c4.6激光調(diào)Q技術(shù)

1、4.4 4.4 激光調(diào)制技術(shù)激光調(diào)制技術(shù)4.3 4.3 激光束的變換激光束的變換4.1 4.1 激光器輸出的選模激光器輸出的選模14.5 4.5 激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)4.6 4.6 激光調(diào)激光調(diào)Q Q技術(shù)技術(shù)4.2 4.2 激光器的穩(wěn)頻激光器的穩(wěn)頻4.7 4.7 激光鎖模技術(shù)激光鎖模技術(shù)v一般脈沖激光器輸出的脈沖都不是單一的光一般脈沖激光器輸出的脈沖都不是單一的光滑脈沖，而是由如圖所示的許多振幅、脈寬滑脈沖，而是由如圖所示的許多振幅、脈寬（幾微秒量級(jí)）和脈沖間隔作隨機(jī)變化的小（幾微秒量級(jí)）和脈沖間隔作隨機(jī)變化的小尖峰脈沖組成，有時(shí)稱為尖峰序列。尖峰脈沖組成，有時(shí)稱為尖峰序列。調(diào)調(diào)Q技術(shù)的目

2、的：技術(shù)的目的：v 壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。一般固體脈沖激光器的輸出特性：一般固體脈沖激光器的輸出特性： 1. 輸出的脈沖是系列尖峰振蕩輸出的脈沖是系列尖峰振蕩 激光器在閾值附近工作。激光器在閾值附近工作。 2. 脈寬比較寬，輸出功率低脈寬比較寬，輸出功率低 如何改善脈沖性能如何改善脈沖性能? 調(diào)調(diào)Q技術(shù)是將一般輸出的連續(xù)或脈沖激光能技術(shù)是將一般輸出的連續(xù)或脈沖激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)。峰值功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)。v調(diào)調(diào)Q技術(shù)可以產(chǎn)生脈寬為技術(shù)可以產(chǎn)生脈寬

3、為(10-710-9)秒量級(jí)、秒量級(jí)、峰值功率高達(dá)千兆瓦的巨脈沖；鎖模技術(shù)則可產(chǎn)峰值功率高達(dá)千兆瓦的巨脈沖；鎖模技術(shù)則可產(chǎn)生出生出(10-1210-15)秒量級(jí)的超短光脈沖，峰值功秒量級(jí)的超短光脈沖，峰值功率達(dá)到率達(dá)到T瓦量級(jí)。瓦量級(jí)。定義：定義：Q值是評(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的值是評(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)指標(biāo)-品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)。 每振蕩周期損耗的能量諧振腔內(nèi)儲(chǔ)存的能量2Q光強(qiáng)光強(qiáng)I I0 0在諧振腔傳播在諧振腔傳播z z距離后會(huì)減弱為距離后會(huì)減弱為 00exp()expa cIIa zIt總總上上式可以改寫為光子數(shù)密度的形式式可以改寫為光子數(shù)密度的形式 00( )expe

4、xpca ctN tNtN總chtNtI0)()(由于cac總表示在腔中的光子平均壽命表示在腔中的光子平均壽命 體積為體積為V的腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量為：的腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量為： 0)( VhtNW 每振蕩周期損耗的能量為：每振蕩周期損耗的能量為： caVhtNWPc總)(0品質(zhì)因子與諧振腔的單程總損耗的關(guān)系為品質(zhì)因子與諧振腔的單程總損耗的關(guān)系為 總aPWQ22諧振腔的損耗越大，諧振腔的損耗越大，Q值越??；損耗越小，值越小；損耗越小，Q值越高。值越高。v調(diào)調(diào)Q的原理的原理: 采用某種辦法使諧振腔在泵浦開(kāi)始時(shí)（采用某種辦法使諧振腔在泵浦開(kāi)始時(shí)（激光上能級(jí)積累的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不多）處于高損耗低激光上能級(jí)積累的反轉(zhuǎn)

