激光原理與技術：第六章 調Q技術

激光技術-第二講調Q激光器的基本理論概述第六章調Q技術聲光調Q電光調Q被動調Q調Q技術應用第一節(jié)概述6.1.1固體激光器的輸出特性弛豫振蕩的形成（Dn&Nl

的瞬態(tài)變化）t1-t2

泵浦激勵使Dn增加的速率>受激輻射使Dn減小的速率泵浦能量低于閾值泵浦能量高于閾值

t2-t3

受激輻射使Nl

急劇上升

Dnn極大

t3-t4

受激輻射使Dn<Dnt

Nl急劇下降，Dn

t4-t5

t=t4，受激輻射使Dn減小的速率=泵浦使Dn增加的速率若泵浦作用尚未停止，受激輻射減弱導致t>t5又開始第二個脈沖的建立過程，在整個脈沖泵浦過程中，這種過程反復發(fā)生，造成輸出激光的一連串尖峰結構。Nl極大n極小Nl極小6.1.2調Q的基本原理2．調節(jié)Q值的途徑一般采取改變腔內(nèi)損耗的辦法來調節(jié)腔內(nèi)的Q值。1.諧振腔品質因數(shù)Q的定義：ε為腔內(nèi)儲存的總能量，P為單位時間損耗的能量諧振腔的損耗越小，品質因數(shù)越高。諧振腔光程長閾值反轉粒子數(shù)密度增益介質幾何長度真空光速3．調Q的過程

(1)能量存儲過程諧振腔處于低Q值（高損耗）狀態(tài)，當光泵的能量被激光介質吸收后，上能級粒子數(shù)不斷積累，由于閾值太高不能起振，粒子數(shù)反轉達到最大值。若泵浦功率一定，且Q開關一直不打開，反轉粒子數(shù)在泵浦和上能級壽命的雙重作用下達到穩(wěn)態(tài)值。

該過程的基本特點是：泵浦能量存儲在激光上能級上。能量存儲過程(2)激光產(chǎn)生與輸出過程在t0時刻，損耗突然下降，Q值升高，振蕩閾值隨之下降，通常滿足ΔniΔnt，因此，受激輻射增強非常迅速。

激光快速建立，增益介質中存儲的能量在極短的時間內(nèi)轉變?yōu)榧す獾哪芰?，產(chǎn)生一個峰值功率很高的窄脈沖。激光產(chǎn)生過程6.1.3實現(xiàn)調Q對激光器的基本要求（1）工作物質在強泵浦下工作，因此抗損傷閾值要高。并且上能級壽命2較長，使得儲能很高。穩(wěn)態(tài)時（2）泵浦速度應盡量快，以減小自發(fā)輻射的損耗，在低重復頻率調Q激光器中，為得到足夠多的粒子數(shù)反轉，通常取泵浦的持續(xù)時間約等于或小于上能級壽命。（3）諧振腔的Q值改變要快，應小于建立激光振蕩的時間，如果Q開關時間太慢，會使脈沖變寬，甚至產(chǎn)生多脈沖現(xiàn)象。第二節(jié)調Q激光器的基本理論6.2.1調Q的速率方程1.三能級系統(tǒng)速率方程速率方程是調Q激光器的基本理論假設條件：(1)g1=g2；

(2)增益介質長度等于腔長，設為l，模式體積設為V；

(3)Q突變過程中，忽略泵浦和自發(fā)輻射過程。n3=0w13S32A21S21w21w12E1E2E3忽略泵浦和自發(fā)輻射過程，取g1=g2：光子數(shù)密度，和教材一致根據(jù)：左式即藍信鋸《激光技術》2.2-4式，為三能級調Q激光振蕩的速率方程。注意：教材中=1/R，表示單位時間的損耗。2.四能級系統(tǒng)速率方程類似推導得到：w03S32S21A21W21E3E2E1E0S10n3=0n1=06.2.1調Q的速率方程假定腔內(nèi)損耗在時間上有一階躍突變在t=0之前，初始反轉粒子數(shù)密度為ni，其求解方法見第四章第四節(jié)。對于三能級系統(tǒng)：在t=0時刻，初始反轉粒子數(shù)密度為ni，光子數(shù)密度=i

=0。之后，急劇增加，n開始劇減。在n=nt時，腔內(nèi)光子數(shù)密度達到極大值m從對n積分積分得到1.調Q脈沖的峰值功率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值狀態(tài)）則得：若除輸出外其它損耗可忽略否則2.調Q脈沖的能量及能量利用率激光脈沖的能量是由消耗反轉粒子數(shù)的受激輻射過程產(chǎn)生的，若以光子數(shù)密度從極大值m下降到f的時間作為脈沖結束，f

