调Q(Q开关)技术教程

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1、第二章 调Q(Q开关)技术,调Q(Q开关)技术,两个基本问题： 一、调Q技术的基本概念和基本理论 二、实现调Q技术的方法： 1. 电光调Q ； 2. 声光调Q ； 3. 染料调Q ； 4. 色心晶体调Q； 5. 转镜调Q 。,2.1 概述,一、调Q技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。,二、一般固体脉冲激光器的输出特性 1. 输出的脉冲是系列尖峰振荡 激光器在阈值附近工作。 2. 脉宽比较宽，输出功率低,三、调Q原理 1. 定义：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。Q值-定义为在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。 式中W-腔内储存的总能量， dW/d

2、t-光子能量的损耗速率，即单位时间内损耗的能量。 -激光的中心频率。 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技术的过程 (1)能量贮存过程 a.激活介质贮能 当光泵的能量被激光介质吸收后，使激活离子贮存在激活介质的高能态上（该能级有一定的寿命）。不产生激光辐射从而使反转粒子数达到最大值。实现这一过程，满足的条件： 达到最大值，增益达到最大，而 很大，使阈值高，满足 ，激光不振荡，Q低。 b.激活介质谐振腔组合贮能 先是使反转粒子数达到最大值 ,但满足 然后使 产生激光又以光子的形式贮存在腔内。,(2)激光产生与输出过程 条件： , 减小到 , Q达到最高。 因为

3、增益最大，所以 小时，激光迅速建立，在极短的时间内，工作物质贮能通过光子的受激辐射过程释放出来，形成巨脉冲。调Q的过程：调节 ，相当于Q是一个门，关上门，Q低贮能，打开门产生激光。,2.2 调Q激光器的基本理论,一、调Q的速率方程。 1.速率方程 对于一般的脉冲激光器，脉冲形成时间长，泵浦、自发辐射、受激跃迁过程都是存在的。采用Q开关技术后，各参量之间的关系发生了很大的变化。根据Q开关的过程分析速率方程的变化。,2. 调Q理论 调Q的过程：氙灯的能量转成工作物质的能量，两个阶段 (1)即低能态的粒子被激发到高能态，产生最大 ；(2)产生受激辐射。 (1) 积累 ,达到最大值（不让出激光）经过一

4、段延迟时间 从氙灯点燃到Q开关打开积累 的时间 此阶段不应存在受激辐射过程。 速率方程：,(2)激光脉冲形成与输出（瞬态过程） 受激辐射迅速，时间短，因此忽略泵浦和自发辐射。Q开关方程： 此阶段主要是产生光子。要使光子增长的快 0, 而且 大好。 从光子的速率方程可以看出，在激光形成阶段，光子的损耗下降的快慢对激光形成是有影响的，下降的快，有利于激光的形成。,二、阶跃式Q突变的近似解 阶跃式Q突变，即Q值从第一阶段的最小值突然变到第二阶段的最大值不需要时间，或者说需要的时间很短，可以忽略。 1. 激光脉冲的峰值功率和脉冲能量 要找到脉冲的峰值功率，只要知道输出的最大光子数即可，利用速率方程组可

5、得到： 其中， 工作物质的体积， 单位时间光子的透过率。,2时间特性 调Q激光器输出的脉冲从时间上分为三阶段：脉冲建立时间 、脉冲前沿时间和脉冲后沿时间 。 脉冲宽度可表示为 上面积分，由于含有对数项，不易直接 求得解析解，只能用数值积分法求得的数值解。 3参量 的影响 越大，则峰值功率、输出的能量越大、脉冲宽度越窄，说明调Q的效果越好。,三、Q开关激光器的特点 1. 通过改变改变Q值改变阈值，控制激光产生的时间。 2. 两阶段 （1）储能阶段（延迟时间） 反转粒子数达最大值 。 （2）激光产生输出 忽略泵浦和自发辐射的影响。 3. 开关时间 从Q值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要的时

