第二章激光单元技术之调Q实验
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。
激光调Q演示文稿16页
★发展阶段 此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构 及运动规律有了更深入的认识，微观粒子的能级分布、跃迁和光 子辐射等问题也得到了更有力的证明，这也在客观上更加完善了 爱因斯坦的受激辐射理论，为激光器的产生进一步奠定了理论基 础。20世纪40年代末，量子电子学诞生后，被很快应用于研究电 磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器 件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条 件。 如果一个系统中处于高能态的粒子数多于低能态的粒 子数，就出现了粒子数的反转状态。那么只要有一个光子引发， 就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子， 这两个光子又会引发其他原子受激辐射，这样就实现了光的放大； 如果加上适当的谐振腔的反馈作用便形成光振荡，从而发射出激 光。这就是激光器的工作原理。1951年，美国物理学家珀塞尔和 庞德在实验中成功地造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的 受激辐射。稍后，美国物理学家查尔斯·汤斯以及苏联物理学家 马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理 来产生和放大微波的设计。
激光器能发射激光的装置，英文名laser，全拼Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation。
1.1.2激光器原理
除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激 光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少 的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。 激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转 创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作 介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中 常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（ 见光学谐振腔）并非必不可少 的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从 而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质 的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模）， 所以一般激光器都具有谐振腔。
实验报告——调Q YAG激光器实验
实验报告——调Q YAG 激光器实验实验时间：2017.03.07一、实验目的1、掌握3:Nd YAG +激光器的工作原理2、学习并掌握3:Nd YAG +激光器调整技术3、学习声光调Q 3:Nd YAG +激光器的工作原理4、掌握声光调Q 实验技术，学习nm 量级激光脉冲测量方法5、学习腔外倍频实验技术二、实验原理1.掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石(3:Nd YAG +)是一种典型的四能级激光工作物质，由于它的热传导性好;激光阈值低和转换效率高，所以用它可作成连续激光器和高重复频率的脉冲激光器。
YAG 激光器可输出几种波长，其中最强的为1.06μm 。
如果采用调Q 、倍频技术，则可获得波长为532nm 的脉冲激光。
这种以3:Nd YAG +激光器为基础的脉冲激光系统以其高峰值功率、高重复频率和宽波长调谐特性等优点而得到了广泛的应用。
2. YAG 激光器的结构图1为典型的3:Nd YAG +激光器示意图。
其中包括YAG 棒；泵浦灯（连续运转的氪灯两个）；Q 开关和光学谐振腔。
YAG 晶体棒3:Nd YAG +激光器的工作物质是一种人工晶体，它的基质是钇(Y)铝(Al)石榴石(G)，其分子式为3512Y Al O 。
晶体在高温的过程中掺入氧化钕，用提拉法制成。
钕就以三价正离子的形式存在于YAG 的晶格中，掺钕量约为1%。
通常3:Nd YAG +晶体被加工成 φ6mm ×100mm 左右的圆棒状，两端磨成光学平面，平面的法线与棒轴有一个小夹角，面上镀有增透膜，能承受高的功率密度，棒的侧面全部“打毛”，以防止寄生振荡。
激励泵浦源YAG 激光器可用多种光源作为激励泵浦源，连续YAG 激光器常用氪灯和碘钨灯为泵浦源，脉冲YAG 激光器常用脉冲氙灯为泵浦源。
因为这些灯的辐射光谱与YAG 棒晶体的吸收光谱匹配较好。
如图1所示，泵浦用的氪灯做成和YAG 棒长度相近的直管形，以便达到最佳的耦合。
两氪灯串联后，外接直流电源。
第2章调Q(Q开关)技术
Devices杜晨林深圳大学电子科学与技术学院第二章调Q（Q开关）技术技术和锁模技术是获得高峰值功率窄脉宽激⏹调Q技术和锁模技术是获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的常用技术；Q术获得秒宽⏹调技术一般可以获得纳秒量级脉宽、MW（106W）量级峰值功率的激光脉冲；⏹锁模技术一般可以获得皮秒、飞秒脉宽，峰值功率可达TW（1012W）量级。
调技术的基本概念和基本论主要内容一、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.可饱和吸收调Q ；4.转镜调Q 。
212.1 概述⏹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。
⏹现在，欲要获得峰值功率在兆瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难。
Q开关技术拓宽了激光器的应用领域⏹Q开关激光脉冲非常强的相干辐射光与物质相互作用，产生了一系列具有重大意义的新现象和新作用产生了系列具有重大意义的新现象和新技术如非线性光学的出现；技术，如非线性光学的出现；⏹Q开关激光脉冲非常短的脉冲宽度也推动了诸如激光测距、激光雷达、高速全息照相等应用技术的发展。
的发展2112.1.1 脉冲固体激光器输出的弛豫振荡将普通脉冲固体激光器（如闪光灯泵浦激光器）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。
产生弛豫振荡的主要原因腔内光子数和粒子反转数随时间的变化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。
【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。
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
激光实验-被动调Q讲义.