0，f對應的反轉粒子數(shù)密度為nf脈沖能量能量利用率有效輸出占總損耗的比重3.調Q脈沖的時間特性當反轉粒子數(shù)密度降低到n′時，光子數(shù)密度為′對特定時刻為t，反轉粒子數(shù)密度n，對應光子數(shù)密度為光子數(shù)密度滿足：從而得到與t的關系，進一步得到輸出功率與t的關系。脈沖寬度t的半高寬定義：在激光脈沖中，功率降到峰值功率的一半所對應的兩個時刻之差ni/nt是一個極為重要的參量，其值越高，輸出功率越高，脈沖寬度越窄，nf越小，總體效率越高。ni/nt越高，激光脈沖的上升時間越短；諧振腔損耗越高，脈沖的下降時間越短。在激光器設計中，應對增益和損耗進行綜合優(yōu)化。工程上脈沖寬度的計算公式：解：峰值光子數(shù)峰值功率脈沖能量脈沖寬度自學：快開關和慢開關的特性注意：在慢開關的情況下必須數(shù)值求解具體計算作為作業(yè)損耗系數(shù)對于四能級系統(tǒng)，可采用相同方法求解：峰值光子數(shù)密度峰值功率脈沖能量能量利用率工程上脈沖寬度的計算公式：思考：調Q速率方程還可以從哪些方面進行修正?第三節(jié)電光調Q

利用某些晶體的電光效應可以做成電光Q開關器件。特點：開關時間短（約10-9s），調Q時刻可以精確控制，輸出脈沖寬度窄（～10ns），峰值功率高（幾十MW以上）6.3.1帶偏振器的電光調Q器件激光工作物質是Nd:YAG晶體；偏振器采用方解石空氣隙格蘭-傅克棱鏡，或采用鍍光學薄膜的偏振分光鏡；調制晶體用KDP，縱向或橫向應用，晶體兩端的電極與電源相接調Q過程：YAG晶體在氙燈的光泵下發(fā)射自發(fā)輻射光，經(jīng)過偏振棱鏡后變成x方向線偏振光。若電光晶體未加電壓，光通過電光晶體后，其偏振狀態(tài)不發(fā)生變化，經(jīng)全反鏡反射后，再次通過電光晶體和偏振器，電光Q開關處于“打開”狀態(tài)。若電光晶體上施加/4電壓，沿x方向的線偏振光通過晶體后，變成圓偏振光，經(jīng)全反射鏡反射回來，再次通過調制晶體，變成沿y方向振動的線偏振光，不能再通過偏振棱鏡，電光Q開關處于“關閉”狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。通常在氙燈剛開始點燃時，事先電光在晶體上加/4電壓調Q過程：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。Q開關打開的時機：對于氙燈的脈沖泵浦，時機的選擇很重要，當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。對于LD泵浦，泵浦時間大于上能級壽命時，反轉粒子數(shù)達到穩(wěn)態(tài)值，通常取泵浦時間約等于上能級壽命。調Q工作程序：對電容C充電，并接于氙燈電極，但不導通故不點燃。給KDP加電壓，使腔處于關閉狀態(tài)。時標信號發(fā)生器發(fā)出脈沖信號，停止對電容充電，同時觸發(fā)器點燃氙燈，反轉粒子數(shù)開始大量積累。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，電光晶體上的電壓瞬時退掉，形成激光振蕩和巨脈沖輸出。調節(jié)延時時間，使輸出激光最強。關斷效果的調試：為達到最好的關斷效果，必須嚴格保持偏振棱鏡的起偏方向與電光晶體的x軸或y軸方向一致。調試方法：在晶體加電的狀態(tài)下，轉動偏振棱鏡和晶體的相對角度，直到激光不能振蕩。必要時調試驅動電壓。對電光晶體的要求：/4電壓低、消光比高、激光波長處吸收系數(shù)小、能承受的功率密度高。常用的電光晶體：KDP，KD*P，ADP，LiNbO3，LiTaO3等RTP，200kHz，1000VRTP，200kHz，1000V(/2)KD*P，6000V(/2)萊茵光電，1-10Hz,10ns,1J中科紫玉，1-5Hz,10ns,100J國科，1-20Hz,10ns,2J西物激光,10ns,1J6.3.2單塊雙45°電光調Q器件(不做要求)LiNbO3晶體同時產(chǎn)生電光晶體和偏振器的作用。工作原理：未加電壓的情況

