激光控制技术.pptxVIP

激光控制技术;一台普通的脉冲固体激光器，输出的光脉冲宽度是几百微秒，甚至是毫秒量级，峰值功率只有几十千瓦级，显然满足不了诸如激光精密测距、激光雷达、高速摄影、高分辨率光谱学研究等的要求，正是在这些要求的推动下,人们研究和发展了调Q技术和锁模技术。; 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。下图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。; 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，当低于阈值时，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，;弛豫振荡产生的物理过程，可以用下图来描述。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△nth因而不能形成激光振荡。);第一阶段(t1一t2)：激光振荡刚开始时，△n＝ △nth， 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。 ; 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△nth ，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。; 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??种技术。现在，要获得峰值功率在兆瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难。; 1962年，制成了第一台调Q激光器输出峰值功率为600千瓦，脉冲宽度为10-7s量级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调Q方法（如电光调Q、声光调Q、可饱和吸收调Q等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展；;;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。从“激光原理”得知，激光器振荡的阈值条件可表示为 ;υ0为激光 的中心频率。用W表示腔内存储的能量，δ表示光在腔内传播单次能量的损耗率，那么光在一个单程中的能量损耗为W δ。设L为谐振腔腔长，n为介质折射率，c为光速，则光在腔内走一单程所需的时间为nL/c。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为：; 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。;为了减少自发辐射造成的粒子数反转的损失，调Q时间t0小于泵浦光的持续时间(泵浦光的持续时间小于亚稳态寿命)。 t0如果太小，许多有用的泵浦光被浪费了，因为工作物质随光泵照射，粒子数反转还在增加． t0太大，因光泵激发到亚稳态的粒子数不足以抵偿受激辐射造成的粒子数损失而使粒子数反转下降，输出功率减少。;;在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻，粒子数反转达到最大值△ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ni △nt(阈值粒子反转数)，因此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; 调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数Φ增长十分缓慢，如图所示，其值始终很小(Φ≈Φi)，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。;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△t (也就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使△ni迅速减少，到t=tp时刻， △ni= △nt，光子数达到最