第四章激光Q开关及锁模技术分解
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激光的调Q与锁模
在激光测量领域，调Q技术可以用于测 量距离、速度、角度等参数，具有高精 度和高分辨率的特点。
03 锁模技术
锁模技术的原理
锁模技术是一种控制激光脉冲宽度和重复频率的方法，通过在激光振荡 过程中引入周期性的相位调制，使得激光脉冲在时间上被压缩和固定。
锁模技术利用了激光的相干性，通过在激光腔内引入一个或多个调制器， 对激光的相位进行调制，使得激光脉冲在时间上呈现出周期性的变化。
锁模技术
通过在激光器中引入光学反馈，使激光器的多个纵模同时振荡并保持相位锁定状 态。通过控制反馈强度和频率，可以调节脉冲宽度和重复频率，从而实现超短脉 冲激光输出。
技术特点的比较
调Q技术
调Q激光器结构简单，脉冲能量较高 ，但脉冲宽度较大，通常在毫秒量级 。调Q技术适用于需要高功率脉冲激 光的场合，如材料加工、医疗美容等 。
激光的调q与锁模
目录
• 激光基础知识 • 调Q技术 • 锁模技术 • 调Q与锁模技术的比较 • 调Q与锁模技术的发展趋势
01 激光基础知识
激光原理简介
激光原理
激光是受激发射放大原理产生的相干光。在激光器中，通过外部激励源激发原 子或分子从低能态跃迁到高能态，再通过受激辐射放大实现光的放大。
激光产生过程
随着超快激光技术的进步，锁模技术能够实现更短脉冲宽度和更高重复频率的激光输出， 为科学研究、工业应用等领域提供更多可能性。
锁模技术的集成化与小型化
为了满足不同应用场景的需求，锁模技术将进一步实现集成化和小型化，便于携带和使 用。
锁模技术在光通信、光谱分析等领域的应用拓展
锁模技术能够产生超短脉冲激光，具有极高的时间分辨率和光谱分辨率，因此在光通信、 光谱分析等领域具有广泛的应用前景。
03 锁模技术
锁模技术的原理
锁模技术是一种控制激光脉冲宽度和重复频率的方法，通过在激光振荡 过程中引入周期性的相位调制，使得激光脉冲在时间上被压缩和固定。
锁模技术利用了激光的相干性，通过在激光腔内引入一个或多个调制器， 对激光的相位进行调制，使得激光脉冲在时间上呈现出周期性的变化。
锁模技术
通过在激光器中引入光学反馈，使激光器的多个纵模同时振荡并保持相位锁定状 态。通过控制反馈强度和频率，可以调节脉冲宽度和重复频率，从而实现超短脉 冲激光输出。
技术特点的比较
调Q技术
调Q激光器结构简单，脉冲能量较高 ，但脉冲宽度较大，通常在毫秒量级 。调Q技术适用于需要高功率脉冲激 光的场合，如材料加工、医疗美容等 。
激光的调q与锁模
目录
• 激光基础知识 • 调Q技术 • 锁模技术 • 调Q与锁模技术的比较 • 调Q与锁模技术的发展趋势
01 激光基础知识
激光原理简介
激光原理
激光是受激发射放大原理产生的相干光。在激光器中，通过外部激励源激发原 子或分子从低能态跃迁到高能态，再通过受激辐射放大实现光的放大。
激光产生过程
随着超快激光技术的进步，锁模技术能够实现更短脉冲宽度和更高重复频率的激光输出， 为科学研究、工业应用等领域提供更多可能性。
锁模技术的集成化与小型化
为了满足不同应用场景的需求，锁模技术将进一步实现集成化和小型化，便于携带和使 用。
锁模技术在光通信、光谱分析等领域的应用拓展
锁模技术能够产生超短脉冲激光，具有极高的时间分辨率和光谱分辨率，因此在光通信、 光谱分析等领域具有广泛的应用前景。
激光原理4.7激光锁模技术(2014)
4.7 激光锁模技术目的:压缩脉冲宽度，高峰值功率。
Q开关激光器般脉宽达10s 10s量级，如果再压缩开关激光器一般脉宽达-8s~10-9量级如果再压缩脉宽，Q开关激光器已经无能为力，但有很多实际应用需要更窄的脉冲。
(1964年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到10-11～10-14s（ps）量级。
)例:1. 激光测距：为了提高测距的精度，则脉宽越窄越好.2激光高速摄影为了拍照高速运动的物体提高照片的2. 激光高速摄影：为了拍照高速运动的物体，提高照片的清晰度，也要压缩脉宽.3. 对一些超快过程的研究，激光核聚变，激光光谱，荧光3对一些超快过程的研究激光核聚变激光光谱荧光寿命的测定，非线性光学的研究等需窄的脉宽。
(掺钛蓝)。
宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列14.7.1 锁模原理多模激光器的输出特性一、多模激光器的输出特性自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的般包含若干个超过阈值的纵模，如图所示。
这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值间平均的统计值。
假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N 个纵模，每个纵模输出的电场分那么激光器输出的光波电场个纵模电场的和即量可用下式表示:)(q q t i eE t E ϕω+=+=t i q q )(ϕω是N 个纵模电场的和，即(4-73)(4-74)2)(q q ∑qq eE t E )((473)(474))()(q q t i q q eE t E ϕω+=∑+=t i q q q eE t E )()(ϕωqE q 、ωq 、φq 为第q 个模式的振幅、角频率及初位相。
各个模式的振幅E 、初位相均无确定关系，各个模式互不相干，因而q 、φq ，，激光输出是它们的无规叠加的结果，输出强度随时间无规则起伏。
假设有三个光波，频率分别为v 1、v 2和v 3，沿相同方向传播，并且有如下关系：3213112302, ,v v v v E E E E =====在未锁定时，初相彼此无关。
第四章 Q开关技术和锁模技术