無規(guī)偏光沿y軸入射晶體，分解為沿x軸振動的o光和沿z軸振動的e光。

o光反射后沿晶體的光軸傳播。

e光反射后振動方向仍平行于主截面，其折射率變?yōu)閚e′(no)

第二次反射時，o光仍以45°反射，與入射光平行。

e光折射率由ne′變回ne，其反射角又變回45°，反射光與入射光平行。

兩束光之間的距離為光軸（z軸）沿長方體的軸向，電壓沿x軸加到晶體上工作原理：加電壓Vx=V/2

在AB段，入射光的傳播情況與未加電壓時基本相同。

Vx=V/2時，BC段相當于半波片。

原來的o光變成了e′光。

原來的e光變成o′光，經(jīng)過第二個反射面反射時，計算得到

第一個反射面的前段相當于一個起偏器，第二個反射面的后段相當于一個檢偏器，加電后的晶體相當于在兩個偏振器之間夾一塊調制晶體。調Q過程：加電壓Vx=V/2

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(nèi)光路不通，不能形成激光振蕩。在光泵的作用下，積累反轉粒子數(shù)。撤去電壓

腔內(nèi)構成光的通路，相當于處于“開啟”狀態(tài)，Q值突增，激光振蕩形成。

實際上，由于晶體的退偏度、光束的發(fā)散角、晶體幾何尺寸的誤差，從第一個斜面上反射的光不是完全線偏振光，而是偏心率很大的橢圓偏振光，使得輸出四條光線。光預偏置技術（自學）：目的：使兩束線偏振光都旋轉90°，改善關斷效果。方法：使入射光束預先偏斜一個小角度。單塊單45°電光Q開關（了解）6.3.3脈沖透射式（PTM）調Q脈沖反射式（PRM）與脈沖透射式（PTM）調Q：PRM:常規(guī)調Q激光器中，以上能級粒子數(shù)的形式存儲能量，輸出反射鏡輸出激光脈沖，稱為脈沖反射式調Q。PTM

基本特點：以腔內(nèi)光子數(shù)的形式存儲能量，高Q儲能低Q釋放。

結構與原理：將PRM式調Q激光器的輸出鏡換成全反鏡，Q開關打開后，光子在腔內(nèi)往返振蕩而無輸出，直到工作物質的反轉粒子全部轉化為腔內(nèi)光子能量，此時瞬間將光子能量全部透射輸出，稱為脈沖透射式（PTM）調Q。

先振蕩達到最大值，再瞬間釋放出去，故又稱為“腔倒空”。實現(xiàn)方式一：儲能過程

首先電光晶體上不加電壓，積累反轉粒子數(shù)，而后在電光晶體上加上半波電壓，Q值突增，激光振蕩迅速形成。釋放過程

當腔內(nèi)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，腔內(nèi)存儲的最大光能量瞬間透過棱鏡P2而耦合輸出。實現(xiàn)方式二：儲能過程

首先電光晶體上加/4電壓，Q開關處于關閉狀態(tài)，積累反轉粒子數(shù)，而后瞬間撤去電壓，Q值突增，激光振蕩迅速形成。釋放過程

當腔內(nèi)激光振蕩的光子密度達到最大值時，迅速在晶體上加/4電壓，腔內(nèi)存儲的最大光能量瞬間經(jīng)棱鏡P反射而耦合輸出。單塊雙45°電光調Q器件的PTM運轉(不要求)：儲能過程

首先電光晶體上不加電壓，腔損耗很大，積累反轉粒子數(shù)，而后瞬間加上半波電壓，Q值突增，激光振蕩迅速形成。釋放過程

當腔內(nèi)激光振蕩的光子密度達到最大值時，迅速撤去電壓，腔內(nèi)存儲的最大光能量瞬間輸出。PTM運轉方式：優(yōu)點：脈沖寬度窄，峰值功率高缺點：能量釋放時刻難以控制，脈沖噪聲大，光束質量難控制6.3.4調Q技術的其它功能調Q的基本功能是獲得窄脈寬、高峰值功率的巨脈沖。Q開關不僅能有效的控制激光能量和功率特性，還可以控制激光的空間和頻率特性選橫模的功能:在臨界激光（預激光）狀態(tài)產(chǎn)生基橫模“種子”，接著Q開關完全打開，使種子放大，得到功率足夠高的基橫模激光。選單縱模的功能在單橫?；A上，開始時，Q開關處于不完全關閉的狀態(tài)。在靠近中心頻率附近形成單縱模振蕩，而后Q開關完全打開，以之為種子獲得單縱模脈沖激光輸出。第四節(jié)設計電光調Q激光器應考慮的問題（了解）