被动调Q激光器一、实验目的：1、学会被动调Q的原理及方法；2、了解Cr4+：YAG晶体调Q激光器装置，掌握其测试方法；3、了解被动调Q开关性能参数对激光参数对输出特性的影响。
二、实验原理：自由振荡激光器的输出为序列无规尖锋，激光功率较低，限制了它的使用价值，人们在激光谐振腔内插入Q开关，以急速改变腔损耗的方法即可获得持续时间短，峰值功率高的激光巨脉冲。
光学谐振腔的Q值与单程损耗及阈值反转粒子数密度成反比，即Q值低的腔表征着腔的损耗大，激光振荡的阈值反转粒子数密度高。
Q值高的腔损耗小，阈值反转粒子数密度低。
调Q技术是用某种方法先使腔在高损耗状态达到反转粒子数大量积累，然后突然降低损耗，激光器就在增益远超过损耗的状态下，急速建立激光振荡，将工作物质中储存的能量在极短的时间内释放出来，形成所谓的巨脉冲。
如图1所示，用一个简单的染料盒作Q开关的激光器，它不需要电机或电源，也没有任何复杂的机械装置，它的结构简单、体积小、重量轻、使用操作简便、维修少、经济耐用，由于这些优点，使其已广泛应用在军用激光器和一些科研用激光器中。
自从出现了染料Q开关以后，人们把需要外加信号控制的Q开关如转镜、电光或声光Q开关称为“主动Q开关”，把染料这类无需外加控制的Q开关成为“被动Q开关”。
1．被动Q开关工作原理图1. 染料盒Q开关激光器基本原理：被动Q开关是利用某些物质对光的可饱和吸收效应自动实现激光器的Q突变的。
用作被动Q开关的材料通称为可饱和吸收体。
可饱和吸收体对光的饱和效应，表现为其吸收系数α随入射光强I 的增加而下降，其一般关系式为：)(10S I I +=αα （1）式中 0α——吸收体在入射光强I=0时的吸收系数。
I s ——吸收体的饱和光强，在该光强的α减小到20α，认为此时吸收体开始“漂白”。
光学上薄的可饱和吸收体，饱和光强可表示为：s s s hv I τσ= （2） 式中s σ为吸收中心的截面，s τ为受激态的有效寿命。
激光调Q原理与技术PowerPoint演示文稿
氙灯
U 2
x y z 45
LN 全反镜
45
12
13
• 当 =/2 时，所需电压称作四分之一波电压 ，记作V/4；电光晶体上施以电压 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。
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电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
15
5
电光调Q装置示意图
6
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ห้องสมุดไป่ตู้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
7
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
若=45，则出射椭圆偏振光变为圆偏振光
9
7、常用电光晶体工作模式
(1)磷酸氢钾(KDP) 电场与光传播方向都沿z轴(纵) 两本征偏振光方向分别沿x、y
(2)铌酸锂(LN) a)电场沿x轴，光传播方向沿z轴(横) 两本征偏振光方向分别沿x、y b)电场沿y轴，光传播方向沿z轴(横) 两本征偏振光方向分别沿x、y
10
二、电光调Q工作原理
第2章 调Q技术
E2
弛豫振荡产生的物理过程
如图2.1-2所示，在弛豫振荡过程中粒子反转数△n 和腔内光子 所示，在弛豫振荡过程中粒子反转数△ 和腔内光子 如图 所示 粒子反转数 的变化， 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 的变化 在 时刻之前， 泵浦作用，粒子反转数△ 增长 但尚未到达阈值 增长， 阈值△ 泵浦作用，粒子反转数△n增长，但尚未到达阈值△nth因而不能 形成激光振荡。) 形成激光振荡。
7
弛豫振荡产生的物理过程
第三阶段(t 第三阶段 3一t4)： ： △n ＜ △nth ，增益小 于损耗，光子数密度Φ 于损耗，光子数密度 减少并急剧下降。 减少并急剧下降。
