固体激光器及其调Q工作原理
固体激光器原理
固体激光器原理固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质产生激光的装置。
它具有结构简单、体积小、效率高、可靠性强等优点，在医疗、通信、材料加工等领域有着广泛的应用。
固体激光器原理是指固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。
在固体激光器中，激光的产生是通过材料的受激辐射过程实现的。
下面将详细介绍固体激光器的原理。
固体激光器的工作原理主要包括三个过程，吸收、受激辐射和放大。
首先是吸收过程，固体激光器中的工作物质吸收外界能量，使得原子或分子处于激发态。
其次是受激辐射过程，当处于激发态的原子或分子受到外界激发能量的作用时，会发生受激辐射，产生与激发能量相同的光子，并且这些光子与外界激发能量的相位相同。
最后是放大过程，通过光学共振腔的作用，使得受激辐射的光子不断地在工作物质中来回反射，产生放大效应，最终形成激光。
固体激光器的原理中，工作物质的选择对激光器性能有着重要的影响。
常用的固体激光器工作物质包括Nd:YAG、Nd:YVO4、Ti:sapphire等。
这些工作物质具有较高的吸收截面、较长的寿命和较宽的工作波长范围，适合用于固体激光器的制作。
此外，激光器的光学共振腔结构也是固体激光器原理中的重要组成部分，它能够提供光学反馈，使得激光得以放大并输出。
在固体激光器的原理中，激光的输出特性是一个重要的参数。
激光器的输出特性包括波长、功率、脉冲宽度、光束质量等。
这些特性直接影响着激光器的应用效果和性能表现。
因此，在固体激光器的设计和制造过程中，需要对激光器的输出特性进行精确控制和调节。
总的来说，固体激光器原理是固体激光器产生激光的基本物理过程和原理。
通过吸收、受激辐射和放大三个过程，固体激光器能够产生高能量、高亮度、高单色性的激光。
固体激光器的原理为固体激光器的设计和制造提供了重要的理论基础，同时也为固体激光器的应用提供了技术支持。
随着科学技术的不断发展，固体激光器原理将会得到更深入的研究和应用，为激光技术的发展做出更大的贡献。
固体激光倍频、调Q实验
声光调Q倍频YAG激光器实验声光调制器由石英晶体、铌酸锂或重火石玻璃作为声光介质，通过压电晶体电声转换器将超声波耦合，在声光介质中产生超声波光栅，介质的折射率被周期性调制形成折射率体光栅。
在腔内采用该技术，可将连续的1064nm基频光变换成10KHz的高重复率脉冲激光，由于具有重复频率和峰值功率高的特点，可获得高平均功率的倍频绿光输出。
【实验目的】（1）掌握声光调Q连续激光器及其倍频的工作原理；（2）学习声光调Q倍频激光器的调整方法；（3）了解声光调Q固体激光器的静态和动态特性，并掌握测试方法；（4）学习倍频激光器的调整方法。
【实验原理】【实验原理】声光调Q倍频连续YAG激光器的工作原理（1）声光调Q基本原理：图1 声光调制器工作原理声光调制器是由石英晶体、铌酸锂、或重火石玻璃做为声光介质，通过电声换能器（压电晶体）将超声波耦合进去，在声光介质中产生超声波光栅。
超声波光栅将介质的折射率进行周期性调制，从而进一步形成折射率体光栅。
如图1所示。
光栅公式如下式（1）式（1）中，是声光介质中的超声波波长，为布拉格衍射角，为入射光波波长，n为声光介质的折射率。
当入射光以布拉格角入射时，出射光将被介质中的体光栅衍射到一级衍射最大方向上。
利用声光介质的这种性质，可以对激光谐振腔内的光束方向进行调制。
当加入声光调制信号时，光束偏转出腔外，不能在腔内形成振荡，即此时为高损耗腔。
在此期间泵浦灯注入给激活介质（激光晶体）的能量储存在激光上能级，形成高反转粒子数。
当去掉声光调制信号时，光束不被偏转，在腔内往返，形成激光振荡。
由于前面积累的高反转粒子数远远超过激光阈值，所以瞬时形成脉冲激光输出，从而形成窄脉宽、高能量的激光脉冲。
声光调Q激光器工作在几千周到几十千周的调制频率下，所以可以获得高重复率、高平均功率的激光输出。
（2）倍频器件工作原理：图2 倍频晶体折射率椭球及通光方向示意图由于晶体中存在色散现象，所以在倍频晶体中的通光方向上，基频光与倍频光所经历的折射率与是不同的。
固体激光器的工作原理
固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作介质的激光器，其工作原理主要包括激发态产生、增益介质放大、谐振腔构成和输出光束等几个方面。