6.4.1調Q晶體材料的選擇消光比高，晶體折射率的均勻性好透過率高。半波電壓低，驅動功率低?？蛊茐拈撝蹈?。晶體防潮，KDP類晶體易潮解，LN晶體不潮解6.4.2調Q晶體的電極結構KDP類晶體大多采用縱向應用，采用環(huán)狀電極結構。LN類晶體采用橫向應用，采用平板電極結構。6.4.3對激光工作物質的要求儲能密度高，上能級壽命長?？箵p傷閾值高。6.4.4對光泵浦燈的要求效率高，與激光工作物質光譜匹配好。壽命長，可靠性高。6.4.5對Q開光控制電路的要求Q開關速度快。效率高，功耗小。電光調Q激光器的新進展與新思想復合腔電光調Q微晶片激光器1995年

MIT，J.J.Zayhowski等提出Nd:YAG/LiTaO3結構，腔長1.4mm輸出脈沖能量12μJ重復頻率1kHz，脈寬115ps，峰值功率90kW。重復頻率2.25MHz，脈寬8.8ns，峰值功率16W。鍍膜低壓電光調Q激光器思考：如何調Q？第五節(jié)聲光調Q6.5.1聲光調Q的基本原理聲光Q開關的結構--與聲光調制器基本相同聲光介質采用熔融石英、玻璃和鉬酸鉛等。換能器采用石英、鈮酸鋰等晶體等。吸聲材料采用鉛玻璃、玻璃棉等。高頻振蕩信號加到換能器上，當光束通過聲光介質時，產(chǎn)生布拉格衍射，諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài)，即“關斷”狀態(tài)。撤去高頻信號，諧振腔處于低損耗高Q值狀態(tài)，即“打開”狀態(tài)。吸聲器換能器聲光介質聲光Q開關的打開時間--由關斷到打開的時間主要由聲光渡越時間決定，對熔融石英約為200ns。為避免多脈沖的產(chǎn)生，聲光Q開關一般用于增益較低的連續(xù)泵浦激光器，重頻一般為1～200kHz。目前通過對激光器的優(yōu)化設計，重頻可達到1MHz以上。6.5.2聲光調Q器件的結構及設計

聲光調Q器件一般都采用行波工作方式，必須使用吸聲材料或吸聲裝置，以消除超聲波的反射。

應用中應減小超聲衰減時間（RFFallTime），減小超聲渡越時間。吸聲器換能器聲光介質材料的選擇電聲換能器選擇石英晶體片和LN晶體片。聲光介質的選擇應考慮介質的品質因數(shù)、對激光的透過率、熱穩(wěn)定性、光學均勻性、抗損傷閾值等。

①氧化碲和鉬酸鉛的品質因數(shù)高，但對1μm激光透過率低，不適于高功率激光。

②熔融石英品質因數(shù)不高，但透光性好、抗損傷閾值高、聲光渡越時間小，是高功率激光器常用的聲光介質。器件的設計布拉格衍射效率：L/H的比值越大，衍射效率越高。H的選擇應比光斑直徑稍大。換能器的厚度為超聲波的半波長。聲光介質的通光面與超聲波面磨成90°-B角，以保證垂直通光面入射，方便光路對準，且此時表面反射損耗最小。聲光介質與換能器的粘接工藝（了解）通光方向器件的結構形式器件在工作過程中產(chǎn)生熱量，影響器件的性能，應考慮散熱問題。驅動聲功率的確定根據(jù)衍射效率公式，要使衍射效率逼近100%，所需聲功率

此外，在超聲場的狀態(tài)轉換中，與其上升時間相比，超聲場的下降時間更重要，超聲場的下降時間和超聲渡越時間決定了Q開關的打開時間，該打開時間應小于脈沖建立時間，以避免激光脈沖展寬或者多脈沖的產(chǎn)生。與水的品質因數(shù)的比值.6.5.3聲光調Q動態(tài)實驗及輸出特性調Q運行程序啟動泵浦，輸出激光。向Q開關注入高頻電信號，關斷激光。向Q開關注入脈沖調制信號，產(chǎn)生周期