Hale Waihona Puke 第四阶段(t 第四阶段 4一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用， ：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用， 于是△ 又开始回升 又开始回升， 时刻△ 又达到阈值 又达到阈值△ 于是△n又开始回升，到t5时刻△n又达到阈值△nth ，于是又开始产 生第二个尖峰脉冲。 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。 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。 尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小 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。 8
4
产生弛豫振荡的主要原因
当激光器的工作物质被泵浦， 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 泵浦 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。 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。 激光的发射， 随着激光的发射 上能级粒子数大量被消耗， 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， 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， 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， 当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如 此不断重复上述过程， 此不断重复上述过程，直到泵浦停止才 结束。 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。 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， 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。 而只会使小尖峰的个数增加。 泵浦 E1
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
第2章调Q技术- 激光技术- 第二章
2．简化的结构： Vλ 前面的结构在晶体上加 2 ，对于KDP来说 =10000V，给电路带来不便。腔内插入两个偏振 片，增加插入损耗，改进结构。晶体上加 V λ4 ：从 YAG来的光通过P变成x(y)方向振动的光，通过 KDP时，分成x’(y’)方向振动的光，加 V λ4 ，两束光 π ϕ= 的相位差 。出射晶体以后，合成为圆偏光 2 （偏振面旋转45度），这束圆偏光通过全反射后 π 第二次通过KDP，o、e光又得到 2 相位差—— 合成为线偏光。线偏光的偏振方向和入射光的偏 振方向成90度，或者说光通过KDP两次，o、e光 的相位差 ϕ = π ，和前面的结构实际是一样的。
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。
Φ max = ∆n ∆n ∆n 1 1 ∆n 1 ∆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 d ∆n ' ∆ τ =- ∫∆nn ∆n ∆n ' ∆n ' ∆n ' δ ( 0 − + ln ) ∆nt ∆nt ∆n0
激光调Q原理与技术
• 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。