首先，固体激光器的工作原理涉及到激发态的产生。
在固体激光器中，通常采用外部能源（如光、电、化学能等）来激发固体材料中的原子或分子，使其跃迁至激发态。
这个过程需要一定的能量输入，激发态的产生是固体激光器工作的第一步。
其次，固体激光器的工作原理还包括增益介质的放大。
在固体激光器中，激发态的原子或分子通过受激辐射的作用，向入射的光子传递能量，从而使光子的数目呈指数增长。
这一过程发生在增益介质中，增益介质通常是由稀土离子或色心等组成的晶体或玻璃材料。
另外，固体激光器的工作原理还涉及到谐振腔的构成。
谐振腔是固体激光器中的一个重要部件，它由两个反射镜构成，其中一个是部分透明的，用于输出光束。
谐振腔的作用是使激光在其中来回多次反射，从而增强激光的放大效应，最终形成输出光束。
最后，固体激光器的工作原理还包括输出光束的形成。
当激光在谐振腔中来回多次反射后，其中一部分光子会通过部分透明的反射镜逸出，形成输出光束。
这个输出光束通常具有一定的方向性和单色性，可以用于各种应用。
总的来说，固体激光器的工作原理是利用外部能源激发固体材料中的原子或分子，使其跃迁至激发态，然后通过增益介质的放大和谐振腔的构成，最终形成输出光束。
固体激光器在医疗、通信、材料加工等领域有着广泛的应用，对于推动科学技术的发展具有重要意义。
固体激光器的工作原理
固体激光器的工作原理
固体激光器是一种利用固体材料作为工作物质的激光器，它通
过激发固体材料中的原子或离子，使其产生受激辐射而产生激光。
固体激光器的工作原理主要包括激发、增益、反射和输出四个过程。
首先，固体激光器的工作原理涉及到激发过程。
在固体激光器中，通常采用激发源（如闪光灯、半导体激光二极管等）照射固体
材料，激发固体材料中的原子或离子，使其跃迁至高能级。
这种激
发过程会导致固体材料中的原子或离子处于一个高能级的激发态。
其次，固体激光器的工作原理还涉及到增益过程。
在激发过程中，固体材料中的原子或离子处于高能级的激发态，这时如果有入
射光子与其相互作用，就会引发受激辐射，从而产生激光。
这种受
激辐射会引起原子或离子从高能级跃迁到低能级，释放出更多的光子，使激光光子数目急剧增加，形成所谓的增益。
然后，固体激光器的工作原理还包括反射过程。
在固体激光器中，通常会设置一个光学反射器，用来反射激光。
这种光学反射器
可以将激光反射回固体材料中，使其在其中来回反射，增强激光的
增益效果。
最后，固体激光器的工作原理还涉及到输出过程。
在固体激光器中，设置一个输出镜，用来从激光腔中输出激光。
这种输出镜通常只透过一部分激光，反射大部分激光，使得激光可以从固体激光器中输出。
总的来说，固体激光器的工作原理是通过激发固体材料中的原子或离子，使其产生受激辐射而产生激光。
固体激光器的工作原理涉及到激发、增益、反射和输出四个过程，这些过程共同作用，使得固体激光器能够产生高能、高亮度的激光，被广泛应用于医疗、通信、材料加工等领域。
调Q(Q开关)技术
❖ 2. 单 4 5 0 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 a. 可以把电极做成矩形，使 4 5 0 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 4 5 0 Q开关的特点
(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：
dn dt
2n2Wp
(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
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 9被0P度2反。射因掉为。P1所//P以2，光所不以能，在从腔晶内体来出回来传的播光形不成能振通荡过。P这2，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
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。
2.3 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
脉冲固体激光器静态特性及染料调Q技术
激光产生原理
