变激光谐振腔的损耗，在短时间内实现激光增益的快速积累和释放，从而产生高能量、短脉冲的激光输出。
在普通的连续或长脉冲激光运转中，由于增益介质的反转粒子数在激发过程中逐渐积累，同时受激辐射也在持续发生，导致激光输出功率相对较低且脉冲宽度较宽。
而调 Q 技术通过控制谐振腔的损耗，使得在泵浦初期，谐振腔处于高损耗状态，抑制激光振荡的产生，从而让增益介质中的反转粒子数得以大量积累。
当反转粒子数达到一定程度时，突然降低谐振腔的损耗，使得积累的反转粒子数在极短的时间内以受激辐射的形式快速释放，形成高峰值功率、窄脉宽的激光脉冲。
111 调 Q 技术的物理基础调 Q 技术的实现基于激光增益介质的粒子数反转、受激辐射以及谐振腔的特性。
增益介质中的粒子在泵浦源的作用下被激发到高能态，形成粒子数反转分布。
当光子在谐振腔内往返传播时，通过受激辐射过程不断放大，同时受到谐振腔损耗的影响。
112 调 Q 技术的数学模型为了更深入地理解和分析调 Q 技术，可以建立相应的数学模型。
这些模型通常基于速率方程，描述增益介质中粒子数的变化以及光场的演化。
12 调 Q 技术的分类调 Q 技术主要分为主动调 Q 和被动调 Q 两大类。
121 主动调 Q主动调 Q 是通过外部的驱动信号来控制谐振腔的损耗。
常见的主动调 Q 方法包括电光调 Q、声光调 Q 等。
电光调 Q 利用电光晶体的电光效应，通过施加外加电场来改变晶体的折射率，从而改变谐振腔的损耗。
声光调 Q 则是基于声光晶体的声光衍射效应，利用超声波在晶体中产生的折射率光栅来改变谐振腔的损耗。
第七讲 激光技术二：调Q技术
17
3、染料调 Q 激光器
（1）染料吸收特性 染料的可饱和吸收系数 0是光强很小时的吸收系数； Is 为染料的饱和吸收光强(与染料种类及浓度有关)
布拉格声光器件
声光互作用区域长,相当 于体光栅，对入射光方 向要求严格,只有一级衍 射光。( 衍射效率高 )
入射光
-3级衍射光 -2级衍射光 -1级衍射光 零级光 入射光 +1级衍射光 +2级衍射光 +3级衍射光
零级光
+1级衍射光
14
（1）第一阶段：积累阶段 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， 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。
8
二、实现调 Q 技术的方法
1、电光调Q激光器
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。
9
（1）第一阶段：积累阶段
第一阶段是在晶体上加 U 。 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，它们的振动方向垂直，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，其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。因此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值很低，称为“关门”状态。 电光器件
激光调Q
450 电光开关 三、单块单 1. 原理 ：以LN横向运用退压式结构为例，分析原理和一 般Q开关相同。
也是分两个阶段讨论其工作原理：粒子数积累阶段和 脉冲形成阶段。结论：单 450Q开关相当于带一个偏振器 的Q开关。
2. 单 450 Q开关的误差 （1）口径效应：工作物质不同位置发出的激光，通过晶体 时，走得路程不一样，因而o光、e光的相位差不 等， 。 （2）克服口径效应的办法 0 a. 可以把电极做成矩形，使 45 角上无电场。 b. 利用一个互补的无相位变化的棱镜来代替谐振腔中的 全反镜。 3. 单 450 Q开关的特点 V 优点：结构简单，加工容易，插入损耗小；加电压 4 比 0 双 45 Q开关低一倍；适合各种工作物质。 450 双输出功率低；存在口径 缺点：输出的是线偏光，比 效应。
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
d n dt 2 n1Wp n 2 A s n 21 dN n 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。
3.简化结构
