长春理工大学激光器件与技术第二章讲详解.ppt

第2章————————————————调Q（Q开关）技术 §2.1 绪论 一、需求背景： 高峰值功率→推进非线性光学的发展； 窄脉宽→激光测距、激光雷达等应用的发展。 二、调Q技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 §2.1 绪论 一. 普通脉冲固体激光器 普通脉冲激光器输出波形由一系列不规则的尖峰脉冲组成 (1) 峰值功率不高，只在阈值附近 (2) 加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率 输出特性：振幅、脉宽和脉冲间隔随机变化的尖峰。 §2.1 绪论 弛豫振荡现象 §2.1 绪论 二. 调Q的基本原理 由于弛豫振荡的存在，使得普通激光器的输出发生在阈值附近，峰值功率无法提高。 在泵浦初期，设法提高激光器的振荡阈值，抑制激光振荡，使上能级反转粒子数可以积累的很高；当积累到最高时，突然将激光器的阈值调到很低，此时，积累的大量反转粒子数便雪崩式地跃迁到激光下能级，在极短时间内将能量释放出来，得到峰值功率很高的巨脉冲输出。 §2.1 绪论 §2.1 绪论 激光器的腔长nL确定后，Q值与谐振腔的损耗δ成反比。损耗大，Q值低，阈值高，不容易起振。可见，要改变激光器阈值，可通过改变激光器的损耗δ 或者激光器的Q值来实现。 §2.1 绪论 在泵浦的大部分时间里谐振腔都处于低Q值状态，阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至t0时刻，反转粒子数达到最大值Δni，在这一时刻，Q值突然升高，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于ΔniΔnth，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内转变为受激辐射场的能量，因此产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。 §2.1 绪论 ，振荡刚开始建立，光子数φ增长十分缓慢，受激发射几率很小，自发辐射占优势。 ， ，雪崩过程开始形成，φ迅速增长，受激辐射迅速超过自发辐射而占优势。光子数的迅速增长使Δn迅速减少。 ， ，光子数φ达到最大值后由于 而迅速减少。 §2.1 绪论 §2.1 绪论 改变谐振腔的损耗，可以使Q值发生变化。 谐振腔的损耗一般包括反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。 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Q技术： 控制反射损耗—机械转镜调Q、电光调Q 控制衍射损耗—声光调Q 控制吸收损耗—可饱和吸收染料调Q §2.1 绪论 对于激光介质，要求：抗损伤阈值要高；上能级有较长的寿命，利于储能； 光泵速率要快于激光上能级的自发辐射速率，即泵浦的持续时间必须小于激光介质的上能级寿命； 谐振腔的Q值改变要快，太慢会使脉宽变宽，甚至会产生多脉冲现象。 绪论 小结 试列举出3个调Q技术的应用。 什么是驰豫振荡现象？ 说明利用调Q技术获得高峰值功率巨脉冲的原理，并简单说明调Q脉冲形成过程中个参量随时间的变化。 试根据下图所示的泵浦速率和腔损耗情况画出相应的腔内光子数变化和上能级粒子数的变化情况。 实现调Q对激光器的要求是什么？ §2.2 调Q激光器的基本理论 一. 调Q的速率方程 调Q脉冲形成过程以及各种参量对激光脉冲的影响，可以采用速率方程来进行分析。 在脉冲输出的瞬态过程中起主导作用的是受激辐射，因此可以忽略自发辐射和泵浦速率的影响。所以下述分析中基于三条假设：(1) Q开关“打开”前后均不考虑自发辐射；(2) Q开关“打开”后忽略泵浦作用；(3) 腔内损耗按阶跃式突变处理。 §2.2 调Q激光器的基本理论 因为激光上、下能级之间的粒子数反转能够集中体现粒子能级跃迁的主要过程。所以为了便于分析，可将工作物质简化为二能级系统，即工作物质无论是三能级系统还是四能级系统，均简化为只有激光上、下两个能级的二能级系统。 §2.2 调Q激光器的基本理论 式中， △n为粒子反转数密度； Φ为腔内光子数密度； A为自发辐射几率；g为腔内自发辐射波型数。 为腔内损耗。 式(6)中，右边第一项表示因受激辐射导致光子数的增加，第二项表示因各种损耗导致光子数的减少。 §2.2 调Q激光器的基本理论 令(6)式为0 (腔的增益等于损耗的阈值条件)，可求得稳态振荡时，阈值反转粒子数△nt为： 将(8)式分别代入(5)、(6)两式，即可得到调Q激光振荡的速率方程为： §2.2 调Q激光器的基本理论 二、速率方程的求解 假定腔内损耗在时间上有一突变，阶