二.多模激光器的输出特性.
未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。多纵模，主要讨论各模 之间的关系，把每一模式的光波做为一束光来处理。
纵模频率
q
qc 2L
频率间隔
c 2L
式中L－光学长度 q－纵模序数 假定在激光器工作物质净增益线宽内超过阈值的纵模－即在腔内振荡 的模式有2N＋1个。 纵模表示式
R p ( t ) 0 fo r t 0
R p ( t ) R p co n st . fo r 0 t t p
对于四能级系统，布居反转数的变化规律：
N ( t ) N 1 ex p ( t / )
这里：
N R p ,
是激光上能级寿命。
利 用 c o s ( ) c o s ( ) 2 c o s c o s 1 1 s in c o s 1 2 2 1 s in 2
和
cos cos 2
cos
n nx ny ,
L
是晶体长度。
4. 各种常见Q开关
《激光原理与技术》
当给晶体加上适当的电压，使 2 ，光波变 为圆偏振光，经过谐振腔反射再次通过该晶体后， 又引入一个 2 的相位差，这样圆偏振光又 变为线偏振光，只是偏振方向与原来垂直，因此 不能通过偏振片。这种情况相当于Q开关关闭， 腔内损耗大。
N
N
E q (t )
N
N
E 0 co s ( 0 q ) t q a
E 0 co s 0 t co s[( 0 ) t ] co s[( 0 ) t ] co s[( 0 2 ) t 2 ] co s[( 0 2 ) t 2 ] E 0 co s 0 t 1 2 co s( t ) 2 co s 2 ( t ) 2 co s 3( t ) 2 co s N ( t )
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
调Q技术与锁模技术
)
当 N Nt 时，腔内光子数达到其最大值 m
m
1 2
(Ni
Nt
Nt
ln
Nt Ni
)
在 Nt 附近做级数展开，可得
2.峰值功率Pm
m
Nt 4
( Ni Nt
1)2
当腔内光子数达到最大值m 时，输出的巨脉冲功率也达到其最
大值 Pm ，即
Pm hm0
0 为输出镜单位时间内光能量的衰减率。
设输出镜透过率为T,腔长为L，光在腔内的运动速度为v,可得
7.1 调Q技术 7.1.1 调Q的基本理论 一. 脉冲固体激光器的输出的驰豫振荡
将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记 录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽 和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的。
如图 (a)所示。每个尖峰的宽度约为0.1～1μs，间隔为数微秒， 脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦持续时间相等。图(b)所示 为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现象称为激光器弛 豫振荡。
2
Ni /Nt
1
1.0
0.9
0.8 0.7 0.6
(Ni N f ) / Ni
0.5
0.4
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
N f / Ni
5．调Q脉冲的时间特性 下面再讨论一下调Q脉冲的脉宽和波形问题
1 2
(
Ni
N
Nt
ln
N Ni
)
由dN 2 N
d
Nt
d dt Nt dN
(3)谐振腔的Q值改变要快（最好是突变），一般应与谐振腔
建立激光振荡的时间相比拟。
四、调Q激光器的两种储能方式
激光调Q技术 讲课
激光调Q技术
（Q开关技术）
2015-3-23
光脉冲由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的。 a图，普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察，每个 尖峰的宽度约为0.1～1μ s，间隔为数微秒，脉冲序列的长度大致 与闪光灯泵浦持续时间相等。 b图，红宝石激光器输出的尖峰。 这种现象称为激光器弛豫振荡。
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。
（1）电光调Q 电光调Q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。
图4-27 电光调Q装置示意图
特点：
1.有较高的动态损耗（９９％）和插入损耗（１５％）
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。
调Q激光脉冲的建立 过程，各参量随时间的变 化情况，如右图所示。 图(a)表示泵浦速率Wp随时 间的变化； 图(b)表示损耗率随时间的 变化； 图(c)表示粒子反转数N的 变化； 图(d)表示腔内光子数Φ随 时间的变化。
2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到10-9秒 ，
3.典型的Nd:YAG 电光调Q激光器的输出光脉冲宽度
约为１０-20ns，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，由于该技术较高的插入损
耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器
（2）声光调Q
图4-28 声光调Q装置示意图
声光调Q技术 利用声光器件的布拉格衍射原理完 成调Q任务。
调Q激光器,光脉冲的宽度可以压到ns级,峰值功 率也已达到MW.