4．开关效率 定义：激光器动态输出能量与静态输出能量之比。即同一 台激光器且输出能量相同时， 动能： Q开关激光器所输出的能量。 静态能：激光器中不加Q开关输出的能量。
五、Q开关的其他应用 1.削波器 主要用于从几十个ns 的光脉冲中削出一个 几ns 的光脉冲，即可压缩脉宽，又整型。 2.隔离器 一般用在激光放大器中，在放大级之间对光 进行隔离，阻止后级光返回到前级放大器或振荡 器中。 3.选通开关 主要用于从一序列光脉冲中取出一个脉冲。
激光调q原理
激光调q原理激光调Q原理。
激光调Q技术是一种能够产生超短脉冲激光的技术，它在许多领域中都有着重要的应用，比如材料加工、医学影像、光通信等。
激光调Q技术的原理是通过调制激光器内部的损耗或增益，来实现脉冲的产生和放大。
在本文中，我们将详细介绍激光调Q技术的原理及其应用。
激光调Q技术的原理主要涉及到激光器内部的损耗或增益调制。
在激光器中，激光的产生是通过激发介质中的原子或分子来实现的。
当这些原子或分子处于激发态时，它们会通过受激辐射的过程释放出光子，从而产生激光。
而在调Q技术中，我们需要对激光器内部的损耗或增益进行调制，来实现脉冲的产生和放大。
激光调Q技术的一个重要应用是在超快激光领域。
超快激光在纳秒、皮秒甚至飞秒时间尺度上工作，它在材料加工、医学影像、光通信等领域都有着重要的应用。
激光调Q技术能够产生高峰值功率、窄脉冲宽度的超短脉冲激光，从而可以实现高精度的材料加工，高分辨率的医学影像，以及高速率的光通信传输。
除了在超快激光领域，激光调Q技术还有着其他的应用。
比如，在激光雷达中，激光调Q技术可以实现高峰值功率的激光脉冲，从而提高雷达的探测距离和分辨率。
在激光制导武器中，激光调Q技术可以产生高能量密度的激光脉冲，提高武器的毁伤效果。
在激光医疗领域，激光调Q技术可以实现对肿瘤等病变组织的精确治疗。
总的来说，激光调Q技术是一种能够产生超短脉冲激光的重要技术，它在超快激光、激光雷达、激光制导武器、激光医疗等领域都有着重要的应用。
通过调制激光器内部的损耗或增益，激光调Q技术可以实现高峰值功率、窄脉冲宽度的超短脉冲激光，从而可以实现高精度的材料加工、高分辨率的医学影像、以及高速率的光通信传输。
在未来，随着激光技术的不断发展，激光调Q技术有望在更多领域中发挥重要作用。
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
调Q激光器基本理论
qN
qN
振幅 sin 1 2N 1t
At E0
2
sin 1 t
2
E0
E t cos0t
振幅调制包络
sin 1
2 sin
2N 1 1 t
2
t
三、锁模脉冲特性
未锁定时 I 2N 1E02
(1) 峰值功率 Im (光强极大值)
sin 2 1 2N 1t
I t E 2 t E02
1 , 2 , 3
2 21, 3 31
E1 = E2 = E3 = E0 , 1 2 3 0
（振幅相等） （初始相位为0）
E1 E0 cos2 1t E2 E0 cos4 1t E3 E0 cos6 1t
E(t)
0
E1 E0 cos21t E2 E0 cos41t E3 E0 cos61t
T0
2
2L c
1
D q
2L v
(3) 脉冲宽度 ()
2
2N 1
2L c
1 2N 1
1
D q 2N
1
1
D osc
1
D F
通过DnF 可估算锁模脉宽 钕玻璃 DF ＝7.5×1012 ~ps
激光器类型
荧光线宽（s-1） 荧光线宽的倒数(s) 脉冲宽度（测量值）(s)
氦氖
1.5×109
Nd:YAG
N
R
两式相除 dN 1 Dnt 1 积分 dDn 2 Dn
N
Ni
dN
1 2
Dn
Dni
Dnt Dn
1dDn
Ni－ t=0 时光子数密度 Dni－t=0 时反转粒子数密度
(7-3-5)
2.5 声光调Q
2.5 声光调Q 2.5.1 基本原理
声光调制原理 声光调Q
声光调Q激光器示意图
声光调Q激光器的特点
开关时间与脉宽 声光Q开关的缺点 声光Q开关与重复频率
连续激光器声光调Q运 转方式
连续激光器高重复率调Q过程
2.5.2 声光Q开关的结构与设计
声光Q开关的结构和声光调制器完全相同。换能器、声光 介质、吸收器三个部分组成，且材料、尺寸相同 不同点：声光调制器：有驻波和行波两种结构。 声光Q开关：只有行波结构。 1、材料的选择: 对声光介质材料的选择应综合考虑如下要求； 介质的品质因数M2要大；对光的吸收要小(即对光的透过 率要高)；对超声波的吸收要小；有良好的热稳定性；介 质在光学上是均匀的，且有足够大的尺寸。对功率大的调 Q器件，还要考虑采用激光损伤阈值高的材料。
