調Q(Q開關)技術

1、 調Q技術的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個重要突破，它是將激光能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數(shù)量級的一種技術?，F(xiàn)在，欲要獲得峰值功率在兆瓦級(106w)以上，脈寬為納秒級(10-9s)的激光脈沖已并不困難。第二章第二章 調調Q(Q開關開關)技術技術 先熟悉一下自發(fā)輻射發(fā)光、受激輻射發(fā)光以及受激吸收躍遷過程。 處于高能級E2的原子自發(fā)地向低能級El躍遷，并發(fā)射出一個頻率等于 E2一El的光子的過程稱為自發(fā)稱為自發(fā)輻射躍遷輻射躍遷。示意圖見圖131。圖1-3-1 自發(fā)輻射躍遷 (一)自發(fā)輻射)731 (122121ndtdnAsp這個過程可以用自發(fā)躍遷幾率A21來

2、描述，它定義為發(fā)光材料在單位時間內，從高能級上產(chǎn)生自發(fā)輻射的發(fā)光粒子數(shù)密度占高能級總粒子數(shù)密度的比值。也就是：式中：dn21dt時間內自發(fā)輻射粒子數(shù)密度； n2E2能級總粒子數(shù)密度。 下標sp表示是自發(fā)輻射躍遷(spontaneous radiation transition)自發(fā)輻射躍遷的過程是一種只與原子本身的性質有關，而與輻射場 u () 無關的自發(fā)過程。但是， A21（自發(fā)輻射躍遷愛因斯自發(fā)輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)坦系數(shù)）的大小與原子處在E2 能級上的平均壽命 有關。上式表明，E2能級上的粒子效密度因自發(fā)輻射作用隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減。我們定義n2(t)的數(shù)值由 t=0 時的n2(0)衰減到

3、它的12時所用時間為E2能級的平均壽命2 ，從(139)式不難推出：)831 ()()(221212tnAdtdndttdnsp解此微分方程可以得到n2(t)隨時間變化的規(guī)律:為：)931 ()0()(2122tAentn式中：n2(0)計時起點t0時的粒子數(shù)密度。)1031 (1212A 處于高能級E2上的原子在頻率為 (E2一E1) / h 的輻射場激勵作用下，或在頻率為 (E2一E1) / h 的光子誘發(fā)下，向低能級E1躍遷并輻射出一個與激勵輻射場光子或誘發(fā)光子的狀態(tài)(包括頻率、運動方向、偏振方向、相位等)完全相同的光子的過程稱為受激輻射躍遷稱為受激輻射躍遷。其示意圖見圖l32。我們用受

4、激輻射躍遷幾率W21來描述受激輻射： (二) 受激輻射圖1-3-2 受激輻射躍遷受激輻射過程區(qū)別于自發(fā)輻射的地方在于，它是在輻射場的作用下產(chǎn)生的，因此，其躍遷幾率W21，不僅與原子本身的性質有關，還與輻射場成正比，這種關系我們可以表示為： B21受激輻射躍遷愛因斯坦系數(shù)。)1231 (2121BW)1131 (122121ndtdnWst式中：dn21dt時間內受激輻射粒子數(shù)密度； 下標st表示受激輻射躍遷(stimulated transition)。 處于低能級E1上的一個原子在頻率等于 (E2一E1) / h 的輻射場作用下，吸收一個光子后向高能級E2躍遷的過程稱為受激吸收躍遷。其示意圖

5、如下：(三)受激吸收我們用受激吸收躍遷幾率W12來描述受激輻射，它與受激輻射躍遷的過程恰好相反，其躍遷幾率為：)1331 (111212ndtdnWst式中：dn12dt時間內受激吸收粒子數(shù)密度， n1E1 能級粒子數(shù)密度。因受激吸收躍遷過程也是在輻射場 作用下產(chǎn)生的；所以其躍遷幾率W12也應與輻射場大小成正比，即 W 12 B12 （1-3-14)式中；BI 2受激吸收躍遷愛因斯坦系數(shù)。 正是由于有受激吸收過程的存在，才使得由（1-3-5）所描述的腔內黑體輻射場具有穩(wěn)定的數(shù)值。 腔內黑體輻射場() 與物質原子相互作用的結果，維持黑體處于熱平衡狀態(tài)。在這種熱平衡狀態(tài)下，腔內物質的粒子數(shù)密度按能

6、級分布應服從玻爾茲曼分布： 三、三個愛因斯坦系數(shù)之間的關系三、三個愛因斯坦系數(shù)之間的關系)1531 (1212kTEEennT： 熱平衡狀態(tài)的絕對溫度。)2131 (8332121chBA)2031 (2112 BB（1-3-20）和（1-3-21）稱為愛因斯坦系數(shù)關系式。圖圖 1-5-1 固體激光器的結構固體激光器的結構1，晶體棒，晶體棒 2，反射膜；，反射膜；3，氙，氙燈，燈，4一電源一電源 晶體棒或玻璃棒的直徑由晶體棒或玻璃棒的直徑由1cm到幾個到幾個cm不等，長度由十幾個不等，長度由十幾個cm到幾十到幾十個個cm不等。棒的兩端面磨的很光滑，平行度很高，鍍上反射膜以后就可以不等。棒的兩端

7、面磨的很光滑，平行度很高，鍍上反射膜以后就可以當成反射鏡組成光學諧振腔。泵浦源使用普通強光源，如氙燈等。固體激光當成反射鏡組成光學諧振腔。泵浦源使用普通強光源，如氙燈等。固體激光器的優(yōu)點是輸出功率大，體積小，堅固，貯存能量的能力較強，適合實現(xiàn)器的優(yōu)點是輸出功率大，體積小，堅固，貯存能量的能力較強，適合實現(xiàn)Q開關、鎖模等技術。下邊我們分別以紅寶石激光器和摻釹離子激光器為例，開關、鎖模等技術。下邊我們分別以紅寶石激光器和摻釹離子激光器為例，簡介其工作原理。簡介其工作原理。氙燈晶體電源固體激光器的結構大體一致，如下圖所示。固體激光器的結構大體一致，如下圖所示。 激光工作物質被泵浦源激發(fā)后，對光的放大

8、作用主要表現(xiàn)在它能補償激光模式的能量損耗，使之滿足振蕩的閾值條件（反轉粒子數(shù)大于nth ）、從而形成并維持激光模式的振蕩。E1E2 將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其波形并非一個平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬振幅、脈寬和間隔作隨機變化的尖峰脈沖組成的和間隔作隨機變化的尖峰脈沖組成的，如圖2.1-1(a)所示。每個尖峰的寬度約為0.11s，間隔為數(shù)微秒，脈沖序列的長度大致與閃光燈泵浦持續(xù)時間相等。圖2.1-l(b)所示為觀察到的紅寶石激光器輸出的尖峰。這種現(xiàn)象稱為激光器弛豫振蕩激光器弛豫振蕩。一一. 脈沖固體激光器的輸出特性脈沖固體激光器的輸出特性E1E2 產(chǎn)生弛