一、调Q原理
Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标
（Q开关技术）
2015-3-23
光脉冲由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的。 a图，普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察，每个 尖峰的宽度约为0.1～1μ s，间隔为数微秒，脉冲序列的长度大致 与闪光灯泵浦持续时间相等。 b图，红宝石激光器输出的尖峰。 这种现象称为激光器弛豫振荡。
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。
（1）电光调Q 电光调Q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。
图4-27 电光调Q装置示意图
特点：
1.有较高的动态损耗（９９％）和插入损耗（１５％）
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。
调Q激光脉冲的建立 过程，各参量随时间的变 化情况，如右图所示。 图(a)表示泵浦速率Wp随时 间的变化； 图(b)表示损耗率随时间的 变化； 图(c)表示粒子反转数N的 变化； 图(d)表示腔内光子数Φ随 时间的变化。
2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到10-9秒 ，
3.典型的Nd:YAG 电光调Q激光器的输出光脉冲宽度
约为１０-20ns，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，由于该技术较高的插入损
耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器
（2）声光调Q
图4-28 声光调Q装置示意图
声光调Q技术 利用声光器件的布拉格衍射原理完 成调Q任务。
调Q激光器,光脉冲的宽度可以压到ns级,峰值功 率也已达到MW.
一、调Q原理
Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标
激光的调与锁模PPT课件
23
由以上分析可知：多模激光器模式所定 的结果出现了以下有意义的现象。 (1)激光器输出间隔为=2L/C的规则脉冲序列。 (2)每个脉冲的宽度 =1/(2N+1) )(1/) ，近 似等于振荡线宽的倒数。因为振荡线宽不会 超过激光器净增益线宽0 ，因此在极限情况 下 可，能得到mi窄n =的1/锁模0 ，脉可宽见。增益线宽越宽，越
27
1968年开始横模锁定的研究，稍后又开 始了纵横模同时锁定的研究，70年代后又发 展了主动加被动双锁模（损耗调制加相位调 制）、主动加调Q及同步锁模等方法 。
纵模锁定的方法主要有，自锁、主动锁 模（内调制包括损耗调制和相位调制）及被 动锁模（可饱和吸收染料锁模），下面分别 加以讨论。
28
1、纵模锁定
3
下面内容将要讨论锁模激光器的原理、 特点、实现的方法及设计，并举例分析锁模 激光器的输出特性，讨论有关超短脉冲技术， 如：单一脉冲的选取和常用的超短脉冲脉宽 的测量方法。
4
一、多模激光器的输出特性
为了更好地理解锁模的原理，将先讨论未 经锁模的多纵模自由运转激光器的输出特性。 腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为：
12
二、多模激光器模式锁定特性
为了便于了解锁模的基本理论，用图3.12简要表示光波相位锁定的情况。 而且假2设=2有1三、个3光=3波1，。频假率定分三别个为光波1、的振2、幅3， 都相等。如果三个光波的相位1、2、3之 间没有固定的关系，则三个光波叠加后的总 光强是时间的随机函数，总功率正比于3E02。 如果三个光波在某一时刻(t=0)有固定的相位 关系，例如有相同的相位，此时场强出现极 大值3E0。
激光的调与锁模
1
6．1 锁模技术
前面讲过的调Q激光器可以获得巨脉冲， 但是最小脉冲宽度约秒量级。其原因是形成 激光脉冲需要一个建立时间。如果用腔倒空 技术，可以将脉宽压缩到1～２ns，并且由腔 长决定。
由以上分析可知：多模激光器模式所定 的结果出现了以下有意义的现象。 (1)激光器输出间隔为=2L/C的规则脉冲序列。 (2)每个脉冲的宽度 =1/(2N+1) )(1/) ，近 似等于振荡线宽的倒数。因为振荡线宽不会 超过激光器净增益线宽0 ，因此在极限情况 下 可，能得到mi窄n =的1/锁模0 ，脉可宽见。增益线宽越宽，越
27
1968年开始横模锁定的研究，稍后又开 始了纵横模同时锁定的研究，70年代后又发 展了主动加被动双锁模（损耗调制加相位调 制）、主动加调Q及同步锁模等方法 。
纵模锁定的方法主要有，自锁、主动锁 模（内调制包括损耗调制和相位调制）及被 动锁模（可饱和吸收染料锁模），下面分别 加以讨论。