在1.06微米激光作用下F2-心的透过率
2.6.5 二极管泵浦被动调Q激光器
1）Nd:YVO4/Cr:YAG/KTP结构 被动调Q绿光激光器
激光器调q 原理
激光器调Q的原理是在激光器内加入一个损耗可调节的器件（如AOM），在大部分时间区域内，激光器的损耗很大，几乎无光输出，但在某一个较短的时间内，减小器件的损耗，从而使激光器输出一个强度较高的短脉冲。
Q开关是调Q技术的核心器件，可以通过主动或者被动方式实现调Q光纤激光器。
调Q技术基于时间限制原理，其核心思想是在一个激光共振腔中引入快速可调的损失，以压缩和增强激光脉冲。
激光器的工作原理基于受激辐射和光放大的效应。
当光子在激光器内移动时，它们被反射镜反弹，产生来回移动的光子束。
当光子与激光器内被卡在共振腔中的原子碰撞时，所产生的能量从一个原子跃迁到另一个原子，释放出一个与醇子初始相同相位的光子。
该光子在共振腔内来回移动，并与其他原子碰撞，释放出越来越多的光子，直到光子数目够多时，它将穿过其中一个反射镜而离开激光器，这时其能量变成了光子的行驶动能。
由于激光器内的光子都是同相位的，所以它们叠加在一起，使激光光束具有非常高的能量。
调Q技术利用了激光器中原子碰撞所产生的输运时间不稳定性，将差异放大来改善脉冲宽度，从而得到高的峰值功率和窄的单个脉冲。
常见的调Q方法有转镜调Q、电光调Q、声光调Q与饱和吸收调Q等。
其中，电光调Q是利用某些压电晶体的线性电光效应制成偏振开关元件，使得其只有在瞬时施加（或去掉）外界控制电场情况才处于接通状态，从而可起到Q开关作用。
声光调Q则是利用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。
当突然撤除超声场时，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。
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
调Q激光器分解课件
医疗美容
调Q激光器在医疗和美容 领域的应用也日益广泛， 如激光治疗、皮肤美容等 。
调Q激光器的发展历程
起源
调Q激光器最早起源于20 世纪60年代，当时主要用 于军事领域。
发展
随着科技的进步，调Q激 光器的性能不断提高，应 用领域也不断拓展。
现状
目前，调Q激光器已经成 为激光技术领域的重要分 支，在各个领域得到广泛 应用。
调Q激光器的小型化与集成化
小型化
随着微纳加工技术的发展，调Q激光 器有望实现更小尺寸，便于携带和集 成。
集成化
将调Q激光器与其他光器件集成在同 一芯片上，实现光子集成回路，降低 成本并提高稳定性。
调Q激光器的智能化与网络化
智能化
通过引入人工智能技术，实现调Q激光器的智能控制和优化，提高其输出光束 质量和稳定性。
重要影响。
04
当Q开关关闭时，谐振腔的损耗增加，导致激光无法 形成振荡；当Q开关打开时，谐振腔的损耗减小，激 光迅速增长并形成脉冲输出。
03 调Q激光器的特性与性能
CHAPTER
调Q激光器的输出特性
输出波长范围
01
调Q激光器的输出波长范围广泛，可覆盖可见光到近红外波段，
满足不同应用需求。
输出光束质量
04
在调Q激光器中，选择合适的泵浦源需要根据实际需求和条件进行选 择。
Q开关
Q开关是调Q激光器中的关键元件，它通过控制谐振 腔的品质因子（Q值）来实现脉冲激光输出。
输标02入题
Q开关通常采用可饱和吸收体或声光调制器等元件实 现，通过调节其工作状态来控制谐振腔的损耗。
01
03
Q开关的性能参数包括脉冲宽度、重复频率和脉冲能 量等，这些参数对调Q激光器的输出特性和应用具有
激光调Q原理与技术
当 = /2 时，所需电压称作四分之一波电压，记作V /4； 入射线偏振光通过晶体后两本征模产生的相位差
(2)横向电光效应:电场方向与光传播方向垂直 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 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 (1)峰值功率不高，只在阈值附近 no:晶体o光主折射率 2、双45 LN电光调Q激光器
电光调Q装置示意图
3、折射率差
加电场后两个正交的本征偏振光折射率之差
n no3E
no:晶体o光主折射率 E:直流电场强度
:晶体有效电光系数
4、相移