当光通过激活介质时会被放大，这种放大 作用的大小通常用增益系数G 来描述，它 表示光通过单位长度激活介质后光强增长 的百分比。 光通过激活介质是会有损耗，损耗的大小 可以用损耗系数 来表示，它表示光通过 单位长度激活介质后光强下降的百分比。 当增益大于损耗时，激光器能够产生自激 振荡，形成激光输出。
问题及讨论
1.激光器在静态和动态运行时,在脉宽和能量 上有什么区别?引起的原因是什么? 2. 在调Q的过程中,染料片的透过率是如何变 化的? 3. 为什么激光器的输出镜存在一个最佳的透 过率?在实验中,你是如何确定这个最佳透过 率的.
静态固体激光器输出特性
一般结构的固体激光器称为静态激光器。 大量实验表明，脉冲泵浦的静态固体激光 器输出是由一连串不规则振荡的尖峰脉冲 构成的，这种现象称为激光的驰豫振荡。
出功率，在一些 要求高峰值功率和窄脉宽激光输出的应用中无法 使用。 采用调Q可以容易地获得峰值功率高于兆瓦，脉 宽为几十纳秒的激光巨脉冲。 调Q技术是通过某种方式使激光谐振腔的Q值产生 突变，使受激辐射在很短的时间内建立并达到最 大值。 常用的调Q方法有电光调Q、声光调Q和染料调Q， 本实验采用的是染料调Q技术。
Nd:YAG晶体能级图
在本实验 中激光器 工作在 1064nm波 长，Nd3+ 在各个能 级间跃迁 如右图所 示。
激光产生原理
在平衡状态，激光上能级粒子数小于下能 级粒子数，因此不能形成光放大。 在外界激励下，可以使激光上能级粒子数 大于下能级粒子数，从而形成粒子数反转 分布。 处于粒子数反转分布状态的物质称为激活 介质。
染料调Q技术原理
染料Q开关是利用有机染料的饱和吸收特性形成的。 有机染料是一种非线性吸收介质，在弱光时吸收系数高， 在较强激光作用下由于吸收饱和而对激光透明（又称漂白 效应）。 将染料薄膜放置于谐振腔中，在光泵激励刚开始时，工作 物质发出较弱的荧光，染料吸收很强，Q值很低，粒子在 上能级积累，反转粒子数大大提高。 当腔内工作物质的荧光变强时，染料的吸收达到饱和值， 光可以全部透过，这时，腔内Q值升高，形成巨脉冲输出。 当反转粒子数被消耗掉后，腔内光强下降，染料吸收再次 上升，腔内Q值下降，开始一个新的循环。
激光器的组成,调Q讲解
激光器一般由三个部分组成，固体激光器也不例外：（1）.工作物质这是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。
目前，激光工作物质已有数千种，激光波长已由X光远至红外光。
例如氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子的两个能级实现粒子数反转；（2）.激励能源（光泵）它的作用是给工作物质以能量，即将原子由低能级激发到高能级的外界能量。
通过强光照射工作物质而实现粒子数反转的方法称为光泵法。
例如红宝石激光器，是利用大功率的闪光灯照射红宝石（工作物质）而实现粒子数反转，造成了产生激光的条件。
通常可以有光能源、热能源、电能源、化学能源等。
（3）.光学共振腔这是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行；二是不断给光子加速；三是限制激光输出的方向。
最简单的光学共振腔是由放置在氦氖激光器两端的两个相互平行的反射镜组成。
当一些氖原子在实现了粒子数反转的两能级间发生跃迁，辐射出平行于激光器方向的光子时，这些光子将在两反射镜之间来回反射，于是就不断地引起受激辐射，很快地就产生出相当强的激光。
这两个互相平行的反射镜，一个反射率接近100%，即完全反射。
另一个反射率约为98%，激光就是从后一个反射镜射出的。
激光器主要由三部分组成：工作物质、激励能源、谐振腔（共振腔）。
如图：红宝石激光器的基本结构。
——固体激光器一般采用光激励源。
工作物质多为掺有杂质元素的晶体或玻璃。
最常见的固体激光器有红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器等，固体激光器输出能量高，小而坚固，在激光加工、激光武器等方面有重要应用。
激光调Q 的基本原理调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。
在泵浦开始时使腔处在低Q值状态，即提高振荡阈值，使振荡不能生成，上能级的反转粒子数就可以大量积累，当积累到最大值（饱和值）时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内的光能量，在腔的输出端以单一脉冲形式将能量释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出。