9、豫振蕩的主要原因：當激光器的工作物質被泵浦，上當激光器的工作物質被泵浦，上能級的粒子反轉數(shù)超過閾值條件時，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內光能級的粒子反轉數(shù)超過閾值條件時，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光。隨著激光的發(fā)射，上能級粒子數(shù)大量被消耗，導致粒子反轉數(shù)降低，當?shù)陀陂y值時，激光振蕩就停止。這時，由于光泵的繼續(xù)抽運，上能級粒子反轉數(shù)重新積累，當超過閾值時，又產(chǎn)生第二個脈沖，如此不斷重復上述過程，直到泵浦停止才結束。每個尖峰脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水平較低。增大泵浦能量也無助于峰值功率的提高，而只會使小尖峰的個數(shù)增加。E1E2弛豫振蕩產(chǎn)生的物

10、理過程，可以用圖2.1-2來描述。它示出了在弛豫振蕩過程中粒子反轉數(shù)n 和腔內光子數(shù)的變化，每個尖峰可以分為四個階段 (在t1時刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉數(shù)n增長，但尚未到達閾值nth因而不能形成激光振蕩。)圖2.1-2 腔內光子數(shù)和粒子反轉數(shù)隨時間的變化第一階段第一階段(t1一t2)：激光振蕩剛開始時，n nth， 0；由于光泵作用， n繼續(xù)增加，與此同時，腔內光子數(shù)密度也開始增加，由于的增長而使n減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。 圖2.1-2 腔內光子數(shù)和粒子反轉數(shù)隨時間的變化第二階段第二階段(t2一t3) ： n到達最大值后開始下降，但仍然大于nth ，因

11、此 繼續(xù)增長，而且增長非常迅速，達到最大值。 第四階段(t4一t5)：光子數(shù)減少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是n又開始回升，到t5時刻n又達到閾值nth ，于是又開始產(chǎn)生第二個尖峰脈沖。因為泵浦的抽運過程的持續(xù)時間要比每個尖峰脈沖寬度大得多，于是上述過程周而復始，產(chǎn)生一系列尖峰脈沖。泵浦功率越大,尖峰脈沖形成越快,因而尖峰的時間間隔越小 第三階段(t3一t4)： n nth ，增益小于損耗，光子數(shù)密度減少并急劇下降。二、調二、調的基本原理的基本原理 通常的激光器諧振腔的損耗是不變的通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉粒子數(shù)達到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的

12、粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很多的反轉粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉數(shù)附近。這是普通激光器峰值功率不能提高的原因。 既然激光上能級最大粒子反轉數(shù)受到激光器閾值的限制，那么，要使上能級積累大量的粒子，可以設法通過改變（增加）激要使上能級積累大量的粒子，可以設法通過改變（增加）激光器的閾值來實現(xiàn)光器的閾值來實現(xiàn)，就是當激光器開始泵浦初期，設法將激光器的振蕩閾值調得很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級的反轉粒子數(shù)便可積累得很多。當反轉粒子數(shù)積累到最大時，再突然把閾值調到很低，此時，積累在上能級的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級，于是在極短的時間內將能量釋放出來，就獲得峰值功率極高的巨脈

13、沖激光輸出。 改變激光器的閾值是提高激光上能級粒子數(shù)積累的有效方法改變激光器的閾值是提高激光上能級粒子數(shù)積累的有效方法。從“激光原理”得知，激光器振蕩的閾值條件可表示為 式中，g 是模式數(shù)目，是模式數(shù)目，A21自發(fā)輻射幾率，自發(fā)輻射幾率，c是光子在腔內的壽命是光子在腔內的壽命，cthAgn121(2.1-1)2Qc而QAgnth221所以 （2.1-2) Q值稱為品質因數(shù)值稱為品質因數(shù)，它定義為: Q=20 (腔內存儲的能量腔內存儲的能量 / 每秒損耗的能量）每秒損耗的能量）c是腔內能量衰減到初始能量的1/e所經(jīng)歷的時間0為激光 的中心頻率。用W表示腔內存儲的能量，表示光在腔內傳播單次能量的損

14、耗率，那么光在一個單程中的能量損耗為W 。設L為諧振腔腔長，n為介質折射率，c為光速，則光在腔內走一單程所需的時間為nL/c。由此，光在腔內每秒鐘損耗的能量為：nLcWcnLW/式中，0為真空中激光中心波長?？梢?，當0和L一定時，Q值與值與諧振腔的損耗成反比諧振腔的損耗成反比，要改變激光器的閾值，可以通過突變諧振要改變激光器的閾值，可以通過突變諧振腔的腔的Q值值(或損耗或損耗)來實現(xiàn)來實現(xiàn)。 這樣，Q值可表示為（2.1-3)002/2nLnLcWWQ 調調Q技術就是通過某種方法使腔的技術就是通過某種方法使腔的Q值隨時間按一定程序變化值隨時間按一定程序變化的技術的技術?；蛘哒f使腔的使腔的損耗損耗

15、隨時間按一定程序變化的技術隨時間按一定程序變化的技術。E1E2 調Q激光脈沖的建立過程，各參量隨時間的變化情況，如圖2.1-3所示。圖圖(a)表示泵浦速率表示泵浦速率Wp隨隨時間的變化時間的變化；圖圖(b)表示腔的表示腔的Q值是時值是時間的階躍函數(shù)間的階躍函數(shù)(藍虛線藍虛線)；圖圖(c)表示粒子反轉數(shù)表示粒子反轉數(shù)n的變化的變化；圖圖(d)表示腔內光子數(shù)表示腔內光子數(shù)隨時間的變化隨時間的變化。圖圖2.1-3 Q開關激光脈沖建立過程開關激光脈沖建立過程nintQ在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低Q值(Qo)狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級的粒子數(shù)不斷積累，直至 t0時刻，粒子數(shù)反轉達到

16、最大值ni，在這一時刻，Q值突然升高(損耗下降)，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于此ni nt(閾值粒子反轉數(shù))，因此受激輻射增強非常迅速，激光介質存儲的能量在極短的時間nt內轉變?yōu)槭芗ぽ椛鋱龅哪芰?，結果產(chǎn)生了一個峰值功率很高的窄脈沖。return14 調Q脈沖的建立有個過程，當Q值階躍上升時開始振蕩，在t=t0振蕩開始建立至以后一個較長的時間過程中，光子數(shù)增長十分緩慢，如圖2.1-4所示，其值始終很小(i)，受激輻射幾率很小，此時仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢。tfiD 圖圖2.1-4 從開始振蕩到脈沖形成的過程從開始振蕩到脈沖形成的過程只有振蕩持續(xù)到ttD時，增長到了D ，雪崩過程才形成，

