激光调Q技术.ppt

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5.45.4激光调激光调Q技技术普通的脉冲激光器普通的脉冲激光器,光脉冲的宽度约在光脉冲的宽度约在ms级级,峰值功率峰值功率也只有几十也只有几十kW.调调Q激光器激光器,光脉冲的宽度可以压到光脉冲的宽度可以压到ns级级,峰值功率也峰值功率也已达到已达到MW.调调QQ技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。

功率可提高几个数量级的一种技术。

调调Q技术的目的：

技术的目的：

压缩脉冲宽度，提高峰值功率。

压缩脉冲宽度，提高峰值功率。

一、激光谐振腔的品质因数一、激光谐振腔的品质因数QQ值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标品质因数。

品质因数。

1.Q值定义：

值定义：

2.品质因子品质因子Q与谐振腔的单程总损耗的关系与谐振腔的单程总损耗的关系光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为上式可以改写为光子数密度的形式而体积为V的腔内存储的能量为：

每振荡周期损耗的能量为：

调节调节Q值的途径值的途径一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。

值。

将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记录，发现其波将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的冲组成的，如图，如图（a）所示。

每个尖峰的宽度约为所示。

每个尖峰的宽度约为0.11s，间隔为数微秒，脉冲间隔为数微秒，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦持续时间相等。

图序列的长度大致与闪光灯泵浦持续时间相等。

图（b）所示为观察到的红宝石激光所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。

这种现象称为器输出的尖峰。

这种现象称为激光器弛豫振荡激光器弛豫振荡。

1.脉冲固体激光器的输出特性脉冲固体激光器的输出特性二、二、调调Q原理原理产生弛豫振荡的主要原因：

产生弛豫振荡的主要原因：

当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，而发射激光。

转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，而发射激光。

随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阀随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振荡就停止。

这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新值时，激光振荡就停止。

这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，积累，当超过阈值时，又产生第二个脉冲，当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。

止才结束。

每个尖峰脉冲都是在阈值每个尖峰脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低。

增大泵浦能量也无助于峰值平较低。

增大泵浦能量也无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。

增加。

E1E2弛豫振荡产生的物理过程，可以用图弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2来描述。

它示出了在弛豫振来描述。

它示出了在弛豫振荡过程中粒子反转数荡过程中粒子反转数n和腔内光子数和腔内光子数的变化，每个尖峰可以分的变化，每个尖峰可以分为四个阶段为四个阶段（在在t1时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数n增长，增长，但尚未到达阈值但尚未到达阈值n阈阈因而不能形成激光振荡。

因而不能形成激光振荡。

）图2腔内光子数和粒子反转数随时间的变化第一阶段第一阶段（t1一一t2）：

激光振荡刚开始时，激光振荡刚开始时，nn阈阈，0；由于由于光泵作用，光泵作用，n继续增加，与此同时，腔内光子数密度继续增加，与此同时，腔内光子数密度也开始增也开始增加，由于加，由于的增长而使的增长而使n减小的速率小于泵浦使减小的速率小于泵浦使n增加的速率，增加的速率，因此因此n一直增加到最大值。

一直增加到最大值。

图2腔内光子数和粒子反转数随时间的变化第二阶段第二阶段（t2一一t3）：

n到达最大值后开始下降，到达最大值后开始下降，但仍然大于但仍然大于n阈阈，因此因此继续增长，而且增长继续增长，而且增长非常迅速，达到最大值。

非常迅速，达到最大值。

第四阶段第四阶段（t4一一t5）：

光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是于是n又开始回升，到又开始回升，到t5时刻时刻n又达到阈值又达到阈值n阈阈，于是又开始产于是又开始产生第二个尖峰脉冲。

因为泵浦的抽运过程的持续时间要比每个尖峰生第二个尖峰脉冲。

因为泵浦的抽运过程的持续时间要比每个尖峰脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。

脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。

泵浦功率越大泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小因而尖峰的时间间隔越小第三阶段第三阶段（t3一一t4）：

nn阈阈，增益小增益小于损耗，光子数密度于损耗，光子数密度减少并急剧下降。

减少并急剧下降。

2.调调的基本原理的基本原理通常的激光器谐振腔的损耗是不变的通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。