电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
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放映结束 感谢各位的批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
知识回顾 Knowledge Review
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
n n0 nr nt ne
m m
2
t
tr te
tr tp te
tp:光子数密度达到m的时刻,相 应反转粒子数密度为nt
t
tr:光子数密度升到m/2的时刻, 相应反转粒子数密度为nr
三、电光调Q激光器装置
1、带偏振器的KDP电光调Q激光器
激光
YAG
KDP
全反镜
输出镜
氙灯
偏振器
2、双45LN电光调Q激光器
激光
YAG
输出镜
氙灯
U 2
x y z 45
LN 全反镜
45
• 当 =/2 时，所需电压称作四分之一波电压 ，记作V/4；电光晶体上施以电压 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。
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:电场方向射率差
电光调Q实验讲义
电光Q 开关技术一、实验目的：1、理解电光调Q 的基本原理；2、了解退压式电光调Q 的原理及方法；3、学会电光Q 开关实验装置的调试；4、掌握相关技术参数的测试方法。
二、实验原理：调Q 技术的发展和应用，是激光发展史上的一个重要突破。
一般的固体脉冲激光器输出的光脉冲，其脉冲持续在几百s μ甚至几ms ，其峰值功率也只有kW 级水平，因此，压缩脉宽，增大峰值功率一直是激光技术所需解决的重要课题。
Q 技术就是为了适应这种要求而发展起来的。
1. 调Q 基本概念用品质因数Q 值来衡量激光器光学谐振腔的质量优劣，是对腔内损耗的一个量度。
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cnL 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。
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1961年底，邓锡铭几乎与国外同 时，独立提出了高功率激光Q开关原 理。他非常形象 地解释：把Q开关比 喻为一个稍有漏水(自发辐射跃迁)的 抽水马桶，当水箱被灌(光泵注入能量) 满之后水箱底部的盖快速揭开(Q值突 变)，水(激光能量)就一涌而出(激光峰 值功率输出)。采用调Ｑ技术很容易获 得峰值功率高于兆瓦、脉宽为数十个 纳秒的激光巨脉冲。
染料调Ｑ结构简单，使用方便，没有电的干扰，但是它是一种被动式Ｑ开关， 产生调Ｑ脉冲的时刻有一定的随机性，不能人为的控制。另外，由于饱和吸收时的 透过率也不是100%，故有一定的光学损耗，影响调Ｑ的效率。
实验仪器
全 反 镜 电光 晶体 4 偏振片 聚光腔 输 出 镜 电光调Ｑ激光器
调Ｑ模块
镀全反 染料盒
危险物上甚至会引起火灾和爆炸。激光器泵浦闪光灯电源、触发电源和调Q电源都使用高
压电，意外触及可造成人身伤害。因此，在实验中应注意以下安全事项： 1、仪器启动后，不准向激光腔内窥视。 2、绝对禁止直接或反射的激光射入眼内，有关人员应配戴激光防护镜。 3、严禁学生实验时打开电源箱外壳，以防剩余电压伤人或损伤仪器。 4、激光器工作时随时注意仪器的运转情况，特别是循环水的流动与否和电源放电声音是 否正常。遇异常情况，请迅速关机；待查明异常情况原因并排除后再行开机工作。
②保持输入能量不变的情况下，将BDN染料盒换成1.06m的全反镜，调整
输出最佳，像纸取光斑观察，然后测量三次取平均，即静态输出激光能量。
③数据处理与电光调Q同。
用于测量激光能量的激光功率能量计
注意事项