17、 才迅速增大，受激輻射才迅速超過自發(fā)輻射而占優(yōu)勢。因此，調Q脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時間t (也就是Q開關開啟的持續(xù)時間)。光子數(shù)的迅速增長，使ni迅速減少，到t=tp時刻， ni= nt，光子數(shù)達到最大值m之后，由n nt ，則 迅速減少，此時n = nf 見圖2.1-3(c) ，為振蕩終止后工作物質中剩余的粒子數(shù)?？梢?，調調Q脈沖脈沖的峰值是發(fā)生在反轉粒子數(shù)等于閾值反轉粒子數(shù)的峰值是發(fā)生在反轉粒子數(shù)等于閾值反轉粒子數(shù)(ni= nt)的時的時刻刻。 iD 綜上所述，諧振腔的Q值與損耗成反比，如果按照一定的規(guī)律改變諧振腔的值，就可以使Q值發(fā)生相應的變化。諧振腔的損耗一般

18、包括有：反射損耗、衍射損耗、吸收損耗反射損耗、衍射損耗、吸收損耗等。那么，我們用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可以形成不同的調Q技術。有機械轉鏡調有機械轉鏡調Q、電光調電光調Q技術，聲光調技術，聲光調Q技術，染料技術，染料調調Q技術技術等。 (1)由于調Q是把能量以激活離子的形式存儲在激光工作物質的高能態(tài)上，集中在一個極短的時間內釋放出來，因此，要求工作物質必須能在強泵浦下工作，即抗損傷閾值要高抗損傷閾值要高；其次，要求工作物質必須有較長的壽命較長的壽命,若激光工作物質的上能級壽命為2，則上能級上的反轉粒子數(shù)n2因自發(fā)輻射而減少的速度為n2/ 2，這樣，當泵浦速率（要大）泵浦速率（要大）

19、為Wp時，在達到平衡情況下，應滿足：pWn22則上能級達到最大反轉粒子數(shù)取決于 n2=Wp2 （2.1-4)為了能使激光工作物質的上能級積累盡可能多的粒子，則要求為了能使激光工作物質的上能級積累盡可能多的粒子，則要求Wp2值應大一些值應大一些，但2也不宜太大，否則會影響能量的釋放速度。三、實現(xiàn)調三、實現(xiàn)調Q對激光器的基本要求對激光器的基本要求 (2)光泵的泵浦速度必須快于激光上能級的自發(fā)輻射速率，即光泵的發(fā)光時間光泵的發(fā)光時間(波形的半寬度波形的半寬度)必須小于激光介質的上能級壽命必須小于激光介質的上能級壽命。 (3)諧振腔的諧振腔的Q值改變要快（值改變要快（最好是突變），一般應與諧振腔建立激

20、光振蕩的時間相比擬。 激光器的嚴格理論是建立在激光器的嚴格理論是建立在量子電動力學量子電動力學基礎上基礎上的，它原則上可以描述激光器的全部特性，但由于它的的，它原則上可以描述激光器的全部特性，但由于它的復雜性我們在討論激光器的某些現(xiàn)象時不一定非得采復雜性我們在討論激光器的某些現(xiàn)象時不一定非得采用它，而是使用不同近似程度的理論去描述不同層次的用它，而是使用不同近似程度的理論去描述不同層次的問題。下面簡介激光器約四類不同理論的出發(fā)點及其應問題。下面簡介激光器約四類不同理論的出發(fā)點及其應用范圍。用范圍。（回顧）（回顧）激光器的幾種理論激光器的幾種理論: :原子系統(tǒng)：原子系統(tǒng)： 原子中的電子，服從經(jīng)典

21、力學運動規(guī)律的一個固定原子中的電子，服從經(jīng)典力學運動規(guī)律的一個固定在彈簧一端的帶電振子，電子在庫侖力的作用下作簡在彈簧一端的帶電振子，電子在庫侖力的作用下作簡諧振動諧振動輻射場：輻射場： MaxwellMaxwell方程方程一、一、 （回顧）（回顧）經(jīng)典理論經(jīng)典理論: : 光與物質相互作用的經(jīng)典理論，經(jīng)典電動力學光與物質相互作用的經(jīng)典理論，經(jīng)典電動力學二、二、 （回顧）（回顧）半經(jīng)典理論半經(jīng)典理論物質：物質： 用量子力學方法描述用量子力學方法描述電磁場：電磁場： 經(jīng)典經(jīng)典MaxwellMaxwell方程方程輻射場對原子系統(tǒng)的影響：輻射場對原子系統(tǒng)的影響： HamiltonHamilton算符中

22、含時相互作用項算符中含時相互作用項原子系統(tǒng)對輻射場的影響：原子系統(tǒng)對輻射場的影響： MaxwellMaxwell方程中隨時間變化的宏觀極化強度方程中隨時間變化的宏觀極化強度采用量子電動力學的處理方法，它對光頻電磁場以及物質原子都采用量子電動力學的處理方法，它對光頻電磁場以及物質原子都作量子化處理。作量子化處理。 物質（原子、分子、離子等）用物質（原子、分子、離子等）用SchroedingerSchroedinger方程描方程描述述 電磁場量子化電磁場量子化 物質與電磁場相互作用（耦合方程）物質與電磁場相互作用（耦合方程） 開放的激光系統(tǒng)：開放的激光系統(tǒng)： 光輻射通過腔鏡的光輻射通過腔鏡的部分逸

23、出部分逸出 工作介質的不均勻造成工作介質的不均勻造成散射散射 工作介質的雜質造成工作介質的雜質造成吸收吸收 原子間碰撞、晶體中激活離子同晶格之間原子間碰撞、晶體中激活離子同晶格之間 相互作用和交換能量相互作用和交換能量 外界泵浦源向晶體外界泵浦源向晶體注入能量注入能量三、三、 （回顧）（回顧）量子理論（超出本書范圍）量子理論（超出本書范圍）四、速率方程理論四、速率方程理論 這是量子理論的一種簡化形式，因為它是從光這是量子理論的一種簡化形式，因為它是從光子子( (即量子化的輻射場即量子化的輻射場) )與物質原子的相互作用出發(fā)與物質原子的相互作用出發(fā)的，并的，并忽略了光子的相位持性忽略了光子的相位

