峰值功率：几十KW。三、调Q基本术语成都信息工程学院光电技术学院.PPT

* 成都信息工程学院光电技术学院 钟先琼 成都信息工程学院光电技术学院 钟先琼 * 第三节 Q调制 7.3.1 Q调制引言 一、调Q目的 压窄光脉冲宽度, 使有限的激光能量在极短的时间内输出以提高脉冲峰值功率 。 应用: 激光测距、激光雷达、非线性光学、激光加工等。 二、一般固体激光器的输出时间特性 由于驰豫振荡，输出由一系列宽度为微秒量级的“小尖峰序列”构成的几百微秒或几毫秒宽的无规脉冲。峰值功率：几十KW。 三、调Q基本术语 调Q ：调腔内损耗 Q开关：执行调Q功能的器件 巨脉冲：调Q产生的激光脉冲 四、调Q基本原理 1、原理：通过某方法使腔内损耗按规定程序变化。 2、具体过程 泵浦开始时：调节腔使其高损耗，(低Q)，阈值Dnt 高 ， Q开关关闭，不出激光。上能级粒子数积累。 在适当时刻：即上能级粒子数积累到一较高水平时，突然调节腔使其低损耗， (高Q)，Dnt 低， Q开关打开，受激辐射迅速增长，上能级粒子在短时间内释放储存的能量而形成巨脉冲。 3、调Q脉冲的脉宽和峰值功率 (1)脉宽：几ns ~几十ns。 (2)峰值功率：高于MW。 4、调Q脉冲的形成过程 (1) t 0 (开关关闭)：高损耗 ，腔内光子平均寿命为 ，阈值： ，泵浦使 ↑。 (2) t = 0 (开关打开)： ,无激光，只有少数自发辐射光子Ni。然后突然降低损耗到 ，光子寿命为 ，阈值降为， ，使满足 ，则光子数N↑，则 ↓。 (3) t = tP ： , 光子数N=Nm(最大)。 (4) t tP ： , 光子数N由Nm开始下降直到N=Ni， 时，巨脉冲熄灭。 五、调Q的分类 1、分类一：按照所控制的损耗种类。 (1) 控制反射损耗的：转镜调Q、电光调Q等。 (2) 控制吸收损耗的：可饱和吸收调Q。 (3) 控制衍射损耗的：声光调Q。 (4) 控制输出损耗的：透射式调Q等。 2、分类二 (1) 主动调Q：由外部驱动源控制谐振腔损耗。 (2) 被动调Q：由激光本身光强来控制谐振腔损耗的，如：可饱和吸收调Q。 7.3.2 Q调制方法 机械转镜调Q 电光调Q 声光调Q 可饱和吸收 调Q(被动调Q) 一、机械转镜调Q 工作物质 部分反射镜 泵浦灯 电源 全反射镜 电机 触发电路 延迟装置 y x z 1、装置 可为全反介质膜片，也可为直角棱镜 转镜可绕 z 轴高速转动。 2、调Q原理 控制反射损耗。 泵浦等点燃后，如果转镜与腔轴不垂直，则损耗大，处于低Q状态，Q开关关闭，激光上能级粒子数不断积累，积累到饱和时，若转镜表面刚好转到与腔轴垂直位置，则腔损耗最小，处于高Q状态，Q开关打开，则巨脉冲形成。 3、注意事项 (1) 准确控制延迟时间以获得稳定的最大功率输出。 原因：泵浦等点燃后，需要经过一延迟时间以保证上能级粒子数有一个积累过程，最佳延迟时间刚好使上能级粒子数达到饱和值时，延迟时间过短或过长都无法达到最大功率输出。 实现：要设计同步和延迟装置。 说明：最佳延迟时间与上能级的粒子寿命、泵灯的放电波形及腔的结构均有关。 (2)控制转镜的最佳转速，一般控制为：几万转/分 转镜Q开关是慢开关！ 二、电光调Q 1、晶体的电光效应 (1) 定义：外加电场使构成晶体的原子分子排列发生一定的变化，从而引起晶体折射率也发生变化，也使晶体双折射性质发生变化。 结果：多各向异性晶体，除存在自然双折射外，还存在因外加电场而引起的感应双折射。 (2) 公式： 线性电光效应(普克尔效应) 电光调Q的基础 二次电光效应(克尔效应) 非线性效应，一般较小 2、电光调Q (1)采用KDP类晶体的γ63描述的纵向电光效应 未加电场：折射率主轴为x、y、z(光轴和电场方向) 加上z向电场后：折射率主轴将旋转为与未加电场时的x、y轴成45度夹角，z轴不变，即： 电压 z向厚度 可见，x’轴为快轴，y’轴为慢轴。 则x方向谝振的沿z向照到晶体上后，将分解成沿x’和y’方向偏振的等幅度偏振光，二者经过晶体后的位相差为： V为1/4波电压 V为半波电压 (2)装置 (3)调Q原理 ①(a)图调Q原理：光经P后成为x方向的偏振光，沿z向照到晶体上后，分解成沿x’和y’方向偏振的等幅度偏振光，设晶体上加1/4波电压，则相位差为π/2，经全反镜，再经晶体后，共产生π位相差，偏振面将旋转90度，无法再穿过P。此时损耗大，Q开关关闭，激光不产生，激光上能级积累粒子，适当时候拆区电压，则损耗小，Q开