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激光技术-第三讲 调Q技术应用 第一节 概述 2．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。 3．调Q的过程 (1)能量存储过程 谐振腔处于低Q值（高损耗）状态，当光泵的能量被激光介质吸收后，上能级粒子数不断积累，由于阈值太高不能起振，粒子数反转达到最大值 ，若Q开关一直不打开，反转粒子数在泵浦和上能级寿命的双重作用下达到稳态值。 该过程的基本特点是：泵浦能量存储在激光上能级上。 (2)激光产生与输出过程 在t0时刻，损耗突然下降，Q值升高，振荡阈值随之下降，通常满足Δni??Δnt，因此，受激辐射增强非常迅速，激光快速建立，增益介质中存储的能量在极短的时间内转变为激光的能量，产生一个峰值功率很高的窄脉冲。 第二节 调Q激光器的基本理论 5.2.1 调Q的速率方程 1.三能级系统速率方程 2. 四能级系统速率方程 5.2.1 调Q的速率方程 * * 调Q激光器的基本理论 概述 第五章 调Q技术 5.1.1 固体激光器的输出特性 弛豫振荡的形成 （Dn Nl 的瞬态变化） t1- t2 泵浦激励使Dn增加的速率 受激辐射使Dn减小的速率 泵浦能量低于阈值 泵浦能量高于阈值 t2- t3 受激辐射使Nl 急剧上升 ? Dn? ?n极大 t3- t4 受激辐射使 Dn Dnt Nl急剧下降，Dn ? t4- t5 t=t4，受激辐射使Dn减小的速率 = 泵浦使Dn增加的速率 若泵浦作用尚未停止，受激辐射减弱导致 tt5 又开始第二个脉冲的建立过程，在整个脉冲泵浦过程中， 这种过程反复发生，造成输出激光的一连串尖峰结构。 Nl极大 ?n极小 Nl极小 5.1.2 调Q的基本原理 1. 谐振腔品质因数Q的定义： ε为腔内储存的总能量，P为单位时间损耗的能量 谐振腔的损耗越小，品质因数越高。 谐振腔光程长 阈值反转粒子数密度 增益介质几何长度 真空光速 能量存储过程 激光产生过程 5.1.3 实现调Q对激光器的基本要求 （1）工作物质在强泵浦下工作，因此抗损伤阈值要高。并且上能级寿命?2较长，使得储能很高。 稳态时 （2）泵浦速度应尽量快，以减小自发辐射的损耗，在低重复频率调Q激光器中，为得到足够多的粒子数反转，通常取泵浦的持续时间约等于或小于上能级寿命。 （3）谐振腔的Q值改变要快，一般应小于建立激光振荡的时间，如果Q开关时间太慢，会使脉冲变宽，甚至产生多脉冲现象。 速率方程是调Q激光器的基本理论 假设条件：(1) g1=g2； (2)增益介质长度等于腔长，设为l，模式体积设为V； (3)Q突变过程中，忽略泵浦和自发辐射过程。 n3=0 w13 S32 A21 S21 w21 w12 E1 E2 E3 忽略泵浦和自发辐射过程，取g1=g2： 光子数密度，和教材一致 根据： 左式即教材5.2-4式，为三能级调Q激光振荡的速率方程。 注意：教材中? =1/?R，表示单位时间的损耗。 类似推导得到： w03 S32 S21 A21 W21 E3 E2 E1 E0 S10 n3=0 n1=0 假定腔内损耗在时间上有一阶跃突变 在t=0之前，初始反转粒子数密度为?ni，其求解方法见第三章第六节。 对于三能级系统，由5.2-4式： 在t=0时刻，初始反转粒子数密度为?ni，光子数密度? =?i =0。之后，? 急剧增加，?n开始剧减。 在?n=?nt时，腔内光子数密度达到极大值?m 从 对?n积分 积分得到 1. 调Q脉冲的峰值功率 如果初始反转粒子数?ni大大超过阈值反转粒子数?nt（高Q值状态）则得： 若除输出外其它损耗可忽略 否则 2. 调Q脉冲的能量及能量利用率 激光脉冲的能量是由消耗反转粒子数的受激辐射过程产生的，若以光子数密度从极大值?m下降到?f的时间作为脉冲结束，?f ?0，?f对应的反转粒子数密度为?nf 脉冲能量 能量利用率 有效输出占 总损耗的比重 *