24、持性與與光子數(shù)的起伏持性光子數(shù)的起伏持性，而使得該理論具有非常簡單的形式。這個理論的基而使得該理論具有非常簡單的形式。這個理論的基礎是礎是自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收幾率與愛因斯自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收幾率與愛因斯坦系數(shù)間的關系坦系數(shù)間的關系，由此導出激光器的速率方程。，由此導出激光器的速率方程。 以下所討論絕大多數(shù)有關激光的理論主要采用以下所討論絕大多數(shù)有關激光的理論主要采用的是速率方程理論。的是速率方程理論。 調Q脈沖的形成過程以及各種參量對激光脈沖的影響，可以采用速率方程來進行分析可以采用速率方程來進行分析，它是描述腔內振蕩光子數(shù)和工作物質的反轉粒子數(shù)隨時間變化規(guī)律的方程組。根據(jù)這些

25、規(guī)律，又可推導出調Q脈沖的峰值功率、脈沖寬度等和粒子數(shù)反轉的關系。2. 2 調調Q激光器的基本理論激光器的基本理論 激光形成的速率方程是根據(jù)工作物質的粒子數(shù)激光形成的速率方程是根據(jù)工作物質的粒子數(shù)變化和腔內光子數(shù)變化之間的內在關系建立起來的變化和腔內光子數(shù)變化之間的內在關系建立起來的。在激光物理學中已給出了一般激光器的三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)的速率方程，從而可直接寫出粒子反轉數(shù)和腔內光子數(shù)隨時間變化的方程。一、調一、調Q的速率方程的速率方程式中， n為粒子反轉數(shù)密度； 為腔內光子數(shù)密度；g為腔內自發(fā)輻射波型數(shù)；W13， W14為受激躍遷幾率；A為自發(fā)輻射幾率。（2.2-1)(2.2-2)retu

26、rnn3(2.2-3) 為了便于分析，用一個二能級系統(tǒng)的模型取代實際的三能級和四能級系統(tǒng)。這對于討論調Q脈沖的形成過程和諸參量對脈沖的影響是可以得到比較滿意結果的。0dtd上式第二式中，令 （腔的增益等于損耗的閾值條件），可求得穩(wěn)態(tài)振蕩時閾值反轉粒子數(shù)nt，則有 調Q激光器的速率方程是激光(振蕩)器的一種特例。在Q突變過程中，由于激光器處于急劇變化的瞬態(tài)過程，所以光泵激勵和自發(fā)輻射兩種過程的影響可以忽略，為簡單起見，在下面的分析中，認為Q值是階躍式突變的，則(2.2-1)式和(2.2-2)式可以簡化為 (2.2-4)式即為調Q激光振蕩的速率方程。書中有誤將上式代入（2.2-3)，得即 A /

27、g = / nt 即 （2.2-4） 對上述一階微分方程組，一般用數(shù)值方法求解，就可以求得調Q脈沖的諸參數(shù)。為了求解調Q的速率方程，必須給出Q開關函數(shù)的具體形式。一般為了求解方便，都是預先假定幾種典型的Q開關函數(shù)(階躍開關函數(shù)、線性開關函數(shù)和拋物線開關函數(shù)階躍開關函數(shù)、線性開關函數(shù)和拋物線開關函數(shù))。而實際的Q開關函數(shù)往往是比較復雜的，甚至很難用一種簡單形式予以表達。在此，著重討論理想的階躍式開關函數(shù)。二、速率方程的求解二、速率方程的求解從方程組(2.24)式中，將上式除以下式， 消去時間t，得： 假定腔內損耗 在時間上有一突變，如圖2.21所示的階躍函數(shù)，即在t0以前的過程只是準備了初始反轉

28、粒子數(shù)密度ni這個初始條件，故對n的積累過程可不涉及，可只考慮t0以后的變化過程。 (2.2-5)nnnnnnnnddttt22) 1(利用臺勞級數(shù)展開后，得近似式 (2.2-6)(2.2-8) (2.2-7)圖2.1-4在t0時刻， n到達最大值ni ，而受激輻射光子數(shù)為零，即 i0，之后， 開始增加，到 tD 時雪崩過程形成(見圖2.1-4), 急劇增長, n也開始劇減，這一過程一直持續(xù)到tp時刻，這時n nt ，腔內光子數(shù)達到極大值 m 。將(2.2-5)式積分，并考慮到n的積分限為從ni nt ，有書中有誤去掉下標t和m, 就是普通表達式 可見， m與參量(ni nt)存在二次方的關系

29、，其變化曲線如圖2.2-2所示。因此提高初始粒子反轉數(shù)提高初始粒子反轉數(shù)ni與閾值粒子反轉數(shù)與閾值粒子反轉數(shù)nt之之比值有利于腔內最大光子數(shù)比值有利于腔內最大光子數(shù) m的提高。的提高。(2.2-8) 1調調Q脈沖的峰值功率脈沖的峰值功率 可近似地認為，這些光子在腔內的壽命為 tc 的時間內逸出，而每個光子的能量為h，則激光的瞬時功率P h/ tc，利用(2.2-7)式，可得 如果初始反轉粒子數(shù) ni 大大超過閾值反轉粒子數(shù)nt (高Q值情況)，則得 ? （后兩項忽略） (2.2-9)當n = nt 時，輸出功率達到極大值，即峰值功率為(2.2-10)(2.2-11)ln(21itinnnnn去

30、掉下標后式中，V為腔內激活介質的體積； nf 為激光振蕩終止時的反轉粒子數(shù)密度，它可由積分方程(2 .2-6)式解得， 激光脈沖的能量是由消耗反轉粒子數(shù)的受激輻射過程提供的，若以光子數(shù)從極大值m下降到 f的時間作為脈沖結束，則 f 對應的反轉粒子數(shù)為 nf 。因此，調調Q脈沖（三能級系統(tǒng)）的總能量脈沖（三能級系統(tǒng)）的總能量可由下式?jīng)Q定可由下式?jīng)Q定： 在t0時刻， n到達最大值ni ，而受激輻射光子數(shù)為零，即 i0(2.2-12) fnf fnfnf(2.2-13)因為 f =0，所以(2.2-14)因為每增加一個光子，粒子反轉數(shù)就減少兩個 2調調Q脈沖的能量及能量利用率脈沖的能量及能量利用率通

31、常ni nf ，所以由(2.2-12)式可以看出，調Q脈沖能量隨參量ni /nt 的變大而線性增加。 一個調Q脈沖可以從激活介質的儲能中提取多大比率的能量, nf是沒有貢獻的，這些剩余的反轉粒子在巨脈沖結束后，以熒光形式消散掉了，因此，用 = (ni -nf )/ ni來表示調表示調Q脈沖可以從介質中提取的能量，稱為單脈沖的能量利脈沖可以從介質中提取的能量，稱為單脈沖的能量利用率用率。由公式(2.2-8)知輸出光子的峰值功率（最大數(shù)目）與ni )/ nt的比值有關。書中有誤，應去掉 下面分析一下以及nf /ni 與ni /nt關系。圖2.2-3示出和nf /ni 與ni /nt的關系。從圖可以