这是普通激光器峰值功率子数，只能被限制在阈值反转数附近。

这是普通激光器峰值功率（一般为几十千瓦数量级一般为几十千瓦数量级）。

不能提高的原因。

不能提高的原因。

既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。

反转粒子数便可积累得很多。

当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。

改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。

Q值与谐振腔的损耗成反比值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的变谐振腔的Q值值（或损耗或损耗a总）来实现来实现。

调调Q技术就是通过某种方法使腔的技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化值随时间按一定程序变化的技术的技术。

或者说使腔的使腔的损耗损耗随时间按一定程序变化的技术随时间按一定程序变化的技术。

调调Q激光脉冲的建立过程，激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如各参量随时间的变化情况，如右图所示。

右图所示。

图图（a）表示泵浦速率表示泵浦速率Wp随时间的随时间的变化；变化；图图（b）表示腔的表示腔的Q值是时间的阶值是时间的阶跃函数跃函数（蓝虚线蓝虚线）；图图（c）表示粒子反转数表示粒子反转数n的变的变化；化；图图（d）表示腔内光子数表示腔内光子数随时间随时间的变化的变化。

3.Q开关激光器的特点开关激光器的特点

（1）通过改变通过改变Q值值改变阈改变阈值，控制激光产生的时间。

值，控制激光产生的时间。

在泵浦过程的大部分时间里谐振在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低腔处于低Q值状态，故阈值很高值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至子数不断积累，直至t0时刻，粒时刻，粒子数反转达到最大值子数反转达到最大值ni，在这在这一时刻，一时刻，Q值突然升高值突然升高（损耗下降损耗下降），振荡阈值随之降低，于是激，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。

由于此光振荡开始建立。

由于此nint（阈值粒子反转数阈值粒子反转数），因此，因此受激辐射增强非常迅速，激光介受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间质存储的能量在极短的时间内转变为受激辐射场的能量，内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。

高的窄脉冲。

调调Q脉冲的建立有个过程，当脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数至以后一个较长的时间过程中，光子数增长十分缓慢，如图增长十分缓慢，如图3所示，其值始终很所示，其值始终很小，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。

小，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。

图图3从开始振荡到脉冲形成的过程从开始振荡到脉冲形成的过程只有振荡持续到只有振荡持续到ttD时，增长时，增长到了到了D，雪崩过程才形成雪崩过程才形成，才迅速增大，受激辐射才迅才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。

速超过自发辐射而占优势。

（2）两阶段两阶段储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值。

iD因此，调因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间t（也也就是就是Q开关开启的持续时间开关开启的持续时间）。

光子数的迅速增长，使。

光子数的迅速增长，使ni迅速减少，到迅速减少，到t=tp时刻，时刻，ni=nt，光子数达到最大值光子数达到最大值m之后，由之后，由nnt，则，则迅速减少迅速减少，此时此时n=nf，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。

可见，调为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。

可见，调Q脉冲的峰值脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数（ni=nt）的时刻。

的时刻。

iD激光产生输出激光产生输出忽略泵浦和自发辐射的影响。

忽略泵浦和自发辐射的影响。

（3）开关时间开关时间从从Q值最小变到最大值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要的值即损耗从最大变到最小需要的时间叫开关时间。

时间叫开关时间。

开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小分为快、慢两种类型。

分为快、慢两种类型。

谐振腔的谐振腔的Q值与损耗值与损耗a总成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的a总值，就值，就可以使可以使Q值发生相应的变化。

谐振腔的损耗一般包括有：

值发生相应的变化。

谐振腔的损耗一般包括有：

反射损耗、衍射损耗、反射损耗、衍射损耗、吸收损耗吸收损耗等。

那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形等。

那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调成不同的调Q技术。

有技术。

有机械转镜调机械转镜调Q、电光调电光调Q技术，声光调技术，声光调Q技术，染料调技术，染料调Q技术技术等。

等。

三、三、Q调制方法调制方法四、调四、调Q技术关键技术关键动态损耗：

动态损耗：

Q开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证证Q开关打开之前没有激光产生；开关打开之前没有激光产生；插入损耗插入损耗：

Q开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最小，小，一般会引