激光脈沖。聲光調Q激光器的新進展1聲光調Q激光器的新進展22005OpticalSocietyofAmerica聲光調Q激光器的新進展3TsinghuaUniversity聲光調Q激光器的新進展4—端面泵浦折疊腔AOQ-switch2006第五節(jié)被動調Q特點：利用某些可飽和吸收體本身特性，自動的改變Q值。不需要高壓、高速電源驅動，綜合效率高。6.6.1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，其吸收系數(shù)隨著光強的增大而減小，直至透明，吸收系數(shù)的表達式為飽和吸收光強初始吸收系數(shù)飽和吸收光強與染料的種類和濃度有關，一般隨濃度的增加而增大。調Q過程描述1：見教材。調Q過程描述2：隨著反轉粒子數(shù)的積累，到足以克服初始吸收和其它損耗時，激光開始建立，隨著光強的增大，吸收系數(shù)減小，即諧振腔損耗減小，這種“正反饋”作用，加速了激光脈沖的建立，產(chǎn)生一個窄而強的調Q脈沖。用作調Q對染料的要求：①對激光波長有吸收峰；②對激光的受激吸收截面比增益介質的受激發(fā)射界面大；③染料的上能級壽命足夠長，應大于光脈沖建立時間。6.6.2飽和吸收的速率方程將染料近似為二能級系統(tǒng)，對于四能級增益介質，速率方程為其中，為腔內(nèi)光子數(shù)，N2為增益介質上能級粒子數(shù)，Na1、Na2和Na0分別為染料基態(tài)能級、上能級和總粒子數(shù)，Wa12和Wa21分別為染料的受激吸收和受激輻射速率，Va為增益介質內(nèi)的模式體積，a為染料上能級壽命被動調Q速率方程的解析解可參考：吳念樂等，含Cr離子飽和吸收體被動調Q解析解，光學學報，1996，16（12）：1813－1818被動調Q的過程腔內(nèi)光子數(shù)增益介質反轉粒子數(shù)可飽和吸收體基態(tài)和上能級粒子數(shù)之差單脈沖建立過程腔內(nèi)光子數(shù)增益介質反轉粒子數(shù)可飽和吸收體基態(tài)和上能級粒子數(shù)之差6.6.3染料調Q激光器及其輸出特性為避免寄生振蕩，最好把染料盒放置成與全反鏡有一傾斜角1.染料的選擇應考慮的要求(1)染料的吸收峰應與激光波長基本吻合(2)染料要有適當?shù)娘柡凸鈴娭?，太小則反轉粒子數(shù)積累不充分，太大則閾值太高，難以形成激光振蕩(3)染料溶液要有一定的穩(wěn)定性，包括保存時間，強光輻射和紫外光照射的影響，染料的氧化。2.影響染料調Q輸出特性的因素(1)染料濃度，提高濃度，脈沖峰值功率提高，同時泵浦閾值提高，激光效率降低，存在一個最佳濃度（或初始透過率）使激光器的輸出能量和閾值能量之比最大。(2)輸入能量與多脈沖的產(chǎn)生。(3)染料盒，其厚度越大，損耗越大，但厚度太小會影響流動性和使用壽命。(4)諧振腔輸出鏡反射率，太高則反轉粒子數(shù)積累不充分，輸出峰值功率低，激光效率低；太低則無法形成調Q脈沖；理論計算表明可飽和吸收體的初始透過率應約等于輸出反射率*。*參考：J.J.Zayhowski,andA.L.Wilson,"Short-pulsedNd:YAG/Cr4+:YAGpassivelyQ-switchedmicrochiplasers,"inConferenceonLasersandElectro-OpticsEurope(2003,paperCThF2)6.6.4LiF:F2-色心晶體（可飽和吸收）調Q(了解)某些色心晶體具有合適的吸收截面和上能級壽命，在較低的光強作用下，可進入非線性的飽和狀態(tài)。按照二能級系統(tǒng)粒子模型，可飽和吸收體的飽和光強LiF色心晶體的優(yōu)點：使用簡便，光學質量穩(wěn)定，不潮解，熱導率高，損傷閾值高。LiF色心晶體在0.96μm處有一強吸收峰，與Nd離子的發(fā)射波長吻合較好，可作為Nd:YAG和釹玻璃激光器的Q開關。實施例：作為Nd:YAG激光器的Q開關，在37.5J泵浦能量下，獲得脈沖寬度25ns，能量100mJ的輸出。以Cr4+:YAG晶體的出現(xiàn)為代表，使被動調Q固體激光器走向實用，并促使大量產(chǎn)品問世。6.6.5二極管泵浦的被動調Q激光器（了解）Cr4+:YAG晶體具有優(yōu)異的光學質量，性能非常穩(wěn)定，很高的熱導率和抗損傷閾值，是理想的可飽和吸收材料Cr4+:YAG晶體的能級結構Cr4+:YAG晶體可作為0.8μm-1.2μm激光的被動Q開關。其它常用的可飽和吸收體還包括GaAs、SE