脉冲Nd:YAG激光器辐射的激光功率非常高，使用过程中稍有不慎，激光束就会损 伤身体或物品，轻则烧坏衣物，烧伤皮肤，重则造成眼睛永久性失明；如果照射到某些
调制电压 4
损耗高 损耗低
输出巨脉冲 不能振荡
输 出 镜 聚光腔 YAG 晶体棒
偏振片
4
电光 晶体
全 反 镜
……
脉冲氙灯
调Ｑ模块 激光电源
加压式调Ｑ示意图
染料调Ｑ（被动调Ｑ）
工作原理：是利用染料的饱和吸收（光漂白）作用 控制谐振腔的 损耗。
中心频率处染 料吸收系数 ：
0
1 I Is
聚光腔
输 出 镜
染料调Ｑ激光器
电光晶体LiNbO3 （铌酸锂） 外加电场方向与光轴及光束方 向相垂直 本实验中电光晶体的电源采用 的是加压式电源。
激光电源为YAG激光器提供高电压及其它控制电压
实验内容及步骤
1、谐振腔的调试
在激光工作物质两端安放两个介质反射膜片构成固体激光器的谐 振腔。要使激光器能正常工作，必须将两介质膜片及激光工作物质调 到共轴。我们使用He-Ne激光束调整激光器。
转镜调Ｑ
目 前 的 调 Ｑ 技 术
电光调Ｑ
声光调Ｑ
染料调Ｑ
……
电光调Ｑ（主动调Ｑ）
电光调Ｑ开关通常也称为普克尔盒开关，它的基本原理是利用 某些单轴晶体的线性电光效应，使通过晶体的光束的偏振状态发生 改变，从而达到接通或切断腔内振荡光路的开关作用。 线性电光开关基本上又可分为两类：一类是利用KD*P(磷酸二 氢钾）型晶体的纵向线性电光效应，即光束方向及外加电场方向均 与晶体光轴同向；另一类是利用LiNbO3 （铌酸锂）型晶体的横向 线性电光效应， 即光束与晶体光轴同向，而外加电场方向与光轴 及光束方向相垂直。 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。
调Q实验
历史背景
研究意义
调Ｑ原理和方法 实验仪器 实验内容
注意事项
思考与讨论
历史背景
1960年5月休斯实验室的梅曼（C．M．Maman）采用红宝 石晶体做激光器的工作物质，用氙灯做泵浦源，制成了世界上第 一台激光器．
激光问世不久， 1961 年就有人提出了调 Q 的概念，即设想 采用一种方法把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射； 1962 年 ，制成了第一台调 Q 激光器，输出峰值功率为 600 千瓦，脉冲宽 度为 10 -7 s 量级；随后的几年发展得非常 快，出现了多种调 Q 方法（如电光调 Q 、 声光调 Q 、可饱和吸收调 Q 等），输出功 率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大 进展。80 年代，调 Q 技术产生脉宽为纳秒 （ ns ）量级，峰值功率为吉瓦（ GW ）量 级的巨脉冲已并非困难。
损耗高 损耗低 输出巨脉冲 不能振荡
输 出 镜 聚光腔 YAG 晶体棒 偏振片
调制电压 4
电光 晶体
全 反 镜
……
脉冲氙灯
调Ｑ模块 激光电源
退压式调Ｑ示意图
下图为加压式调Ｑ示意图，与上不同的是在晶体和偏振片间插入一块λ４ 波片。旋转λ４波片使激光器处于关门状态，当突然在晶体上施加λ４电压后， 电光晶体抵消λ４Байду номын сангаас片的作用，接通光路，产生短脉冲激光输出。
α0: 小信号吸收系数
I:光强 IS:饱和光强
0
I Is
吸收系数随光强变化的曲线
染料调Ｑ示意图
输 出 镜
聚光腔 YAG 晶体棒
镀 全 反 染 料 盒
脉冲氙灯
激光电源
电光调Ｑ结构简单，使用寿命长，输出巨脉冲稳定，重复性好。但是此种Ｑ开 关由外加信号控制，难以实现与激光增益变化的匹配。另外。电光晶体需要几千伏 的高压脉冲，对其他电子线路易造成干扰。
将染料盒放在谐振腔中，泵浦 开始时，染料吸收大，谐振腔损耗大 ，不起振。随着激光工作物质中反转 粒子数的积累，放大的自发辐射增加 ，当光强与染料的饱和光强可比拟时 ，吸收系数显著减少。这一过程发展 到一定程度时，增益等于损耗，激光 器起振。随着激光强度的增加，染料 的吸收系数继续下降，这又促使激光 迅速增加，产生受激辐射不断增加的 雪崩过程。当激光光强增加至可以与 增益介质的饱和光强比拟时，增益系 数显著下降，最终导致激光熄灭。
