第26講 調(diào)Q激光器的基本理論--朱廣志

1、激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)第二十六講第二十六講調(diào)調(diào)Q激光器的基本理論激光器的基本理論226.1調(diào)調(diào)Q技術(shù)概述技術(shù)概述Q調(diào)調(diào) 技技術(shù)術(shù)是是將將一一般般輸輸出出的的連連續(xù)續(xù)或或脈脈沖沖激激光光能能量量壓壓縮縮到到寬寬度度極極窄窄的的脈脈沖沖中中發(fā)發(fā)射射，從從而而使使光光源源的的峰峰值值功功率率可可以以提提高高幾幾個個數(shù)數(shù)量量級級的的一一種種技技術(shù)術(shù)。激激光光有有著著單單色色性性好好，方方向向性性好好，高高亮亮度度的的特特點點：EPBS tS 提提高高激激光光的的功功率率，可可以以提提高高激激光光的的亮亮度度。 在在不不增增加加激激光光的的和和這這兩兩個個因因素素的的前前提提下下，提提高高激激光光

2、的的功功率率最最有有效效的的方方法法就就減減少少模模體體積積激激光光器器的的泵泵浦浦是是激激光光的的脈脈沖沖寬寬度度能能量量1/固固體體激激光光工工作作物物質(zhì)質(zhì)的的譜譜線線寬寬度度比比較較寬寬，由由可可知知，固固體體激激光光器器具具有有壓壓縮縮脈脈沖沖寬寬度度的的潛潛力力。326.1調(diào)調(diào)Q技術(shù)概述技術(shù)概述Q調(diào)調(diào) 技技術(shù)術(shù)的的應(yīng)應(yīng)用用舉舉例例：強強相相干干光光與與物物質(zhì)質(zhì)非非線線性性光光學學相相互互作作用用：需需要要高高功功率率、激激光光醫(yī)醫(yī)學學、激激光光窄窄脈脈寬寬激激加加工工光光光光源源。：提提激激光光高高測測測測距距、雷雷達達量量精精度度。22cLctLt 1150tmsLkm 1150t

3、sLm 1150tnsLmm 1150tpsLm 激激光光脈脈沖沖的的分分類類 300msc tkm 長長脈脈沖沖 mss 脈脈沖沖100 nsns 短短脈脈沖沖100 psfs 超超短短脈脈沖沖426.1調(diào)調(diào)Q技術(shù)概述技術(shù)概述一一、激激光光器器的的弛弛豫豫振振蕩蕩對對四四能能級級系系統(tǒng)統(tǒng)，速速率率方方程程可可以以寫寫為為：2()ptotcd nnWnnn cdtdn cSdt 1010thnntpumpn 時時刻刻時時刻刻：122thttnnn cpumpn cn 時時刻刻時時刻刻：23max3ththttpumpnnnnn 時時刻刻時時刻刻：受受激激輻輻射射當當時時534min4thnnn

4、 cttpumpn cnn 時時刻刻時時刻刻：45min5,ththpumpn cnttnnnn 時時刻刻時時刻刻：當當時時開開始始新新的的循循環(huán)環(huán)26.1調(diào)調(diào)Q技術(shù)概述技術(shù)概述626.1調(diào)調(diào)Q技術(shù)概述技術(shù)概述 增增加加泵泵浦浦功功率率只只能能減減少少尖尖峰峰的的間間隔隔，增增加加尖尖峰峰頻頻率率， 不不能能減減少少激激光光脈脈寬寬， 也也不不能能增增加加激激光光器器的的峰峰值值功功率率726.1調(diào)調(diào)Q技術(shù)概述技術(shù)概述Q二二、 值值的的定定義義Q品品質(zhì)質(zhì)因因數(shù)數(shù) 值值有有其其他他多多種種等等價價的的定定義義：0Q 諧諧振振腔腔內(nèi)內(nèi)存存儲儲的的能能量量單單位位時時間間內(nèi)內(nèi)損損耗耗的的能能量量00

5、2=22QT儲儲能能儲儲能能諧諧振振腔腔的的儲儲能能功功耗耗功功耗耗一一個個振振蕩蕩周周期期的的能能量量損損耗耗=2Q 諧諧振振腔腔中中光光場場能能夠夠存存在在的的周周期期數(shù)數(shù)0Q 諧諧振振中中心心頻頻率率半半功功率率點點頻頻寬寬c 為為腔腔內(nèi)內(nèi)光光子子壽壽命命；01c 00/2LLL cL c 為為腔腔內(nèi)內(nèi)光光子子單單位位時時間間內(nèi)內(nèi)的的損損耗耗率率；LL為為腔腔內(nèi)內(nèi)單單程程損損耗耗， 為為腔腔長長， 為為折折射射率率0c826.1調(diào)調(diào)Q技術(shù)概述技術(shù)概述Q三三、調(diào)調(diào) 原原理理通通常常的的激激光光器器諧諧振振腔腔的的損損耗耗是是不不變變的的，一一旦旦光光泵泵浦浦使使反反達達到到或或略略超超過過