28
1、纵模锁定
3
下面内容将要讨论锁模激光器的原理、 特点、实现的方法及设计，并举例分析锁模 激光器的输出特性，讨论有关超短脉冲技术， 如：单一脉冲的选取和常用的超短脉冲脉宽 的测量方法。
4
一、多模激光器的输出特性
为了更好地理解锁模的原理，将先讨论未 经锁模的多纵模自由运转激光器的输出特性。 腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为：
12
二、多模激光器模式锁定特性
为了便于了解锁模的基本理论，用图3.12简要表示光波相位锁定的情况。 而且假2设=2有1三、个3光=3波1，。频假率定分三别个为光波1、的振2、幅3， 都相等。如果三个光波的相位1、2、3之 间没有固定的关系，则三个光波叠加后的总 光强是时间的随机函数，总功率正比于3E02。 如果三个光波在某一时刻(t=0)有固定的相位 关系，例如有相同的相位，此时场强出现极 大值3E0。
激光的调与锁模
1
6．1 锁模技术
前面讲过的调Q激光器可以获得巨脉冲， 但是最小脉冲宽度约秒量级。其原因是形成 激光脉冲需要一个建立时间。如果用腔倒空 技术，可以将脉宽压缩到1～２ns，并且由腔 长决定。
激光技术调Q与锁模
当激光工作物质中有多个能级间可以发生激光跃 迁，从而可以产生多波长激光辐射的情况下
或者工作物质有相当宽的增益线宽
如果在应用中，需要选出对应某一波长附近的一 组纵模时
利用色散腔选择纵模是最为实用且有效 的方法
16
色散腔粗选波长
棱镜色散腔
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
激光单元技术
对激光束实行人为控制的技术称之为激光单元技术
激光选模技术
激光Q开光技术
激光锁模技术
2
1、激光选模技术
激光模式选择及其意义：
激光的优点在于功率高、方向性好、单色性 和相干性好，一个理想的激光器输出光应按 需要控制输出模式，很多情况下我们希望只
输出单一的横模和纵模。因此产生了以控制
t
I
t
28
通过锁模得到超短脉冲
29
30
被动锁模原理
在谐振腔内放入吸收介质，由于饱和吸收效应，介质 只吸收强度低的光，而强度高的光透过吸收介质形成 振荡逐步被放大
工作物质
染料
t
t
t
t
t
t
31
主动锁模原理
在激光谐振腔内加入一 个调制器
域值
对谐振腔内部损耗进行 调制 令调制频率等于C/2L
紫外滤光片
反射镜
光输出波长吻合
YAG
染料
染料应有适当的饱
和光强值
染料配成溶液后应
有较长 的保存期
染料盒
反射镜
影响染料调Q输出 特性的因素
染料浓度的影响
输入能量的影响 染料盒的影响
激光锁模技术ppt课件
冲在腔内往返运动，每当此脉冲行进到输出反射镜时，便有一
个锁模脉冲输出。
➢脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔
sin[(2N 1) t ] 0但sin(t ) 0 t (m n )
2
2
2
2N 1
2 T 1
为锁模激光器的线宽
(2N 1) 2N 1
4.7.1 锁模原理
，
所以
(t1) (t1
2L) c
，以后这束光波每次通过调制器时损耗
相同。若损耗大于增益，这部分光波终将消失，而在损耗等于
零时通过的光每次都能无损耗的通过，会不断被放大，满足阈
值条件形成振荡，如果腔内损耗和增益控制得当，最终将形成
脉宽很窄，周期为T的脉冲序列输出。
损耗内调制锁模
➢从频率域模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心 频率 ν0 处的模首先振荡，其振幅调制后的电矢量为：
彼此独立的、随机的，所以总光场是各个模式光场的非相
干叠加。输出总光强是各个振荡模式光强之和，即 I Iq
输出光强随时间无规则起伏。
q
4.7.1 锁模原理
核心思想：锁模技术让谐振腔中存在的纵模同步振荡，让各模的频率 间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有 规则的等间隔的短脉冲序列。
实现锁模的方法
在一般激光器中，各纵模振荡互不相关，各纵模 相位没有确定的关系。并且，由于频率牵引效应， 相邻纵模的频率间隔并不严格相等。因此为了得到 锁模超短脉冲，须采取措施强制各纵模初位相保持 确定关系，并使相邻模频率间隔相等。
• 主动锁模 • 被动锁模 • 自锁模
4.7.2 主动锁模
在自由运转的激光器谐振腔中加入受外界信号控制的调制器， 对激光输出进行振幅或相位调制，实现各个纵模振动同步，叫 作主动锁模。 1. 振幅调制（损耗内调制锁模） ➢如图(4-31)所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。 设调制周期为 Tm 2 Ω 2L c ，调制频率 νm c 2L (恰为纵 模频率间隔)
激光技术调Q与锁模
激光振荡的建立条件是增益G大于损耗