5、粒子數(shù)不多）處于高損耗低Q值狀態(tài)，此時(shí)激光振蕩的閾值很高，抑制激光振蕩的值狀態(tài)，此時(shí)激光振蕩的閾值很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生。在這種情況下，由于泵浦的激勵(lì)，激光上能級(jí)產(chǎn)生。在這種情況下，由于泵浦的激勵(lì)，激光上能級(jí)將不斷地積累粒子數(shù)。當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，將不斷地積累粒子數(shù)。當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值時(shí)，突然使腔的突然使腔的Q值增大，降低激光器的閾值值增大，降低激光器的閾值 。此時(shí)亞穩(wěn)。此時(shí)亞穩(wěn)態(tài)上的粒子的能量很快轉(zhuǎn)換為光子能量，光子像雪崩態(tài)上的粒子的能量很快轉(zhuǎn)換為光子能量，光子像雪崩一樣以極高的速率增長(zhǎng)，輸出峰值功率高、寬度窄的一樣以極高的速率增長(zhǎng)，輸出峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。激光巨脈沖

6、。v調(diào)調(diào)Q方法方法: 控制不同類型的損耗，就形成了不同的調(diào)控制不同類型的損耗，就形成了不同的調(diào)Q技術(shù)技術(shù) 總aPWQ22控制反射損耗控制反射損耗 -電光調(diào)電光調(diào)Q技術(shù)技術(shù)控制吸收損耗控制吸收損耗 -可飽和吸收染料調(diào)可飽和吸收染料調(diào)Q技術(shù)技術(shù) 控制衍射損耗控制衍射損耗 -聲光調(diào)聲光調(diào)Q技術(shù)技術(shù) v 激光腔中插入起偏振片及作為激光腔中插入起偏振片及作為Q開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)的KD*P晶體。晶體。v 原理原理:晶體在晶體在z軸方向加電壓后，產(chǎn)生感應(yīng)雙折射，進(jìn)入晶體的軸方向加電壓后，產(chǎn)生感應(yīng)雙折射，進(jìn)入晶體的x方向振動(dòng)的線偏振光分解為方向振動(dòng)的線偏振光分解為x和和y振動(dòng)的二線偏振光。振動(dòng)的二線偏振光。v 加有半

7、波電壓時(shí)，損耗非常大，加有半波電壓時(shí)，損耗非常大，Q值很低；去掉半波電壓時(shí)，值很低；去掉半波電壓時(shí)，損耗小，損耗小，Q值很大，輸出一個(gè)激光巨脈沖。值很大，輸出一個(gè)激光巨脈沖。v KD*P晶體對(duì)晶體對(duì)1.06 m光的半波電壓約為光的半波電壓約為4000 V。圖4-27 電光調(diào)Q裝置示意圖2xyVEE與相位相差往返一次兩者相位相差電光調(diào)電光調(diào)Q工作原理：工作原理：激光介質(zhì)激光介質(zhì) 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡起偏鏡起偏鏡檢偏鏡檢偏鏡電光器件電光器件激光介質(zhì)激光介質(zhì)全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡起偏鏡起偏鏡檢偏鏡檢偏鏡電光器件電光器件+-1、Q開(kāi)關(guān)開(kāi)啟開(kāi)關(guān)開(kāi)啟2、Q開(kāi)關(guān)關(guān)閉開(kāi)關(guān)關(guān)閉v 圖圖4-28是一