入射线偏振光通过晶体后两本征模产生的相位差
2Ln2L3 on E
L：晶体沿通光方向长度 ：真空中光波长
5、半波电压 使相移等于所须电压
纵向电光效应 横向电光效应
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
电光调Q激光器
一、电光效应 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
2、类型
(1)纵向电光效应:电场方向与光传播方向一致
(2)横向电光效应:电场方向与光传播方向垂直
二、电光调Q工作原理
1、Q开关开启
激光
电光器件 全反镜
输出镜
激光介质 起偏镜
检偏镜
2、Q开关关闭
电光器件 + 全反镜
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当 t t P Dn Dnt , N N m
Dnt
1 Dn N Ni Dni Dn Dnt ln 2 Dni
Dni 1 N m Dni Dnt Dnt ln 2 Dnt Dni Dni 1 Dnt ln 1 2 D n D n t t
1 Dn N N i Dni Dn Dnt ln 2 Dni
dDn d n2 n1 dn 2 dt dt dt
（习题7-9）
(7-3-5)
四能级系统在Q开关时间(ns)内 E1E0的粒子数很少，n1不能忽略
2. 脉冲峰值功率(Pm)
(7.3.5)
c
第 11 讲
• 调Q激光器基本理论
Q突变过程中Dn和N 的变化 脉冲峰值功率、脉冲宽度
• 锁模原理 • 锁模脉冲特性
峰值功率、脉冲间隔，脉宽、
• 锁模方法
主动锁模：振幅调制、相位调制 被动锁模：染料锁模
• 均匀加宽激光器主动锁模的自洽理论
三、调Q激光器的基本理论 用速率方程方法讨论调Q脉冲形成，研究Q突变过
脉冲宽度（测量值）(s) ～6×10-10 7.6×10-12 4×10-13 3×10-14 0.5～30×10-12 4～50×10-12
fs
四、锁模方法
主动锁模 ( Actively mode locked )*
腔内插入调制元件，强迫各纵模初相位相同
*
振幅调制 相位调制
被动锁模 ( Passive mode locking )
程中Dn和N的变化规律，脉冲峰值功率(Pm)及脉冲宽度
(Dt)与Dn的关联性
特点: Q开关时间极短
几ns量级
讨论前提：三能级系统激光器（为什么？） L＝l, hF=1, f1=f2 及各模式振幅相等
Dnt
D Dn n ii
dDn dN , dt dt
dN dDn
Nm
Pm
Dnt
N
Dn f
0
Ni t0
激光器类型 氦氖 Nd:YAG 钕玻璃 若丹明 6G GaAlAs (0.85m) InGaAsP (1.55m)
钛宝石 (900nm)
~ps
荧光线宽（s-1） 1.5×109 1.95×1011 7.5×1012 5×1012~3×1013 1013 1012~1013
~1014
荧光线宽的倒数(s) 6.66×10-10 5.2×10-12 1.33×10-13 2×10-13～3×10-14 10-13 10-12～10-13
调Q激光器输出峰值功率
1 Pm N m h vST 2
Dni Dni 1 其中 N m Dnt ln 1 2 Dnt Dnt
Dni Dni 结论：Pm －开关比; 如何使 Dn 大 Dnt t
Dni Q开关“关死” Dnt Q开关插入损耗小
Ni 0
Dnt
dDn i Dni Dn Dn Dn 上升沿 Dn Dn ln Dn t i t Dne dDn Dt e R Dnt Dni Dn Dn Dn ln 下降沿 Dnt Dnt Dnt Dtr R Dn
2 E 2 9 E0
极大值 极小值 极小值
1 E1 E2 E0 , E3 E0 2 1 E1 E2 E0 , E3 E0 2 E1 E2 E3 E0
1
1
2 E 2 9 E0
极大值
引伸: 假设 2N+1 个模振荡, 振幅相同 (E0) 相邻纵模间相位差
T E Ei T a
能量利用率
Dn f E 1 Ei Dni
结论： Ei E
Dn N N i Dni Dn Dnt ln D n i
Dn f Dni
熄灭时
N Ni
Dni Dn f Dnt ln
dDn 2 21 vNDn 2n2 A21 2n1W13 dt
两式相除
dN 1 Dnt 1 dDn 2 Dn
积分
1 Dn Dnt 1dDn Ni dN 2 Dni Dn