32、看出隨ni /nt的增加而增大，這說明能量利用率高；伴隨有nf /ni越小，而（ ni -nf ）/ni越大 。（ =ni -nf ）/ni書中有誤ni /ntnf /ni 下面再討論一下調Q脈沖的脈寬和波形問題。由(2.2-4)第一式可得 (2.2-17)如果所討論的時間t僅指激光脈沖的寬度的一段時間，那么，在該時間內，初始光子數(shù)密度0可忽略，則上式可寫為 (2.2-16)(2.2-15)由由(2.2-5)式式 可求得可求得，代入上式，得到代入上式，得到) 1(0ndnndnnti3調調Q脈沖的時間特性脈沖的時間特性這個積分方程不易直接得出解析解，但可以根據(jù)已給的初始值 ，利用數(shù)值積分來求得

33、t的數(shù)值解，其結果列于表2.2-1。表中t1為光子數(shù)從半極大值上升到峰值所需時間(脈沖上升時間)； t2為光子數(shù)從峰值下降到半極大值處的時間(脈沖下降時間)，而t1十t2即為脈寬t 。tinn脈沖寬度t 與的關系tinn脈沖寬度t 與的關系tinn圖2.2-4 調Q脈沖波形與ni/ nt1.652.724.487.4 圖2.2-4給出了幾種不同初始值時的計算結果。圖中縱坐標為歸一化光子數(shù)密度2mnt，橫坐標表示以腔內光子壽命為單位的時間參量 t/tc (其中tc為光子在腔內的壽命)。從上述速率方程的解可以看出，在調在調Q激光器中，激光器中， 是一個極為重要的參量是一個極為重要的參量，它直接影響

34、到輸出功率和脈沖寬度，亦即影響到總體效率它直接影響到輸出功率和脈沖寬度，亦即影響到總體效率。當 值增大時，峰值光子數(shù)增加，脈沖的上升時間(前沿)和下降時間(后沿)同時縮短，脈沖變窄。tinntinn 所以在設計調所以在設計調Q激光器時，應盡可能地提高光泵的抽運速率激光器時，應盡可能地提高光泵的抽運速率以增大以增大ni,；同時要選擇效率較高的激光工作物質和合適的諧；同時要選擇效率較高的激光工作物質和合適的諧振腔結構以減小振腔結構以減小nt和其他損耗。和其他損耗。 以上討論的是理想的階躍式Q開關函數(shù)的情況。若腔內損耗與時間呈線性函數(shù)的關系加圖2.2-5所示，其調Q特性也有不同，根據(jù)理論分析與實驗研

35、究表明：設臨界振蕩點定為t0的點，那么t=ts就可理解為腔損耗從最大(A點)減到最小(B點)所需的時間。顯然，線性開關函數(shù)與理想的階躍開關函數(shù)之間的差異在于ts的不同。線性開關函數(shù)的解與階躍式開關函數(shù)的解沒有本質的差別，不同之處只在于脈沖不同之處只在于脈沖建立時的延遲時間，前者比后者多了開關時間建立時的延遲時間，前者比后者多了開關時間ts 。另外，還有一種穩(wěn)變非線性（拋物線）開關函數(shù)(一般了解)。t=0 t=ts 利用某些晶體的電光效應可以做成電光Q開關器件。電光調Q具有開關時間短，效率高，調Q時刻可以精確控制，輸出脈沖寬度窄，峰值功率高等優(yōu)點。23 電光調電光調Q 圖2.3-1所示是電光晶體

36、調Q裝置的工作原理圖。激光工作物質是一、帶偏振器的電光調一、帶偏振器的電光調Q器件器件Nd:YAG晶體，偏振器采用方解石空氣隙格蘭付克棱鏡，調制晶體用KD*P(磷酸二氘 鉀)晶體，它是z-00切割的(使通光面與z軸垂直)，利用其63的縱向電光效應。將調制晶體兩端的環(huán)狀電極與調Q電源相接。 如果在調制晶體上施加4電壓，由于縱向電光效應，當沿x方向的線偏振光通過晶體后，兩分量之間便產(chǎn)生2的相位差，則從晶體出射后合成為相當于圓偏振光；經(jīng)全反射鏡反射回來，再次通過調制晶體，又會產(chǎn)生 2的相位差，往返一次總共累積產(chǎn)生 相位差，合成后得到沿y方向振動的線偏振光，相當于偏振面相對于入射光旋轉了900，顯然，

37、這種偏振光不能再通過偏振棱鏡，此時，電光Q開關處于“關閉”狀態(tài)。因此，如果在氙燈剛開始點燃時，事先在調制晶體上加上 4電壓，使諧振腔處于“關閉”的低Q值狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。待激光上能級反轉的粒子數(shù)積累到最大值時，突然撤去晶體上的 4電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)，產(chǎn)生雪崩式的激光振蕩，就可輸出一個巨脈沖。 由電光調Q基本原理可知，要獲得高效率調Q的關鍵之一是精確控制Q開關“打開”的延遲時間，即從氙燈點燃開始延遲一段時間，當工作物質上能級反轉的粒子數(shù)達到最大時，立即“打開”開關的效果最好。如果Q開關打開早了，上能級反轉粒子數(shù)尚未達到最大時就開始起振，顯然輸出的巨脈沖功率會降低，而且還可能

38、出現(xiàn)多脈沖。如果延時過長，即Q開關打開得遲了，則由于自發(fā)輻射等損耗，也會影響巨脈沖的功率。 圖2.3-2所示的為調Q工作程序的示意圖。其過程是：（1）先開主電源對電容C充電，并接于氙燈電極，但不導通故不點燃；（2）開動晶體電源給KD*P晶體加電壓，使腔處于關閉狀態(tài)；觸發(fā)器，使氙燈點燃，給工作物質以能量，使反轉粒子數(shù)大量積累。但此時由于KD*P晶體上加有V/4電壓，所以諧振腔損耗最大，不能形成激光振蕩。當粒子數(shù)反轉到最大時，通過延時電路的信號加到閘流管的柵極上(使之導通)，將KD*P晶體上的電壓瞬時退掉，使諧振腔Q值突增，形成激光振蕩，輸山巨脈沖?？赏ㄟ^實驗，精確調節(jié)延時電路，宜到輸出激光最強為