G = i + m+ d
○ 其中i为激光在腔内传输由于散射、吸收产
生的损耗, m为反射镜产生的损耗； d为谐 振腔中由衍射产生的损耗。
选择横模的两个原则
○ 必须尽量增大高阶模与基模的衍射损耗比 ○ 尽量减少腔内其他损耗i和镜面损耗m, 从而
输出光束发散角和光强分布为主要目的的横 模选择技术，以及以获得窄线宽为主要目的 纵模选择技术。
3
横模选择及其意义
激光器的横模决定了输出光束的光强分布和发散角 从工业的钻孔、焊接到光通信，从激光医疗到激光 测距，横模输出的选择都非常重要
TEM00 TEM10
TEM20
TEM11
4
横模选择技术
相对增大衍射损耗d在总损耗中的比例
5
1）光阑法选横模
在激光谐振腔内插入小孔光阑相当于减小腔镜尺寸，增 加了衍射损耗。适当控制光阑尺寸，使腔内只有基模能 够振荡。
小孔光阑方法最简单易行，且有效。但同时须考虑模体 积问题。
腔镜1
小孔光栏
腔镜2
6
小孔光阑选横模腔型举例
7
2）介稳腔和非稳腔选模
增益
损耗
实际振荡的纵模
10
纵模选择技术
短腔法选纵模 F-P标准具法
色散腔法粗选波长
行波腔选纵模
11
短腔法选纵模
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
谐振腔模间隔=c/2L 如果设计腔长L使模间 隔 >= 增益曲线宽度, 即： >= g 则可以实现单纵模工作
Q开关激光原理
如果治疗真皮色素性疾病如太田痣、蓝黑色文身等, 则必 须选用波长较长的激光, 如694 nm、755 nm、1064 n m等, 只有波长较长的激光才能有效地到达真皮深层。
电磁辐射波之波长比较: 无线电波 ＞ 微波 ＞ 红外光 ＞ 可见光 ＞ 紫外光 ＞ X- 射线 ＞ γ - 射线 白光穿过一个棱镜是可被分成许多不同颜色的光，光 的颜色是由的光的波长决定的。 在可见光的范围内: 波长越长则越接近红光 波长越短则越接近紫光 波长长于红光称为红外线 波长短于紫光为紫外线
Q开关激光应用原理
1960年梅曼（Theodore Mainman）成功地研 制出第一台红宝石激光器, 此后, 激光技术 飞速发展, 激光种类很多, 应用于皮肤科美 容中的激光有十几种, 如超脉冲二氧化碳激 光、红宝石激光、铒激光、Q开关Nd:YAG激光, 可变脉宽532NM激光、Q开关翠绿宝石激光等。
病变部位越深, 则所需的激光波长越长, 尤其是真 皮深部的病变一定要选择较长的激光波长, 否则激 光作用不到病变部位。
就色素性疾病而言, 黑色素吸收峰值在280nm～1200n m中并随波长增加而吸收减少。
治疗浅表色素性疾病如雀斑、黑子等, 可选择波长较短的 激光, 如510 nm、5: 外科手术、磨皮、化学剥脱、二氧 化碳激光、氩离子激光等。 最大的缺点，甚至是不可避免的副作用: 瘢痕
调Q开关激光器的研制发明解决了这一难题。
原理:
用激光照射病变后，可以在不影响正常组 织的情况下，使色素颗粒在瞬间吸收极高 的激光能量后迅速膨胀、碎裂，形成很小 的碎片，随后被体内的吞噬细胞清除并排 出体外，从而达到治疗目的。
色素性病变中黑色素颗粒非常微小, 其TRT仅为1 μs。 因此治疗色素性病变应使用脉宽为纳秒级（ns, 1 μs＝ 1000 ns）的激光, 即带Q开关的激光
电磁辐射波之波长比较: 无线电波 ＞ 微波 ＞ 红外光 ＞ 可见光 ＞ 紫外光 ＞ X- 射线 ＞ γ - 射线 白光穿过一个棱镜是可被分成许多不同颜色的光，光 的颜色是由的光的波长决定的。 在可见光的范围内: 波长越长则越接近红光 波长越短则越接近紫光 波长长于红光称为红外线 波长短于紫光为紫外线
Q开关激光应用原理
1960年梅曼（Theodore Mainman）成功地研 制出第一台红宝石激光器, 此后, 激光技术 飞速发展, 激光种类很多, 应用于皮肤科美 容中的激光有十几种, 如超脉冲二氧化碳激 光、红宝石激光、铒激光、Q开关Nd:YAG激光, 可变脉宽532NM激光、Q开关翠绿宝石激光等。
病变部位越深, 则所需的激光波长越长, 尤其是真 皮深部的病变一定要选择较长的激光波长, 否则激 光作用不到病变部位。
就色素性疾病而言, 黑色素吸收峰值在280nm～1200n m中并随波长增加而吸收减少。
治疗浅表色素性疾病如雀斑、黑子等, 可选择波长较短的 激光, 如510 nm、5: 外科手术、磨皮、化学剥脱、二氧 化碳激光、氩离子激光等。 最大的缺点，甚至是不可避免的副作用: 瘢痕
调Q开关激光器的研制发明解决了这一难题。
原理:
用激光照射病变后，可以在不影响正常组 织的情况下，使色素颗粒在瞬间吸收极高 的激光能量后迅速膨胀、碎裂，形成很小 的碎片，随后被体内的吞噬细胞清除并排 出体外，从而达到治疗目的。
色素性病变中黑色素颗粒非常微小, 其TRT仅为1 μs。 因此治疗色素性病变应使用脉宽为纳秒级（ns, 1 μs＝ 1000 ns）的激光, 即带Q开关的激光
调Q(Q开关)技术
0
很大，使阈值高，