第七讲 激光技术二：调Q技术
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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
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（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。
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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。
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（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
【精品】电光调Q技术
实验八 电光调Q 技术一、实验目的1.掌握固体激光器中电光调Q 技术的基本原理；2.掌握调Q 激光器输出能量、脉冲宽度等主要指标的测量方法；3.了解影响电光调Q 效果的因素，并掌握调试技术。
二、实验原理一般不加调Q 技术的固体激光器输出的激光脉冲是由一系列强度不等尖峰脉冲序列组成的。
这种输出特性称为激光的弛豫振荡，脉冲的峰值功率约为几十千瓦量级，总的脉冲宽度为毫秒量级。
为了提高固体激光器输出激光脉冲的峰值功率，需要采用调Q 技术。
采用此技术脉冲输出峰值功率可达几十兆瓦以上。
目前电光调Q 技术是较常用的调Q 技术。
由晶体光学可知，KD *P 晶体在Z 轴方向的电场作用下三个感应主折射率为：E n n n x 6330021'γ-= E n n n y 6330021'γ+= e z n n =式中n 0为O 光折射率，n e 为E 光折射率，γ63为光电系数，E 为z 方向电场强度，沿z 方向入射的线偏光进入长度为e 晶体后，沿新主轴x ′、y ′方向分解相互垂直的偏振分量，并产生相位差：ZX y x V n l E n l n n 63306330''22)(2γλπγλπλπϕ∆=⋅=⋅-= 式中V Z 是沿z 方向加在晶体上的电压，当通过晶体的光波波长确定后，相位差 Δϕ只取决于外加电压V Z 。
当位相差为π弧度时所需要的电压称为“半波电压”，用V λ/2表示；当相位差为π/2弧度时所需要的电压称为“四分之一波电压”用 V λ/4表示，即：63304/4γλλn V = 对于KD *P 晶体：n 0=1.51 r 63=23.6×10-12m/VT 1 小孔光栏 He-NeT 2 图8-1 电光Q 开关红宝石激光器示图光电调Q 红宝石激光器如图8—1所示，由反射镜M 1和M 2构成激光谐振腔，其中M 2为部分反射镜；R 为60°生长红宝石激光晶体（即晶轴与光轴成60°角）；KD *P 为磷酸二氘钾电光晶体，由于KD *P 晶体易潮解，因此密封在晶体盒内。
Nd-YAG 固体激光器电光调Q、倍频实验讲义
Nd:YAG 固体激光器电光调Q、倍频实验一、 实验目的1. 掌握电光调Q 的原理及调试方法；2. 学会电光调Q 装置的调试；3. 掌握相关参数的测量。
二、 实验原理1. 调Q 技术原理调Q 技术中，品质因数Q 定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表示为： 每秒钟损耗的激光能量腔内贮存的激光能量02πν=Q （1） 式中0ν为激光的中心频率。
如用E 表示腔内贮存的激光能量，γ为光在腔内走一个单程能量的损耗率。
那么光在这一单程中对应的损耗能量为E γ。
用L 表示腔长；n 为折射率；c 为光速。
则光在腔内走一个单程所需要时间为。
c nL /由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为c nL E /γ这样，Q 值可表示为γλπγπν002/2nL nL Ec E Q == （2）式中00/νλc =为真空中激光波长。
可见Q 值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大Q 值就低；损耗小Q 值就高。