39、止。（3）由單結晶體管振蕩器產(chǎn)生一脈沖一脈沖時標信號時標信號輸入到控制電路，再由控制電路將該信號分別送往激光主電源，使其停止對電容充電，同時輸送到二、單塊雙二、單塊雙450電光調電光調Q器件器件(了解） 這是一種可省去偏振器的Q開關。圖2.3-3所示是這種Q開關激光器的示意圖。LiNbO3(鈮酸鋰鈮酸鋰)晶體晶體加工成具有兩個450斜面的矩形長方體，光軸(z軸)沿長方體的軸向，電壓沿x軸方向加到晶體上。這樣既不影響通光，而且電場又很均勻。由圖可見，這種結構勿需插入偏振器，可減少腔的插入損耗，所以這是一種結構簡單的比較理想的電光Q開關。下面分析單決雙450電光Q開關的工作原理。zyx故o光反射后

40、沿晶體的光軸方向傳播。但對e光卻不同了，反射前振動方向沿z軸，反射后近似沿z向傳播，其振動方向雖然仍平行于主截面，但卻由z向變?yōu)閥向，其折射率變?yōu)閚e( n0)，故e光反射前后 如圖2.3-4所示，一束無規(guī)偏光沿y軸方向入射晶體后，分解為垂直于主截面沿x向振動的o光和平行于主截面沿向振動的e光。根據(jù)雙折射的性質，兩光的傳播方向一致，不分開，但是n0ne由于反射斜面與光軸z成450角，兩束線偏振光將在450反射面上全反射，o光服從均勻介質的反射定律，其反射角等于入射角(450)， 1.未加電壓（未加電壓（Vx=0)的情況的情況相當于在不同折射率的介質中傳播，可根據(jù)各向異性介質的反射公式求出e光的

41、反射角1，nesin450 ne sin 1 n0sin 1，對LN晶體，當光波長為1.06m時，n02.233，ne2.154，代入該式， 1 42054，它比o光的反射角小，二者之間的夾角為二者之間的夾角為 (206)。當兩束光經(jīng)第二個450反射后，o光仍以450反射，故出射光o與入射光平行，e光的折射率由反射前的ne ( n0)變?yōu)閚e，其反射角”1又變?yōu)?50，故e光的反射光束e也平行于入射光方向。出射的o 和e 兩束光之間的距離近似為兩束光之間的距離近似為=ltg (其中l(wèi)為晶體光軸方向的幾何長度)，由于由于值很小，兩束光幾乎重疊在一起值很小，兩束光幾乎重疊在一起。E =EC=ED

42、l tg 有誤2. 加電壓（加電壓（Vx=V/2)的情況的情況如圖235所示，晶體沿x軸向加壓后，入射光在晶體的AB段中，偏振光(nx no)的傳播情況與Vx=0時的情況基本相同。晶體上加電壓前后的差別在于沿光軸的BC段。而變成了o光，它們到達第二個450反射面被反射時則會出現(xiàn)兩個光相互分開的現(xiàn)象（見圖）。因而經(jīng)全反鏡反射后偏離諧振腔。ezzooyooxnnnEnnnEnnn2232232121當晶體上加有Vx=V/2時，BC段晶體相當于一個半波片，o光在這段距離中的傳播，其偏振面旋轉了900，即原來的o光變成了e光，同樣e光在這段距離中傳播，偏振面也旋轉900 就是說，當在晶體上加有半被電壓

43、加有半被電壓Vx=V/2時時，通過晶體后的o光和e光都偏離原來入射光的傳播方向，這時，腔內光路不通，相當于處于“關閉”狀態(tài)，即諧振腔處于低諧振腔處于低Q值狀態(tài)值狀態(tài)（損耗大），不能形成激光振蕩。當光泵激勵工作物質，上能級反轉粒子數(shù)積累達到最大值時，瞬間撤去半波電壓瞬間撤去半波電壓，則o光和e光經(jīng)晶體后的出射光平行于入射光，經(jīng)腔鏡反射后，仍按原路徑返回，腔內構成光的通路，相當于處于“啟開”狀態(tài)，Q值突增，激光振蕩得以值突增，激光振蕩得以形成形成。因此控制對晶體加壓與否，便可改變諧振腔的Q值，從而起到Q開關的作用。 以上介紹的電光Q開關都是屬于工作物質儲能調工作物質儲能調Q。即能量能量是以激活粒子

44、的形式存儲在工作物質高能態(tài)上是以激活粒子的形式存儲在工作物質高能態(tài)上，當達到最大值時將Q開關“打開”，腔內便很快建立起極強的激光振蕩，使激光上能級存儲的能量轉變?yōu)榍粌鹊墓饽芰?，其輸出方式是一面形成激光振蕩，一面從輸出鏡端輸出激光，因此，輸出光脈沖的強度與腔內光場強度成比例。這種由輸出反射鏡輸出激光這種由輸出反射鏡輸出激光脈沖的調脈沖的調Q方式稱為脈沖反射式方式稱為脈沖反射式(PulseReflectionMode，簡寫為PRM)Q開關開關。三、脈沖透射式三、脈沖透射式(PTM)調調Q (PulseTransmissionMode) 另外，還有一種諧振腔儲能調諧振腔儲能調Q開關開關，即能量是以光

45、子能量是以光子(光光輻射場輻射場)的形式存儲在諧振腔內的形式存儲在諧振腔內，這種調Q的輸出方式有別于PRM式，它是將PRM式調Q激光器諧振腔的輸出耦合鏡換成全反鏡，Q開關“打開”后，光子只在腔內往返振蕩而無輸出。直到直到工作物質的反轉粒子儲能全部轉變?yōu)榍粌裙庾幽芰繒r，放置在工作物質的反轉粒子儲能全部轉變?yōu)榍粌裙庾幽芰繒r，放置在腔內的特定光學器件腔內的特定光學器件(通常用偏振棱鏡通常用偏振棱鏡)才將腔內存儲的最大振蕩才將腔內存儲的最大振蕩能量瞬間全部透射輸出能量瞬間全部透射輸出。這種調Q的方式稱為脈沖透射式脈沖透射式(PulseTransmissionMode，簡寫為PTM)Q開關開關。又因為它

46、不是邊振蕩邊輸出，而是先振蕩達到最大值后，再瞬間釋放出去，故又稱為“腔倒空腔倒空”。 圖2.3-8所示的是一種帶有起偏器P1和檢偏器P2的PTM式調Q激光器。 P1P2 ，M1，M2為全反鏡，而且M2置于P2偏振棱鏡界面反射偏光的光路上。當電光晶體上不加電壓時，激光工作物質在光泵的激勵下，上能級反轉粒子數(shù)密度逐漸增加，工作物質開始的自發(fā)輻射光可順利通過P1和P2 ，但輸出端無反射鏡，腔的Q值很低，故形成不了激光振蕩。當工作物質儲能達到最大值時，在電光晶體上加上半波電壓V/2 ，此時通過P1的線偏振光通過晶體后偏振面將要旋轉900，因此，不能通過偏振棱鏡P2，但可經(jīng)棱鏡的界面反射到全反射鏡M2上