满足Gmax ，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Gmax 然后 使 Gmax ～产生激光－又以光子的形式贮存在腔内。
(2)．激光产生与输出过程
条件：G , 减小到 m in , Q达到最高。
因为增益最大，所以 m in 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。
方位也不容易。
（2）由于加
V
2
电压，因此实用起来有一定的困难。单 4 5 0
Q开关可以克服上述缺点。
三、单块单4 5 0 电光开关
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 4 5 0 Q开关相当于带一个偏振器 的Q开关。
(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：
dn d t
2n 21
d
d t
n 21
此阶段主要是产生光子。要使光子增长的快
d
d
d t >0, 而且 d t 大好。
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，
式中
I0J02() I1J1 2()
2 nl 2 H Ln 6 P s3 2P s 2 H LM 2P s
I1
Ii
sin2( )
2
光通过声光介质产生的相位延迟 由 P s 决定
很大，使阈值高，
满足Gmax ，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Gmax 然后 使 Gmax ～产生激光－又以光子的形式贮存在腔内。
(2)．激光产生与输出过程
条件：G , 减小到 m in , Q达到最高。
因为增益最大，所以 m in 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。
方位也不容易。
（2）由于加
V
2
电压，因此实用起来有一定的困难。单 4 5 0
Q开关可以克服上述缺点。
三、单块单4 5 0 电光开关
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 4 5 0 Q开关相当于带一个偏振器 的Q开关。
(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：
dn d t
2n 21
d
d t
n 21
此阶段主要是产生光子。要使光子增长的快
d
d
d t >0, 而且 d t 大好。
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，
式中
I0J02() I1J1 2()
2 nl 2 H Ln 6 P s3 2P s 2 H LM 2P s
I1
Ii
sin2( )
2
光通过声光介质产生的相位延迟 由 P s 决定
锁模技术
5.碰撞锁模
碰撞锁模是当今用于产生脉宽短于100f民且输出稳定的超短脉冲的最好 方法。在环行腔内，分别沿顺时针和逆时针方向传播的两路光脉冲 恰好在可饱和吸收染料处相撞，在该处形成驻波，因而造成可饱和吸 收介质上下能级间粒子数的空间分布，称之为粒子数分布“光栅”，由于 介质的折射率与其能级间的粒子数分布有关，介质内便会形成折射率的空 间周期分布。在形成“光栅”的过程中，两个光脉冲的前浩能量被吸收， 由于可饱和吸收介质的弛豫时间较脉冲本身的弛豫时间长得多，故脉冲后 沿通过可饱和吸收介质时，粒子数分布光栅的调制度仍然很高，光脉冲的 后沿便经受了较强的后向散射。这样，光脉冲的前后沿都受到削弱，经受 多次循环，结果光脉冲可以压缩得很窄，一般比被动锁模的光脉冲的宽度 要窄3-4倍，从而可获得looPs、100mw量级且稳定度高达1%的锁模脉冲输出。
动锁模那样稳定性高，实现锁模的激发机率仅60~70%，主要适用于脉冲工 作方式的锁模。
3.同步泵锁模
同步泵浦锁模激光器，是采用一台锁模激光器脉冲序列，泵浦另一台 激光器，通过调制腔内增益的方法获得锁模。 实现同步泵浦锁模的关键是，使被泵浦激光器的谐振腔长度与泵浦激 光器的谐振腔长度相等或是它的整数倍。 在一定的条件下，增益受到调制．其调制周期等于光在谐振腔的循环 周期。与损耗调制类似，在最大增益时域内形成一短脉冲，其脉冲宽度比 所用的泵浦脉冲宽度窄得多。 同步泵浦锁模对染料激光器具有实用意义，因为染料具有很宽的增益 线宽(1013~1014 Hz)，同步泵浦染料激光器产生的超短脉冲的频率在整个光 谱范围内连续可调。
在环行腔内分别沿顺时针和逆时针方向传播的两路光脉冲恰好在可饱和吸收染料处相撞在该处形成驻波因而造成可饱和吸收介质上下能级间粒子数的空间分布称之为粒子数分布光栅由于介质的折射率与其能级间的粒子数分布有关介质内便会形成折射率的空间周期分布
调Q技术与锁模技术
結束 放映
結束 放映
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