固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率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。
如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。
当积累到最大值（饱和值时），突然使腔内损耗变小，Q 值突增。
这时，腔内会象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在透反镜端耦合输出一个极强的激光脉冲。
在这个过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，但是，如果调Q 器件设计及调整得不好也会导致多脉冲出现。
所以，输出光脉冲脉宽窄，峰值功率高。
通常把这种光脉冲称为巨脉冲。
调节腔内的损耗实际上是调节Q 值，调Q 技术即由此而得名。
也成为Q 突变技术或Q 开关技术。
谐振腔的损耗γ一般包括有：54321αααααγ++++= （3）其中1α为反射损耗；α2为吸收损耗；α3为衍射损耗：α4为散射损耗；α5为输出损耗。
激光原理4
激光调Q技术4.6 Q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中发射，从而使光源的。
峰值功率可提高几个数量级的一种技术。
调Q技术的目的：压缩脉冲宽度，提高峰值功率。
普通的脉冲激光器,光脉冲的宽度约在ms级，峰值功率也只有几十kW。
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。
/2814.6.2 调Q原理一. 脉冲固体激光器的输出特性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等。
(b)所示观察红宝激光输灯泵浦持续时间相等。
图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。
高福斌/285产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，而发射激光。
随着激光的发射，上能级粒，。
，子数大量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阈值时，激光振荡就停止。
这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数振荡就停止这时由于光泵的继续抽运上能级粒子反转数重新积累.当粒子反转数再次超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。
每个尖峰脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低。
增，大泵浦能量也无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。
/286弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2来描述。
它示出了在弛豫振荡过程中粒子反转数Δn和腔内光子数Φ的变化，每个尖时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转峰可以分为四个阶段(在t1因而不能形成激光振荡。
)数Δn增长，但尚未到达阈值Δn阈图2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化高福斌/287第一阶段(t 1−t 2)：激光振荡刚开始时，Δn ＝Δn 阈，Φ＝0；由于光泵作用光泵作用，反转粒子数密度Δn 腔内光子数密度Φ ↑反转粒子数密度Δn >转粒数密度↑由于Δn 减小的速率小于泵浦使Δn 增加的速率，因此Δn 一直增加到最大值。
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。
固体激光器原理及应用
固体激光器原理及应用固体激光器是利用固体激光介质从激光管出射激光，其工作原理是通过在固体激光介质内注入能量激发原子或分子，使其处于激发态，当原子或分子从激发态跃迁至基态时，会放出激光辐射。