6、閾閾值值激激光光器器便便轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)開開粒粒子子數(shù)數(shù)時時，始始振振蕩蕩，上上能能級級的的粒粒子子 數(shù)數(shù)因因受受激激輻輻射射 于于是是激激光光，致致使使上上能能級級不不能能積積累累很很大大的的反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)粒粒子子數(shù)數(shù)，只只能能被被限限制制在在閾閾值值反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)粒粒而而減減少少子子數(shù)數(shù)附附近近。這這是是普普通通激激光光器器峰峰值值功功率率不不能能提提高高的的原原因因。要要使使上上能能級級積積累累大大量量的的粒粒子子，可可以以設(shè)設(shè)法法通通過過改改變變激激光光器器的的閾閾值值來來實實現(xiàn)現(xiàn)高高閾閾值值，抑抑制制激激光光振振蕩蕩的的產(chǎn)產(chǎn)生生，積積累累反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)泵泵浦浦初初期期：粒粒子子數(shù)數(shù)；突突然然降降低低閾閾值值，上上

7、能能級級粒粒子子在在極極短短時時間間內(nèi)內(nèi)雪雪崩崩式式躍躍遷遷到到低低能能級級，將將能能量量釋釋放放出出來來，反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)粒粒子子數(shù)數(shù)積積累累到到最最獲獲得得巨巨脈脈沖沖大大：激激光光輸輸出出。926.1調(diào)調(diào)Q技術(shù)概述技術(shù)概述由由閾閾值值條條件件可可知知：/ththcGnc 212112cthcnnncAQA Q要要改改變變激激光光器器的的閾閾值值，可可以以通通過過突突變變諧諧振振腔腔的的 值值 或或損損耗耗來來實實現(xiàn)現(xiàn)。QQ調(diào)調(diào) 技技術(shù)術(shù)是是通通過過某某種種方方法法使使腔腔內(nèi)內(nèi) 值值按按一一定定程程序序變變化化的的技技術(shù)術(shù)。QQ低低則則抑抑制制激激光光產(chǎn)產(chǎn)生生，使使粒粒子子在在上上能能級級積積累累

8、到到一一定定程程度度后后提提高高 值值，建建立立激激光光振振蕩蕩，形形成成巨巨脈脈沖沖輸輸出出。1026.1調(diào)調(diào)Q技術(shù)概述技術(shù)概述Qn 開開始始諧諧振振腔腔處處于于低低 值值狀狀態(tài)態(tài)，不不斷斷積積累累；0tQ時時， 值值突突然然升升高高，開開始始建建立立激激光光振振蕩蕩0DDttt 時時間間內(nèi)內(nèi)， 增增長長十十分分緩緩慢慢，后后， 才才開開始始雪雪崩崩式式地地快快速速增增長長；0DDttt為為脈脈沖沖建建立立時時間間tmnn 時時， = =fn 為為剩剩余余反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)粒粒子子數(shù)數(shù)1126.1調(diào)調(diào)Q技術(shù)概述技術(shù)概述Q四四、實實現(xiàn)現(xiàn)調(diào)調(diào) 對對激激光光器器的的要要求求工工作作介介質(zhì)質(zhì)抗抗損損傷傷閾閾值

9、值要要高高。上上能能級級壽壽命命要要比比較較長長泵泵浦浦過過程程使使上上能能級級粒粒子子增增加加，在在沒沒有有產(chǎn)產(chǎn)生生受受激激輻輻射射的的情情況況下下，自自發(fā)發(fā)輻輻射射使使上上能能級級粒粒子子減減少少，當當兩兩者者平平衡衡時時就就是是上上能能級級能能夠夠積積累累的的最最大大粒粒子子數(shù)數(shù)。202pnn W 202pnn W 泵泵浦浦的的持持續(xù)續(xù)時時間間與與激激光光介介質(zhì)質(zhì)的的上上能能級級壽壽命命匹匹配配DQt諧諧振振腔腔的的 值值改改變變要要快快，一一般般應(yīng)應(yīng)小小于于諧諧振振腔腔建建立立激激光光振振蕩蕩的的時時間間 ，Q 如如果果 開開關(guān)關(guān)時時間間太太慢慢，會會使使脈脈沖沖變變寬寬，甚甚至至會會

