激光调Q技术2015.ppt

* * * * 5.4 激光调 Q 技术 普通的脉冲激光器,光脉冲的宽度约在ms级,峰值功率也只有几十kW. 调 Q 激光器,光脉冲的宽度可以压到ns级,峰值功率也已达到MW. 调Q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，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。 调Q技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 一、激光谐振腔的品质因数Q Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标——品质因数。 1.Q值定义： 2.品质因子Q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Q值的途径 一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q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冲组成的，如图(a)所示。每个尖峰的宽度约为0.1～1μs，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(b)所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现象称为激光器弛豫振荡。 1. 脉冲固体激光器的输出特性 二、调 Q原理 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， 当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。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增加。 E1 E2 弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2来描述。它示出了在弛豫振荡过程中粒子反转数△n 和腔内光子数Φ的变化，每个尖峰可以分为四个阶段 (在t1时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数△n增长，但尚未到达阈值△n阈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(t1一t2)：激光振荡刚开始时，△n＝ △n阈， Φ ＝0；由于光泵作用， △n继续增加，与此同时，腔内光子数密度Φ也开始增加，由于Φ的增长而使△n减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。 图2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化 第二阶段(t2一t3) ： △n到达最大值后开始下降，但仍然大于△n阈 ，因此Φ 继续增长，而且增长非常迅速，达到最大值。 第四阶段(t4一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是△n又开始回升，到t5时刻△n又达到阈值△n阈 ，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,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小 第三阶段(t3一t4)： △n ＜ △n阈 ，增益小于损耗，光子数密度Φ减少并急剧下降。 2.调Ｑ的基本原理 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)。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，那么，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，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。 Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的Q值(或损耗a总)来实现。 调Q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的技术。或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。 调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如右图所示。 图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化； 图(b)表示腔的Q值是时间的