第四章激光Q开关及锁模技术

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
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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。
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。
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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。
0 n
t n
设光在腔内往复一周的时间
0 n 0
T 2L / c , 则： E (t T ) E expi n t T
0 0 n
aaaaaaa E expi n t exp i 2 n
调由于调幅产生的相邻纵模间的能量耦合使所有纵模都具有相同
的初位相，即各纵模的相位被锁定，且相邻纵模频率间隔均等于 f=c/2L ，于是各纵模相干叠加的结果产生超短脉冲
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锁模技术
振幅调制主动锁模
我们还可以从另一角度来理解超短脉冲的形成。由于损耗调制的频
率正好是 c/2L，损耗调制的周期正好是脉冲在腔内往返一次所需 的时间 T0 ( T0=2L /c )。则调制器损耗 是周期为T0 的函数：
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。
设光信号在 t1 时刻通过调制器，并且
，则在t+T0 时刻 此信号将再次无损地通过调制器。对于 t2 时刻通过调制器的光信 号而言，若 ，则每次经过调制器时都要损失一部分能 量。这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那部分光信 号能形成振荡，而光信号的其余部分因损耗大而被抑制，因此形 成周期为 2L/c 的窄脉冲输出。
难的。
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锁模技术
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；
前采用的锁模方法可分为主动锁模与被动锁模两类 主动锁模又可分为振幅调制锁模和相位调制锁模
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锁模技术
振幅调制主动锁模
c 如果在腔内插入一个振幅调制器，其调制频率 (2 L)
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
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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
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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。
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。
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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
E (t ) E e
n 0
n
其中，各个模式的振幅 En 、初位相 均无确定关系，各 个模式互不相干，因而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。
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锁模原理
设各模式的振幅相等，则n个纵模叠加后的电矢量
E E (t ) E e
i t n n n 0
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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；
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。
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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，
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锁模技术
振幅调制主动锁模
ME ME E t E cos 2 t cos 2 f t cos 2 f t 2 2
0 0 0 0 c c
可见，调制的结果使中心纵模振荡不仅包含原有频率
的成 分，还含有频率为 0 f ，初位相不变的两个边带，边带 的频率正好等于无源腔中的邻模频率。 这就是说，在激光器中，一旦在增益曲线的某个频率 0形成 振荡，将同时激起两个相邻模式的振荡，这两个相邻模Fra Baidu bibliotek度 调制的结果又将产生新的边频，因而激起频率为 0 2 f 模 式的振荡，如此继续下去，直至线宽范围内的纵模均以同样 的相位振动起来，也就是它们的相位同时被锁定。
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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。
n 0
i 0 n t
设纵模数目是奇数，则：
E (t ) E e
2
N 1
i
0 n
t
N 1
0
2
Nt sin 2 E e t sin 2
0
iw0t
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锁模原理
光强为：
Nt sin 2 I (t ) E (t ) E (t ) E t sin 2
常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。
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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
0 n 0 0 0 n
n 是整数，则： 其中
0
E(t T ) E expi n t E (t )
0 n 0 0 0 n n 0 0
因此，E是一个以T为周期的函数。
,
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锁模原理
设各个纵模的初相位相同，
0
n 0
则：
E(t ) E e
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
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电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
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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
2 2 L 0 2 2
Nt sin 2 N 当t=0, T, 2T, …时， t sin 2
2
得到：
I (t ) N E
2 L
2
0
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锁模原理
结论
由于各纵模的相位锁定，锁模激光器可以输出一周期2L/c
的光脉冲序列；
峰值功率较未锁定时大 N倍，一般峰值功率达到几千兆瓦是不困
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 ；
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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
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声光Q开关原理及技术
声光Q开关技术特点
声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间，属快开关类型； 由于开关的调制电压只需100多伏，所以可用于低增益的连续激
光器，可获得峰值功率几百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率 巨脉冲；
声光开关对高能量激光器的开关能力差，不宜用于高能调Q激光
器。
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未加调制前，增益曲线中心附近的纵模电矢量可写为：
E t E cos t
0 c
加调制前，电矢量以频率 c 周期变化，设其按 ( 2 L) 余弦函数变化，则：
E t E 1 M cos 2ft cos 2 t
0 c
M为调制度，大小决定于调制信号的大小，将上式展开得：
0

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锁模技术
由于实际激光器为有源腔，有源腔中存在着频率牵引和频率推斥
效应，所以自由振荡的各纵模频率和调制后产生的诸边带频率有 一微小的差别，自由振荡的相邻纵模间隔不相等，诸模式的初位 相也没有确定的关系。但当二者的频率差别十分微小，边带振幅 足够强时，发生注入锁定效应，自由振荡模被抑制，或者说自由 振荡模被中心纵模的诸边带所俘获。
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。
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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
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锁模技术
相位调制主动锁模
相位调制又称频率调制。在激光器谐振腔内插入一电光晶
体，利用晶体折射率随外加电压的变化，产生相位调制。 设调制器在光通过的方向上长度L，外加调制信号电压以 角频率 m 周期变化，即：
锁模原理
多纵模叠加特性
一般非均匀加宽激光器，如果不采取特殊选模措施，
总是得到多纵模输出，相邻两个纵模的角频率差
2 ( )
q q 1 q q 1
c
L
第n个纵模的角频率
n
0
,
i 0 n t n
其中 0 是中心纵模的角频率 则：第n个纵模输出的电矢量为
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
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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
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