突然將器件的閾值調低，那麼累積在上能階的大 量粒子，便雪崩式地躍遷到雷射下能階，在極短 的時間內將儲存的能量釋放出來，而獲得峰值功 率極高的雷射脈衝輸出。 由雷射原理可知，雷射器振盪的閾值條件，可表 g 1 示為 nth (6.2) A21 c g為模式數，A21為自發輻射機率， c 為光子在腔內 的壽命。 因為 c＝Q/2 ν ， g 2ν nth A21 Q (6.3)
閾值反轉粒子數密度與共振腔的品質因數Q成反 比。調節器件的振盪閾值，就是調節共振腔的品 質因數Q，調節共振腔的損耗。因而，將這種獲 得巨脈衝的技術叫做調Q技術或Q開關技術。
結束 放映
共振腔一般有5種損耗，即反射損耗（記為 1）、 吸收損耗（記為 2）、衍射損耗（記為 3）、散 射損耗（記為 4）和輸出損耗（記為 5）。共振 ＋ 4 腔的總損耗為各項損耗之和(δ＝ ＋ ＋ 2 3 1 ＋5 )。
結束 放映
二、共振腔的品質因數Q 在電子技術中，用Q值來描述一個共振回路品質的高 低。在雷射技術中，用Q值來描述一個共振腔的品質， 稱其為共振腔的品質因數。 共振腔的品質因數Q定義為
腔內儲存的雷射能量 Q 2 v0 每秒損耗的雷射能量
結束 放映
如果腔內儲能用E表示，光在腔內傳播一個單程 的能量損耗率用δ表示，則光在腔內走一個單程 的能量損耗為 E 。設共振腔腔長為L，腔內介 質折射率為n，則光在腔內傳播一個單程所需時 間t 為nL/c，光在腔內每秒損耗的能量為 E /t＝ E c/nL。共振腔的品質因數Q可表示為
結束 放映
結束 放映
結束 放映
在圖6.4所示過程中，有三個特殊的時刻值得注意： Q值階躍上升的時刻(t＝t0)：在這一時刻，雷射振盪 開始建立，此時反轉粒子數密度Δn＝Δni。
4激光打标设备Q开关工作原理(精)
College
激光打标设备Q开关工作原理
作业
1、Q开关中石英晶体的折射率被（ ）所改变？
A 超声波 C 光子
A YAG激光打标机 C CO2激光打标机 答案： 1、A 2 、A
B 电流
2、下列使用Q开关最广泛的激光打标机是？ B 光纤激光打标机
Xianning Vocational Technical
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激光打标设备Q开关工作原理
知识回顾：激光的发生？
大部分激光发生器发射出的激光均为连续光，但我们打标的 图案往往不是连续图形——这就需要对光路进行需要锁光
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激光打标设备Q开关工作原理
01 Q开关的作用
压缩脉冲宽度，提高峰值功率。
《激光成套设备与维护》课程
激光打标设备Q开关工作原理
主讲教师：罗易
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激光打标设备Q开关工作原理
教 学 目 标
一
二
了解Q开关的组成结构
了解Q开关的作用
三
了解Q开关的工作原理
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作用
Q开关作为激光设备的一个主要部件。 简单来讲Q开关在激光设备中就是一ng Vocational Technical
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激光打标设备Q开关工作原理
02 Q开关的结构组成
Q开关元件主要由石英晶体， 压电换能器，阻抗匹配元件， 射频插头和壳体组成。
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激光打标设备Q开关工作原理
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3
激光Q开关技术概论
连续激光器
连续激光器 按激光器运转方式 脉冲激光器 长脉冲激光器
t0 s
t0 s
t0 : 激励持续时间
s : 激光上能级寿命
4
激光Q开关技术概论
连续激光器
以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激 光器和半导体激光器均属于此类。连续激光器输出功率一般比较 低，适合于要求激光连续工作（激光通信、激光手术灯）场合。
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。
8
激光Q开关技术概论
调Q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方法有电光调Q、声光调Q和饱和吸收调Q等； 前两种方法中谐振腔损耗由外部驱动源控制，称为主动调
6
激光Q开关技术概论
脉冲激光器输出特点
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；