N
Ni－ t=0 时光子数密度 Dni－t=0 时反转粒子数密度
2L v
DF（荧光线宽宽）
(2) 锁模脉冲间隔－相邻脉冲极大值之间间隔 (T0)
(3) 脉冲宽度 ()
2 2 L 1 1 1 1 2 N 1 c 2 N 1 D q 2 N 1 D osc D F
通过DnF 可估算锁模脉宽 钕玻璃 DF ＝7.5×1012
短脉冲序列
举例: 三个纵模锁定后的光波叠加
1 , 2 , 3
（振幅相等）
2 21, 3 31 1 2 3 0
（初始相位为0）
E1 E0 cos2 1t
E1 = E2 = E3 = E0 ,
E2 E0 cos4 1t E3 E0 cos6 1t
Dn f Dni
0
调Q激光器 能量利用率
Dn f
Dnt Dn f 1 ln Dni Dni Dni
Dni 2.5 Dnt
90%
4. 调Q脉冲宽度
Nm N Nm m 2 2
Dt ＝ Dt r ＋ Dt e
Dn N dDn 2 dt D n t R
故变宽。
Q 开关时间 （非理想阶跃）
Pm的粗略估算
Pm E Dt
§7-6 锁模 (Mode Locking)－超短脉冲( ps-fs )
一、引言
自由运转（非锁模）多模激光器的输出特性
每个纵模的电场表达式
Eq t Eq cosqt q
c v c D q 相邻纵模间的频率间隔 D q 2L 2 L L
3ms
0.7ms
0.23ms
1ms
20ns
~ns
3. 调Q脉冲能量（E）
前提：hF=1
腔内脉冲总能量 E’
E 1 h 21 Dni Dn f V Ei E f 2
输出脉冲能量
T Ei E f E T a T Ei 注意公式条件 T 1, a 1 P.174 T a
1 E0 sin 2 N 1 t 2 E t cos 0t 1 sin t 振幅调制包络 2
三、锁模脉冲特性
(1) 峰值功率 Im (光强极大值)
1 sin 2 N 1t 2 I t E 2 t E02 1 sin 2 t 2
Ni Nm
Dn nii D
Dnt
Dn f
0
(L=l )
Ni
tP
Dni Dni 1hl Dnt ln 1 L l Nm 2 L Dnt Dnt 习题7- 6
1 Pm h 21 N m vST 2
当两反射镜透过率分别为T和0，光束截面＝工作物质截面(S)
dN N 21 vNDn dt R dN Dn Dnt 时 0 dt
Dnt
1 21 v R
1. 调Q速率方程及其解
理N 21 vNDn dt R
Dnt 1 21 v R
dN N Dn 1 dt R Dnt Dn N dDn 2 dt D n t R
数值求解 (1) Dni Dtr , Dte 脉宽变窄, 且前沿更陡
R
L c
Dnt
(2) Dt ~ R 调Q激光器设计, L和 T 要折衷考虑
理论计算与实际测量脉宽产生误差的原因：
Dn 分布不均匀(泵浦、激励不均匀，中心大，边缘小) 脉冲建立时间不同(中心部分先建立，边缘后建立） 输出脉冲为从中心到边缘多个脉冲的叠加的结果，
2
2 未锁定时 I 2N 1E0
t 2m m 0,1... 2 有极大值 I m 2 N 12 E0
模式个数
• 锁模后脉冲峰值功率是未锁模时的（2N＋1）倍
• 模式个数多有利于锁模脉冲峰值功率的提高
• 振荡模式增多的途径： LDq
T0 2 2 L 1 c D q
(7-3-4)
Dn 1 t R Dn i 2
积分
D n Dn 1 t t R Dn dDn i NDn 2
(7-3-5)代入
dDn N i 1 Dni Dn Dn Dn ln D n 2 D n D n D n t i t t
Dn f E Dni Dn f 1 Ei Dni Dni
能量利用率
Ei － 储藏在工作物质中可以转变为调Q脉冲的初始能量 Ef － 巨脉冲熄灭后剩余的能量（通过自发辐射逐渐消耗）
1 ln 腔内一光子往返一周因输出而损耗的能量百分数 1 e 2T 1 e R 1 R T 1 ln a 2 1 e R 1 Rea 腔内一光子往返一周损耗能量的百分数 1 e 思考：如果R2也较小，上式应如何修正？ 1 R1 a 1 R Ra T a
总输出
E t Eq e
q
i q t q
q1 q
E
t
各纵模建立时间不同，Eq, q, q不同，输出为多个纵 模无规叠加的结果
二、锁模原理
多纵模相位锁定
q1 q
锁模物理机制：采取措施使腔内各个纵模的初始相位 保持一致或各纵模间有确定的相位关系, 输出为等间隔