6、间叫开关时间。 开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小分为快、慢两种类型。,2.3 电光晶体调Q,一、电光晶体调Q原理 1. 电光Q开关原理。 利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。 （1）第一阶段：积累阶段 例如：采用KDP纵向运用方式，即Z向加电场，Z向通光,第一阶段是在晶体上加 。偏振光通过KDP晶体时分解为沿X和Y方向振动的振幅相等的两束光，两束光的振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播时，其合成的规迹由两光的相位差来决定，当 时，两束光合成为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原振动方向旋转90度。因为P1/P2，所以，从晶体出来的光不能通过P2，

7、被P2反射掉。所以光不能在腔内来回传播形成振荡。这就相当于腔内光子的损耗很大，Q值很高，称为“关门”状态。 （2）第二阶段：脉冲形成阶段Q开关完全打开 在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值 时，突然退去晶体上的电压，这时晶体又恢复了原来的状态，光在腔内形成振荡 。,（3）激光器的时序关系 电光Q开关的过程由晶体上加一阶跃式电压来完成的。是快开关，因此时序关系同阶跃式Q开关。 （4）电光晶体Q开关的电路 要获得一高峰值功率的窄脉冲，对同步电路的要求是： a 给出可靠的触发信号去点燃氙灯。 b在点燃氙灯的同时，给出一脉冲信号经过一段延迟时间后，退去晶体上的电压，打开Q开关。延迟时间可靠、准确、

8、可调。 c退电压要快开关速度快。 d晶体上加 电压，要求稳定可调。 e保证Q开关关的及时。,2简化的结构： 前面的结构在晶体上加 ，对于KDP来说=10000V，给电路带来不便。腔内插入两个偏振片，增加插入损耗，改进结构。晶体上加 ：从YAG来的光通过P变成x(y)方向振动的光，通过KDP时，分成x(y)方向振动的光，加 ，两束光的相位差 。出射晶体以后，合成为圆偏光（偏振面旋转45度），这束圆偏光通过全反射后第二次通过KDP，o、e光又得到 相位差合成为线偏光。线偏光的偏振方向和入射光的偏振方向成90度，或者说光通过KDP两次，o、e光的相位差 ，和前面的结构实际是一样的。,3.无偏振器的Q

9、开关激光器 对于90度生长的红宝石（生长轴和晶体的光轴成90度角）。本身产生的激光是线偏光，因而在调Q时，不需要加偏振器。 4.晶体的运用方式 （1）KDP主要运用纵向方式 （2）KDP横向运用 存在与外加电场无关的自然双折射造成的附加相位差，影响调Q的效果。采用组合的结构可以消除附加相位，但要求加工精度高，使用困难。 （3）LN电光晶体横向应用,二、单块双 电光Q开关 带偏振器的Q开关激光器需加偏振器，使腔内元件增多，因而增加了腔内损耗，降低了调Q效率。把晶体做成双 的形式，使晶体起着偏振、Q开关两个作用，克服了上述Q开关激光器的缺点。 1. Q开关原理 可以分储能和振荡两个阶段讨论它的调Q

10、原理。,2. LN晶体Q开关的误差 有很多原因造成误差，使得在加压时令门“关不死”，在不加压时，有一部分光偏离出腔外，造成输出光降低。原因： （1）晶体在加工时造成的误差。 不够准确，光轴有些偏离。 （2）入射的光束不能严格地垂直入射面等。 （3）入射光有一定的发散角，因此相当于有一部分光束不是垂直入射面入射。 （4）o、e光走的路程不同，因此当 时，o、e光并非完全旋转90度。,3. 双 Q开关的特点 优点： （1）双 电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件。 （2）输出的光是自然光，因此比输出线偏光的激光器效率高一倍。 缺点： （1）晶体的结构