8、個(gè)聲光調(diào)是一個(gè)聲光調(diào)Q的的YAG激光器的示意圖。腔內(nèi)激光器的示意圖。腔內(nèi)插入的聲光調(diào)插入的聲光調(diào)Q器件由聲光器件由聲光互作用介質(zhì)互作用介質(zhì)(如熔融石英如熔融石英)和鍵和鍵合于其上的超聲波發(fā)生器所構(gòu)成的。合于其上的超聲波發(fā)生器所構(gòu)成的。v 原理原理: 當(dāng)光通過(guò)介質(zhì)中的超聲場(chǎng)當(dāng)光通過(guò)介質(zhì)中的超聲場(chǎng)時(shí)，由于衍射造成光的偏折偏離時(shí)，由于衍射造成光的偏折偏離腔軸，此時(shí)損耗大，腔軸，此時(shí)損耗大，Q值小。一定時(shí)間后，撤去超聲場(chǎng)，光束不值小。一定時(shí)間后，撤去超聲場(chǎng)，光束不發(fā)生偏折，發(fā)生偏折，Q值升高。值升高。v 聲光調(diào)聲光調(diào)Q與電光調(diào)與電光調(diào)Q相比，后者電壓較高相比，后者電壓較高(103104V)，前者電壓較

9、，前者電壓較低低(102V)。聲光調(diào)。聲光調(diào)Q技術(shù)是應(yīng)用較廣泛的一種技術(shù)。技術(shù)是應(yīng)用較廣泛的一種技術(shù)。圖4-28 聲光調(diào)Q裝置示意圖聲光調(diào)聲光調(diào)Q工作原理工作原理激光介質(zhì)激光介質(zhì)聲光器件聲光器件全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡激光介質(zhì)激光介質(zhì)聲光器件聲光器件 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡1、Q開(kāi)關(guān)開(kāi)啟開(kāi)關(guān)開(kāi)啟2、Q開(kāi)關(guān)關(guān)閉開(kāi)關(guān)關(guān)閉染料的可飽和吸收系數(shù)染料的可飽和吸收系數(shù)sII10 0是光強(qiáng)很小時(shí)的吸收系數(shù)；是光強(qiáng)很小時(shí)的吸收系數(shù)；Is 為染料的飽和吸收光強(qiáng)為染料的飽和吸收光強(qiáng)(與染料種類及濃度有關(guān)與染料種類及濃度有關(guān))（1）染料吸收特性）染料吸收特性光強(qiáng)很小時(shí)，吸收系數(shù)很大，光強(qiáng)很小時(shí)，吸收系數(shù)很

10、大，I = 0 時(shí)時(shí), = 0光強(qiáng)很大時(shí)，吸收系數(shù)很小，光強(qiáng)很大時(shí)，吸收系數(shù)很小，I Is 時(shí)時(shí), = 0開(kāi)始泵浦開(kāi)始泵浦 腔內(nèi)熒光弱腔內(nèi)熒光弱 吸收系數(shù)大吸收系數(shù)大 Q 值低值低 不能形成激光不能形成激光繼續(xù)泵浦繼續(xù)泵浦 腔內(nèi)熒光變強(qiáng)腔內(nèi)熒光變強(qiáng) 吸收系數(shù)變小吸收系數(shù)變小 熒光熒光達(dá)到一定值時(shí)，吸收系數(shù)飽和達(dá)到一定值時(shí)，吸收系數(shù)飽和 染料被漂白染料被漂白 Q值值突增，形成激光脈沖突增，形成激光脈沖 泵浦結(jié)束泵浦結(jié)束激光介質(zhì)激光介質(zhì)染料盒染料盒 激光激光全反全反鏡鏡輸出鏡輸出鏡氙燈氙燈（2）染料調(diào)）染料調(diào)Q原理原理（3）對(duì)染料的要求）對(duì)染料的要求吸收體是染料吸收體是染料Q開(kāi)關(guān)的核心，它對(duì)調(diào)開(kāi)關(guān)的核心，它對(duì)調(diào)Q的效果影響的效果影響最大，因此合理的選擇染料很重要。最大，因此合理的選擇染料很重要。染料需滿足下面條件：染料需滿足下面條件： （1）吸收體的吸收峰和激光器的中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)；）吸收體的吸收峰和激光器的中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)； （2）染料溶液要具有一定