固体激光器具有输出功率高、波长选择范围广、重复频率高等优点，被广泛应用于材料加工、医学美容、通信、军事等领域。
固体激光器的工作原理如下：首先，通过外部能源（例如光或电）将能量输入到固体激光介质中，使其处于激发态。
当原子或分子处于激发态时，会发生跃迁，从而放出激光辐射。
这些激光光子在激光放大器中被不断放大，最终形成高功率的激光束。
通过激光输出装置，我们可以获得所需波长、功率和脉冲宽度的激光。
1.材料加工：固体激光器在材料加工领域有着重要的应用，可以用于切割、打孔、焊接、表面处理等工艺。
由于固体激光器输出功率高，能够在短时间内对材料进行高效加工，因此在工业生产中得到广泛应用。
2.医学美容：固体激光器在医学领域被用于皮肤治疗、脱毛、祛斑等美容项目。
激光束的高能量可以穿透皮肤表层，作用于深层组织，实现精确治疗效果。
3.通信：固体激光器在通信领域被用于光纤通信系统中，可以实现对光信号的发射、放大和调制，提高通信传输速率和距离。
4.军事：固体激光器在军事领域有着重要的应用，可以用于激光制导武器、激光测距、激光通信等领域，提高军事作战和侦察能力。
除了以上几个领域外，固体激光器还可以应用于科研、环境监测、光学仪器等领域，具有广泛的潜在应用价值。
在固体激光器的应用过程中，需要注意以下几点：1.固体激光器的稳定性：要保证固体激光器的光束输出稳定，功率均匀，波长一致，以满足各种应用的需求。
2.加强对固体激光器的保养和维护：固体激光器在长时间使用过程中会产生磨损或老化，需要定期维护，替换损坏部件，以延长使用寿命。
3.安全防护：固体激光器产生的高能量激光束对眼睛和皮肤有较强的危害性，使用时要做好防护工作，避免人员受伤。
总的来说，固体激光器在现代科技发展中扮演着重要的角色，其高功率、高功率密度和波长选择范围广等优点，使其在各个领域都有着广泛的应用前景。
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
固体激光器原理
固体激光器原理
固体激光器（Solid-State Laser）是一种利用固体激光晶体产生激光的光源，是当今应用最广泛的激光器之一。
固体激光器的工作原理源于激光晶体中光子的分子能级跃迁，即激光晶体中各能级能量由低能量状态向高能量状态跃迁，从而释放出一股脉冲激光光束。
固体激光器的结构一般包括激光晶体、反射镜、调Q器件、调Q 器件、激光泵光源等，它们配合一起使固体激光器正常工作。
在固体激光器结构中，激光晶体是最重要的组成部分，它必须具有良好的可激光性能，可用来产生与介质相匹配的激光光束。
激光晶体可以是半导体激光晶体，也可以是金属钌激光晶体，或者是其他类型的激光晶体。
反射镜是固体激光器的另一个重要组成部分，它的作用是反射激光晶体内部产生的激光光束，以便将其发射到外部。
反射镜必须具有良好的反射率，以确保光束能够被有效地发射到外部。
调Q器件是控制激光器输出功率的重要元件，它的功能是控制激光晶体内部的光子能量跃迁，从而控制激光器的输出功率。
调Q器件可以是电子调Q器件，也可以是光学调Q器件，它们可以根据实际需要进行选择。
最后，激光泵光源是给激光晶体注入能量的重要元件。
它可以是一
个激光灯或一个激光源，它的功能是将泵浦光注入激光晶体，以将其能量提升到激光输出所需的能级。
因此，固体激光器能够将由激光晶体内部的光子能量跃迁而产生的激光光束有效地发出，从而获得更高的激光能量。
它的工作原理就是将由激光晶体内的光子能量跃迁而产生的激光光束有效地发出，从而获得更高的激光能量。
固体激光器及其调Q工作原理
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产品品鉴会活 动方案
汇报人姓名
发展历程
PART 1
特点
PART 1
应用
激光器的构成
泵浦——提供能量 工作物质——受激
辐射，产生激光 谐振腔——光放大、
选模
激光器的分C O 类2
PART 1
固体激光器
PART 1
激光产生 机制
调Q
1
I Ic
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•常用电光晶体：
KDP磷酸二氢钾
BBO硼酸钡
LN铌酸锂
LGS硅酸镓镧
RTP磷酸钛氧铷
声光调Q
激光经过该声光介质，发生一级衍射，方 向偏离谐振腔，谐振腔损耗增加，高Q值
撤去超声场， 衍射消失，Q 值骤降
声波在声光介质中传播，会使 该介质折射率发生周期变化， 可视为等效位相光栅