47、。這樣，由兩個全反射鏡構成的諧振腔損耗很低，Q值突增，激光振蕩迅速形成。當腔內激光振蕩的光子密度達到最大值時，迅速撤去晶體上的電壓，光路又恢復到加電壓之前的狀態(tài)，于是腔內存儲的最大光能量瞬間透過棱鏡P2而耦合輸出。這就是PTM式Q開關的工作過程。 前面所介紹的調Q技術，無論是工作物質儲能的PRM式運轉，還是腔內儲能的PTM式運轉，其最后的結果都是獲得壓縮脈寬的獲得壓縮脈寬的高峰值功率巨脈沖輸出高峰值功率巨脈沖輸出。但是通過研究發(fā)現(xiàn)，由于Q調制器能有效地控制激光器的損耗與增益(增益Q開關)，即能有效地控制激光器的凈增益，因而，一個Q調制器不僅能有效地控制激光的能量(或功率)特性，而且也可以控制激

48、光的空間空間(橫模橫模)特性特性和頻率頻率(縱縱模模)特性特性以及輸出穩(wěn)定性輸出穩(wěn)定性等。四、四、Q調制技術的其他功能調制技術的其他功能 基于不同橫模之間存在的損耗差異，通過插入腔內的Q調制器來控制腔的損耗，開始時使激光器運行于高閾值、低增益的臨界振蕩狀態(tài)(稱為稱為“預激光預激光”技術技術)，在一定泵浦功率強度下，只有1.選橫模的功能選橫模的功能(本科一般了解)圖圖5.1-1 不同橫模的光場強度不同橫模的光場強度Lra圖5.2-8共心腔兩低階模衍射損耗與光闌孔徑的關系 % （ %）損耗最小的橫模(TEM00模)建立振蕩，其余損耗較大的橫模都被抑制而不能振蕩(選模的基本原理詳見第五章)，這樣便產(chǎn)

49、生了單橫產(chǎn)生了單橫模?！胺N籽種籽”。為了得到大的能量輸出，接著將Q開關完全打開，使種籽激光得到充分放大，那么最終輸出的便是功率足夠高的基橫模激光（如圖2.3-12所示） 。圖中M1，M2為腔鏡；PC為泡克耳斯電光晶體，P為偏振鏡，KD*P晶體兩電極上分別加電壓V1，V2，其中V1為常加電壓， V2為方波電壓，工作程序如圖2.3-13所示。 圖中， V12為KD*P晶體上的合成電壓； Vos為一定泵浦功率下對應于腔損耗最小橫模之臨界振蕩條件下晶體上所需的常加電壓值，電壓V1 值略低于Vos值，僅僅使損耗最小的橫模能建立振蕩。V2方波VosV1-V2寬度的選取應該便于損耗最小的橫模激光能得到充分放

50、大，而其余橫模均不能形成激光為準，所以只要方波電壓V2的寬度選擇合適，使損耗最小的基橫模得到充分放大，而其他橫模還未形成激光之前及時“關閉”Q開關，則輸出到腔外的僅是損耗最小橫模的激光。 2.選單縱模的功能 選單縱模的Q調制技術是在單橫模的基礎上，利用不同縱模之間存在的增益差異進行的。開始時，使Q開關處于不完全關閉狀態(tài)，通過Q開關控制腔的損耗，使之在一定泵浦功率下，僅靠近中心頻率0附近少數(shù)增益較大的縱模能建立起振蕩，而且由于這少數(shù)縱模是在閾值附近振蕩，激光形成所需要的時間較長，不同縱模之間的模式競爭比較充分，故最終形成并得到充分放大的僅是增益最大的單縱模。當單縱模激光形成后，將Q開關完全打開，

51、即可獲得單縱模脈沖激光輸出。 C/(2nL)腔諧振頻率C/(2nL)腔諧振頻率C/(2nd)腔諧振頻率單振蕩頻率 選單縱模Q調制的工作程序與圖2.3-13基本相同。所不同的是，電壓電壓Vos是在一定泵浦功率下對應于增益最大縱模是在一定泵浦功率下對應于增益最大縱模(中心頻率中心頻率0)之臨之臨界振蕩條件下晶體上應加的電壓界振蕩條件下晶體上應加的電壓。由于靠近中心頻率附近各縱模之間增益差異甚小，故在腔內插入一個F-P標準具平板(反射率R8)，使中心頻率附近各縱模之間同時存在損耗差異，增大各縱模之間的的凈增益差異，使Q調制器對縱模的選擇作用更為有效。 VosV1Q調制技術還有鎖模、削波等功能。可見，

52、多功能Q調制技術的發(fā)展，將是激光單元技術上的一個突破，可以大大提高調Q激光器的實用性。-V2 調Q激光器與普通脈沖激光器相比，它具有超臨界振蕩的持點，因此，對Q開關器件、激光工作物質、光泵浦燈以及耦合輸出條件等有一些新的要求。2.4 設計電光調設計電光調Q激光器應考慮的問題激光器應考慮的問題一、調制晶體材料的選擇一、調制晶體材料的選擇 電光晶體的質量對調Q性能起著很重要的作用，目前能夠獲得較高光學質量的線性電光晶體材料還是有限的。1 消光比要高；消光比要高；2 透過率要高；透過率要高；3 半波電壓要低；抗破壞閾值要半波電壓要低；抗破壞閾值要高等。高等。二、調制晶體的電極結構二、調制晶體的電極結

53、構 電極的結構形式及晶體接觸的好壞直接影響晶體內電場的均勻性，一個極不均勻的電場可能導致器件失去調Q效應。因此，晶體晶體內具有均勻的電場是設計電極結構的基本出發(fā)點內具有均勻的電場是設計電極結構的基本出發(fā)點。 需要有高質量的需要有高質量的激光工作物質激光工作物質，具備儲能密度高的性能，還，具備儲能密度高的性能，還要求有較高的抗強光破壞要求有較高的抗強光破壞閾閾值，能承受較高的激光功率密度。值，能承受較高的激光功率密度。三、對激光工作物質的要求三、對激光工作物質的要求四、對光泵浦燈的要求四、對光泵浦燈的要求 要求泵浦燈的發(fā)光時間（脈沖波形的半寬度）必須小于工作物質的熒光壽命（激光上能級壽命）。但是