适当的输入能量 下，打开加压Ｑ 开关，微调使激光输出最佳，像纸取光斑观察。然 后测出三次能量平均值，即动态激光输出能量，用示波器测量脉宽（约10ns）。
②抽出/4波片，换Ｒ∽50％的输出镜，调到激光输出最佳 ，测三次 能量平均值，即静态输出激光能量。
③数据处理
动态输出激光能量 动静比 =
静态输出激光能量
调Ｑ输出激光能量
调Ｑ激光峰值功率 =
调Ｑ激光脉宽 静态输出激光能量 静态激光峰值功率 = 静态激光脉宽
(2)染料调Q
①我们取动、静态激光输出镜反射率均为Ｒ＝30％。利用He-Ne激光准值， 启动泵浦源，在适当的输入能量下，微调使激光输出最好，像纸取光斑观察， 测出三次能量平均值，即动态输出激光能量，示波器测量脉宽（∽10ns）。
调 Q 技术的出现是激光发展史 上的一个重大突破。它不仅大大推动 了一些应用技术的发展且成为科学研 究的有力工具。
邓锡铭
在示波器上观察的调Ｑ后的巨脉冲
调Ｑ原理和方法
n
ni
Nm
N
nt
0
tp
t
通过某种方法，使谐振腔的损耗δ(或 Ｑ值）按照规定的程序变化，在光泵激励刚 开始时，先使光腔具有高损耗δH, 激光器由 于处于高阈值而不能产生振荡，于是激光上 能级亚稳态上的粒子数可以积累到较高的水 平。当其粒子数积累到相应于泵浦而言最大 值时，使腔的损耗突然降低到δL，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，上能级贮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。
M3
He-Ne激光器
M4
小孔光阑
2、实验及测试
我们测试脉冲波形，脉冲宽度和能量，以检验调整质量。 激光器输出性能与激光输出镜的反射率有关,即存在最佳反射率Rm。一 般中小功率Nd:YAG激光器，不调Ｑ的静态激光器的输出镜反射率Ｒ∽50％， 而调Ｑ的动态激光器的输出镜Ｒ20％。 (1)加压式电光调Q ①选用Ｒ∽4％的Ｋ9玻璃片作输出镜。先将偏振片插入谐振腔内，利 用He-Ne激光进行准直，再依次插入晶体Ｑ开关和/4波片一一进行准直。 启动泵浦源、旋转/4波片使激光器输出为零或最小，即处于封死状态。在
思考与讨论
①分析固体脉冲激光器的驰豫振荡现象及其产生的原因。
②激光器输出镜的反射率对激光器输出性能有什么影响？ ③为什么加压式电光调Q优于退压式电光调Q技术? ④动静比说明什么？
山 西 大 学
物 理 实 验 中 心
郭娟 E-mail：guojuan@
研究意义
固体激光器的应用主要集中在科研与开发、加工、医疗和军 用等四个方面。在科研与开发方面，涉及面很广，包括作核聚变 研究用的高峰值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的 超短脉冲激光器和可调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红宝石激 光器、作高速摄影用的超短脉冲激光器、测量人造地球卫星轨迹 和月球表面用的高精度激光测距仪、遥感用的激光雷达等等。 一般固体脉冲激光器由于存在驰 豫振荡现象，输出激光为一无规尖峰 脉冲序列，其总的脉冲宽度持续几百 微秒甚至几毫秒 ，峰值功率也只有几 十千瓦的水平，远不能满足诸如激光 精密测距、激光雷达、高速摄影、高 分辨率光谱学研究等的要求，正是在 这些要求的推动下，人们研究和发展 了调Q 技术。
输 出 M1 镜 YAG 晶体棒 M2
M3
脉冲氙灯 光阑 He-Ne激光器 M4
He-Ne激光束调整激光器示意图
调整时先将He-Ne激光器准直， 为方便一般附加两个反射镜M3 、 M4 。在He-Ne激光器前放置一个小孔光 阑(孔径 1mm)，使光束通过光栏。调 整M3、M4使He-Ne光束通过激光棒 中心，近端端面反射光点能通过光阑, 接着调整M2使其反射光点也通过光阑 ,最后调整M1 使其反射光点通过光阑 。这样棒和二介质膜反射镜M1、M2 都达到了同轴。一般此时就能出光， 稍作动态调整使其输出最佳。