饱 和 吸 收 调
Q
(I) 0
,合 成 为 圆 偏 振 光 ， 经 全 反 镜 P反 A射 RT， 1再 次 经 过 电 光 晶 体 ，
2
相 位 差 为 合 成 为 y 方 向 线 偏 振 光 ， 无 法 通 过 偏 振 片 。
V 4=4 n 0 3 ， 为 晶 体 两 端 所 加 调 Q 电 压 。
•电光晶体应满足以下条件：消光比高；透过率高、透光范围大； 半波（四分之一波）电压低；抗破坏阈值高；晶体防潮等。
调Q技术又叫Q开关技术，是将一般输出的连续激 光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光 源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。
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脉冲固体激光器静态特性及染料调q技术
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染料调Q技术的原理与应用
原理
染料调Q技术是一种通过调节染料激光器的腔内损耗来实现激光脉冲输出的技 术。通过快速恢复腔内的损耗，可以获得窄脉宽、高峰值的激光脉冲。
应用
在科学研究、光谱学、生物医学、光通信等领域有广泛应用，特别是在超快光 学和飞秒激光加工领域中具有重要价值。
02 脉冲固体激光器的静态特 性
激光光谱学
脉冲固体激光器的高亮度、高单色性和高相干性使其成为激 光光谱学研究的理想光源，可用于分析物质的结构和组成。
非线性光学
脉冲固体激光器能够提供高功率、短脉冲的光源，可用于研 究非线性光学现象，如光学倍频、光学参量放大等。
在工业生产中的应用
激光加工
脉冲固体激光器可用于激光切割、激 光焊接、激光打标等工业加工领域， 具有高精度、高效率和高可靠性的优 点。
激光雷达
脉冲固体激光器可用于激光雷达测距、 测速和成像，具有抗干扰能力强、测 量精度高的优点。
在医疗领域的应用
激光治疗
脉冲固体激光器可用于治疗各种皮肤疾病，如雀斑、黄褐斑等，还可用于治疗血管性疾病和肿瘤。
激光美容
脉冲固体激光器可用于改善皮肤质地、减少皱纹和美白等美容项目，具有无创、无痛、无副作用的优 点。
在激光加工领域，染料调Q技术可以 实现高精度、高效率的打标、切割和 焊接等操作。
在激光光谱学领域，染料调Q技术可 用于研究物质与光相互作用的规律， 以及痕量元素的分析和检测。
04 脉冲固体激光器的性能优 化
提高激光器效率的方法
优化光学谐振腔设计
通过改进谐振腔的结构和参数，提高光在谐振腔内的反射 和传输效率，从而提高激光器的输出功率和转化效率。
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• 电光晶体应满足以下条件：消光比高；透过率高、透光范围大； 半波（四分之一波）电压低；抗破坏阈值高；晶体防潮等。
• 常用电光晶体：
KDP磷酸二氢钾
BBO硼酸钡
LN铌酸锂
LGS硅酸镓镧
RTP磷酸钛氧铷
声光调Q
• 声波在声光介质中传播，会使该介质折射率发生周期变化， 可视为等效位相光栅
固体激光器及其调Q应用
激光器的构成
• 泵浦——提供能量 • 工作物质——受激辐射，产生激光 • 谐振腔——光放大、选模
激光器的分类
CO2
固体激光器
激光产生机制
调Q
• 调Q技术又叫Q开关技术，是将一般输出的连续激光能量压 缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光 源的峰值功率可提 高几个数量级的一种技术。
• 激光经过该声光介质，发生一级衍射，方向偏离谐振腔， 谐振腔损耗增加，高Q值
• 撤去超声场，衍射消失，Q值骤降
饱和吸收调Q
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电光调Q
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,合 成 为 圆 偏 振 光 ， 经 全 反 镜 反 射 ， 再 次 经 过 电 光 晶 体 ，
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相 位 差 为 合 成 为 y 方 向 线 偏 振 光 ， 无 法 通 过 偏 振 片 。