激光调Q技术.ppt

一、激光谐振腔的品质因数Q
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。
1.Q值定义：
Q
?
2?
谐振腔内储存的能量 每振荡周期损耗的能量
2. 品质因子Q与谐振腔的单程总损耗的关系
光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为 I
而 I (t) ? N(t)h?
?
0
I0 c
?
exp(? a总z)
?
I0
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，当低于阀 值时，激光振荡就停止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新 积累，
当超过阈值时，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。
E2
E1
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△n 和腔内光子数Φ的变化，每个尖峰可以分 为四个阶段 (在t1时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数△n增长， 但尚未到达阈值△n阈因而不能形成激光振荡。)
图2 腔内光子数和粒子反刚开始时，△n＝ △n阈， Φ ＝0；由于 光泵作用， △n继续增加，与此同时，腔内光子数密度Φ也开始增 加，由于Φ的增长而使△n减小的速率小于泵浦使△n 增加的速率， 因此△n一直增加到最大值。
第二阶段(t2一t3) ： △n 到达最大值后开始下降， 但仍然大于△n阈 ，因此 Φ 继续增长，而且增长 非常迅速，达到最大值。
5.4 激光调 Q 技术
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.
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。
二、调 Q原理
1. 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。
（1） 通过改变Q值——改变阈 值，控制激光产生的时间。
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)表示腔的Q值是时间的阶 跃函数(蓝虚线)；
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。
在泵浦过程的大部分时间里谐振 腔处于低Q值状态，故阈值很高 不能起振，从而激光上能级的粒 子数不断积累，直至 t0时刻，粒 子数反转达到最大值△ni，在这 一时刻，Q值突然升高(损耗下 降)，振荡阈值随之降低，于是 激光振荡开始建立。由于此△ni >>△nt(阈值粒子反转数)，因此 受激辐射增强非常迅速，激光介 质存储的能量在极短的时间
(一般为几十千瓦数量级)。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，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。
改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。
Q ? 2? W ? 2? P ?a总
Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突 变谐振腔的Q值(或损耗a总)来实现。
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。
3.Q开关激光器的特点
2.调Ｑ的基本原理
? n阈
?
g ?2? v
A21 Q
Q ? 2? W ? 2? P ?a总
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多的反转粒 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
图2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化
第三阶段(t3一t4)： △n ＜ △n阈 ，增益小 于损耗，光子数密度Φ 减少并急剧下降。
第四阶段(t4一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用， 于是△n又开始回升，到t5时刻△n又达到阈值△n阈 ，于是又开始产 生第二个尖峰脉冲。因为泵浦的抽运过程的持续时间要比每个尖峰 脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。 泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小
内转变为受激辐射场的能量， 结果产生了一个峰值功率很 高的窄脉冲。
（2） 两阶段 ①储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值 。
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3所示，其值始终 很小，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。
exp ?? ? ?
a总c
?
t
? ? ?
上式可以改写为光子数密度的形式
N(t)
?
N0
exp??? ?
a总c ?
t
? ?
?
?
N0
exp
??? ?
t ?c
? ? ?
体积为V的腔内存储的能量为： W ? N(t)Vhν0
每振荡周期损耗的能量为： P ? W ? N(t)Vh a总c
? c ν0
?
Q ? 2? W ? 2? P ?a总