10、產(chǎn)產(chǎn)生生 多多脈脈沖沖現(xiàn)現(xiàn)象象。1226.2調(diào)調(diào)Q速率方程速率方程1132222scd nnWn cn Adtdn cdt 三三能能級級系系統(tǒng)統(tǒng)的的速速率率方方程程003:scd nn Wn cnAdtdn cdt 四四能能級級系系統(tǒng)統(tǒng)的的速速率率方方程程因因為為粒粒子子受受到到外外界界激激勵勵在在能能級級間間躍躍遷遷過過程程中中，主主要要發(fā)發(fā)生生在在兩兩個個能能級級之之間間，因因此此可可以以從從二二能能級級系系統(tǒng)統(tǒng)模模型型取取代代實實際際的的三三能能級級和和四四能能級級系系統(tǒng)統(tǒng)。12222psd nnWn cn Adt c 為為諧諧振振腔腔單單位位時時間間損損耗耗2csdn cn Adt 1

11、326.2調(diào)調(diào)Q速率方程速率方程Q受受激激輻輻射射泵泵浦浦激激在在 值值突突變變過過程程中中勵勵自自發(fā)發(fā)輻輻射射，起起主主導導地地位位的的是是，和和過過程程的的影影響響可可以以忽忽略略不不激激光光器器參參數(shù)數(shù)計計，則則前前式式劇劇烈烈化化，變變簡簡化化為為： maxmin00tt 2cd nn cdtdn cdt 0tdnndt 當當時時，可可以以得得到到 0cn cctnc Q可可以以得得到到最最終終的的調(diào)調(diào) 速速率率方方程程為為：221(0)(0)()ctctitsd nndtndndtnnnnn A 很很小小的的值值1426.3 調(diào)調(diào)Q速率方程的求解速率方程的求解21ctctd nndt

12、ndndtn 112tndd nn 112tndd nn 0112intnndd nn 1ln2itinnnnn 積積分分后后可可以以得得到到: :Q分分析析 脈脈沖沖形形成成過過程程，可可以以得得到到：inn tnn m fnn 0 0 一一、方方程程求求解解15246810 12 14ninth0.1110100mnthmnthninth26.3 調(diào)調(diào)Q速率方程的求解速率方程的求解二二、峰峰值值光光子子數(shù)數(shù)密密度度1ln2itinnnnn tmnn 當當時時，有有1ln2tmittinnnnn 1D 將將上上式式在在點點級級數(shù)數(shù)展展開開， 211lnx12xx + + 214tmnD 1l

13、n2tiittnnnnn itnDn 定定義義為為超超閾閾度度，則則 1ln2tDDn 1626.3 調(diào)調(diào)Q速率方程的求解速率方程的求解1ln2itinnnnn 三三、峰峰值值功功率率mc可可以以近近似似認認為為，光光子子在在腔腔內(nèi)內(nèi)的的光光子子壽壽命命的的時時間間內(nèi)內(nèi)逸逸出出，mmchhP 而而每每個個光光子子能能量量為為，則則激激光光的的瞬瞬時時功功率率為為，則則有有：ln2tmittcinhPnnnn itnn 如如果果，則則上上式式可可以以化化簡簡為為2imcnPh 17123450.00.81.0ninthnfnthnfnthninth26.3 調(diào)調(diào)Q速率方程的求解

14、速率方程的求解fn 四四、剩剩余余反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)粒粒子子數(shù)數(shù)1ln2itinnnnn ln=0fiftinnnnn lnffiitnnnnn expfifitnnnnn expffttnnnnDD ftDnn 60.015ftnDn 0fnn 1826.3 調(diào)調(diào)Q速率方程的求解速率方程的求解Q五五、 脈脈沖沖能能量量利利用用率率1234560.00.81.0ninthninthifinnnQ 代代表表調(diào)調(diào) 脈脈沖沖從從激激光光介介質(zhì)質(zhì)中中可可以以提提取取多多大大比比例例的的能能量量，稱稱為為單單脈脈沖沖能能量量利利用用率率，有有：111ififiththinnnnnnnniffii

15、nnneenn 1expD即即：1.50.5830.94DD 19ninth =10ninth =20ninth =30ninth =40ninth =500.010.020.030.040.050.06s5000010000015000020000025000026.3 調(diào)調(diào)Q速率方程的求解速率方程的求解Q六六、調(diào)調(diào) 脈脈沖沖的的時時間間特特性性：D 脈脈沖沖上上升升時時間間下下降降時時間間同同時時縮縮隨隨著著，和和，短短脈脈沖沖變變窄窄，上上升升時時間間迅迅速速縮縮短短下下上上升升沿沿變變降降沿沿變變化化更更大大，化化緩緩慢慢，c 因因為為下下降降沿沿時時間間主主要要取取決決于于光光子子的的自自由由衰衰減減壽壽命命，:1.6499827.38D前前沿沿變變窄窄 倍倍，后后沿沿變變窄窄當當倍倍2026.3 調(diào)調(diào)Q速率方程的求解速率方程的求解Q七七、調(diào)調(diào) 的的關(guān)關(guān)鍵鍵參參量量1itnDn 、超超閾閾度度：mmPDEt 01icttnndndtn 在在附附近近，要要獲獲得得高高的的超超閾閾度度，要要求求泵泵浦浦強強，損損耗耗低低。 0e