54、，燈光半波寬度太窄，燈的效率又會降低，故應根據(jù)激光工作物質，選擇二者匹配比較好的泵燈。五、對五、對Q開關控制電路的要求開關控制電路的要求 要獲得最佳的調Q效果，要求要求Q開關速度要快開關速度要快，必須精確設計各部分電路，使其能很好地協(xié)調。 #一、聲光調Q的基本原理 聲光Q開關器件的結構，由聲光介質、電-聲換能器、吸聲材料和驅動電源組成。其裝置示意圖如圖2.5-1所示。2.5 聲光調聲光調Q熔融石英、玻璃、鉬酸鉛sin B / (2 n s )聲光介質主要采用熔融石英、玻璃、鉬酸鉛等。換能器常采用石英、鈮酸鋰等晶體制成。吸聲材料常用鉛橡膠或玻璃棉等。把聲光Q開關器件插入諧振腔內，當聲光電源產(chǎn)生的

55、高頻振蕩信號加在聲光調Q器件的換能器上時，在聲光介質中，使折射率發(fā)生變化，形成等效的“相位光柵”，當光束通過聲光介質時，便產(chǎn)生布拉格衍射。衍射光相對于0級光有2角的偏離(如當超聲頻率在2050MHz范圍時，石英對1.06m的光波的衍射角為0.30 0.50)，這一角度完全可以使光波偏離出腔外，使諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài)，不能產(chǎn)生振蕩，或者說Q開關將激光“關斷”。當高頻信號的作用突然停止，則聲光介質中的超聲場消失，于是諧振腔又突變?yōu)楦逹值狀態(tài)，相當于Q開關“打開”。Q值交替變化一次，就使激光器輸出一個調Q脈沖。二、聲光調二、聲光調Q器件的結構及設計器件的結構及設計 1.材料的選擇 2.器件的設

56、計 #26 被動式可飽和吸收調被動式可飽和吸收調Q 前面幾節(jié)介紹的都是主動式調Q方法，即是人為地利用某些物理效應來控制激光諧振腔的損耗，從而達到Q值的突變。本節(jié)將介紹一種被動式Q開關，即利用某些可飽和吸收體本身特性，能自動地改變Q值的一種方法。一、可飽和吸收染料的調Q原理 某些有機染料是一種非線性吸收介質，即其吸收系數(shù)并不是常數(shù)，當在較強激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強的增加而減小直至飽和，對光呈現(xiàn)透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數(shù)。（2.6-1）0為光強很小(I0)時的吸收系數(shù)；Is為染料的飽和吸收光強式中，0為光強很小(I0)時的吸收系數(shù)；Is為染料的飽和吸收光強，其大小與染料的

57、種類和濃度有關，一般來說，染料的濃度增加， Is值也增加；I為入射光強。由上式可以看出，當當I Is 時，時，吸收系數(shù)趨于零，染料對通過的光束于是變?yōu)橥该魑障禂?shù)趨于零，染料對通過的光束于是變?yōu)橥该?圖2.6-1示出了染料透過率與光功率密度的關系，透射率 = 1 - 吸收率）圖2.6-1 染料透過率與光功率密度的關系那么，將具有這種性能的染料(溶液或固態(tài)片)置于諧振腔內時（見圖2.6-2),開始，腔內自發(fā)熒光很弱，染料吸收系數(shù)很大，使光的透過率很低，腔處于低Q值(高損耗)狀態(tài)，故不能形成激光振蕩。隨著光泵的繼續(xù)作用反轉粒子數(shù)的積累，腔內熒光逐漸變強，當光強能與Is相比擬時，染料的吸收系數(shù)變小，

58、透過率逐漸增大，到一定數(shù)值時，染料吸收達到飽和（吸收最?。┲担蝗槐弧捌住倍兊猛该髁?，這時腔內Q值猛增，產(chǎn)生激光振蕩輸出調Q激光脈沖。泵浦一定是脈沖式2.6-2 染料調Q激光器因為泵浦是脈沖式的，腔內光場迅速減弱（I0)，因而染料又恢復了吸收特性（透過很?。鸬綄⑶魂P閉的作用，然后再重復以上的過程。#27 轉鏡調轉鏡調Q簡介簡介 激光器的諧振腔中，兩反射鏡的平行度直接影響著諧振腔的Q值，轉鏡調Q就是利用改變反射鏡的平行度反射損耗來控制Q值的方法。圖2.7-1所示的是轉鏡調 Q激光器的示意圖。它是把脈沖激光器諧振腔的全反射鏡用一直角棱鏡取代，該棱鏡安裝在一個高速旋轉馬達的轉子上，由于它繞垂

59、直于腔的軸線作周而復始的旋轉，因此構成一個Q值作周期變化的諧振腔。當泵浦氙燈點燃后，由于棱鏡面與腔軸不垂直，諧振腔反射損耗很大，此時腔的Q值很低，所以不能形成激光振蕩。在這段時間內，工作物質在光泵激勵下，激光上能級反轉粒子數(shù)大量積累，同時棱鏡面也逐漸轉到接近與腔軸垂直的位置，腔的Q值逐漸升高，到一定時刻就形成激光振蕩，并輸出巨脈沖。這就是轉鏡調Q的工作原理。 要使轉鏡調Q激光器獲得穩(wěn)定的最大功率輸出，一個很關鍵的問題，就是準確地控制延遲時間準確地控制延遲時間。即是要求在氙燈點燃之后，需要經(jīng)過一定的延遲時間以保證反轉粒子數(shù)達到極大值(飽和值)，此時恰好等于棱鏡轉到成腔位置(兩反射鏡相平行的位置)

60、所需要的時間，使之形成激光振蕩，才能獲得最大激光功率輸出。因此，過早或過遲地產(chǎn)生激光振蕩都是不理想的。從實驗中發(fā)現(xiàn)存在一個最佳的延遲時間。圖2.7-2表示了轉鏡調Q的運轉過程。由圖可知Q值變化不是嚴格突變的。為了準確地控制延遲時間，通常采用如圖2.7-3所示的延遲裝置。它是在棱鏡架上裝一塊磁鋼和棱鏡一起高速旋轉，當磁鋼轉到與磁頭相切時，磁頭線圈就感應出脈沖信號，放大后經(jīng)觸發(fā)電路去觸發(fā)點燃氙燈。磁頭的位置可以調整，磁頭位置的確定是根據(jù)當棱鏡面的法線方向與諧振腔的軸線方向成角時，磁鋼正好通過磁頭觸發(fā)點燃氙燈。夾角稱為延遲角，與其對應的便是延遲時間t，若馬達的轉速為n(rmin)，則有對應關系 t6