在泵浦灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间较早，结束较
晚，整个激光脉冲宽度很宽；
激光脉冲不够平滑。
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。
9
电光Q开关原理及技术
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，
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。
13
电光Q开关原理及技术
电光Q开关技术特点
开关时间短(约 10-9s )，属快开关类型，适用于脉冲激光器，是目
前使用最广泛的一种Q开关；
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。
14
声光Q开关原理及技术
声光介质
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。光束射经此介质时发生衍射，一部 分光偏离原来方向。
7
激光Q开关技术概论
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；
长脉冲激光器
泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。
脉冲激光器
具有较大的输出功率，适用于激光打标、切割、测距等。常见的 脉冲激光器有钇铝石榴石激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、 氮分子激光器和准分子激光器等。
5
激光Q开关技术概论
脉冲激光器工作原理
脉冲激光器中，在泵浦激励过程中，当工作物质中反转粒子数密
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 ；
经过晶体长度 d 距离后，二偏振分量产生了相位差 ；
12
电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
当 =/2 时，所需电压称作四分之一波电压，记作 V/4；电光晶
声波波长
光波波长
获得高衍射效率的方法：提高超声驱动功
17
声光Q开关原理及技术
声光开关原理
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，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。
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
最常用的电光晶体主要有KH2PO4、LiTaO3、LiNdO3等
10
电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
11
电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
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
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 x′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
光电子技术基础
授课班级: 1006131 授课教师: 1006211、1006221、2006231、 左青卉
1
主要内容
第四章：激光Q开关及锁模技术
1 激光Q开关技术概论
2 电光Q开关原理及技术
3 声光Q开关原理及技术
4 锁模技术
2
激光Q开关技术概论
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
常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。
15
声光Q开关原理及技术
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 。
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声光Q开关原理及技术
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
度 n 增加到阈值nt时就产生激光，形成第一个激光尖峰；
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，反转粒子数 n 迅速下降，直到 n 低于阈值 nt 时，激光 振荡迅速衰减；
然后泵浦的抽运又使上能级逐渐积累粒子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。