11、复杂，加工困难。保证双 以及晶体的方位也不容易。 （2）由于加 电压，因此实用起来有一定的困难。单 Q开关可以克服上述缺点。,三、单块单 电光开关 1. 原理 ：以LN横向运用退压式结构为例，分析原理和一般Q开关相同。 也是分两个阶段讨论其工作原理：粒子数积累阶段和脉冲形成阶段。结论：单 Q开关相当于带一个偏振器的Q开关。,2. 单 Q开关的误差 （1）口径效应：工作物质不同位置发出的激光，通过晶体时，走得路程不一样，因而o光、e光的相位差不等， 。 （2）克服口径效应的办法 a. 可以把电极做成矩形，使 角上无电场。 b. 利用一个互补的无相位变化的棱镜来代替谐振腔中的全反镜。 3. 单 Q

12、开关的特点 优点：结构简单，加工容易，插入损耗小；加电压 比双 Q开关低一倍；适合各种工作物质。 缺点：输出的是线偏光，比 双输出功率低；存在口径效应。,四、脉冲透射式Q开关激光器 1. 原理： 反射式Q开关激光器：由于激光的形成和输出同时进行，因此脉冲宽度的压缩受了限制。脉冲透射式Q开关打破了这种限制，把激光形成和激光的输出分成两阶段。共三个阶段： a 、 ，激光不能振荡，积累阶段（透射损耗大） b 、 ，激光形成但不输出（透射损耗近似为零） c激光输出阶段（透射损耗大） 具有以上特点的激光器为透射式Q开关激光器。,透射式原理不同于反射式，结构做了改进： Q开关的三个阶段：1)加 ，2）退压

13、，3）加,2. 峰值效率 峰值功率由三个因素决定 （1） 比值大，工作物质储能大，损耗小，所以P大。 （2）第二个阶段激光形成的功率密度，只有当腔内激光功率密度达到最大值时，才让激光输出P最大。 （3）脉宽小，因此P大 。,3.简化结构 4开关效率 定义：激光器动态输出能量与静态输出能量之比。即同一台激光器且输出能量相同时， 动能： Q开关激光器所输出的能量。 静态能：激光器中不加Q开关输出的能量。,五、Q开关的其他应用 1.削波器 主要用于从几十个ns 的光脉冲中削出一个几ns 的光脉冲，即可压缩脉宽，又整型。 2.隔离器 一般用在激光放大器中，在放大级之间对光进行隔离，阻止后级光返回到前级

14、放大器或振荡器中。 3.选通开关 主要用于从一序列光脉冲中取出一个脉冲。,2.4 声光调Q,一、声光调Q原理： 1.声光调Q和声光调制器的比较： 相同点：声光调Q和声光调制器都是利用晶体的声光原理，以声光相互作用原理为基础。声光介质在超声波的作用下，折射率发生周期性的变化，使介质变成正弦相位光栅，当光通过这样的介质时，发生衍射。 不同点：(1) 声光调制器采用两种衍射方式，喇曼奈斯衍射和布拉格衍射。声光Q开关考虑效率问题只采用布拉格衍射。喇曼奈斯衍射产生多级衍射光，各级光的衍射效率比较低，不易实现调Q。（目前也有这种衍射的Q开关）。,(2) 声光调制器是利用连续变化调制信号控制加在换能器上的超

15、声功率，使超声波受到振幅调制，使相位延迟周期性改变，使输出光强发生相应的周期性改变。 布拉格衍射 喇曼奈斯衍射 声光Q开关在换能器上加一阶跃式的调制信号实现调Q。布拉格衍射只产生两级衍射光:0、1级光： 式中 光通过声光介质产生的相位延迟 由 决定,二、声光Q开关的结构 相同：声光Q开关的结构和声光调制器完全相同。换能器、声光介质、吸收器三个部分组成，且材料、尺寸相同 不同点：声光调制器：有驻波和行波两种结构。 声光Q开关：只有行波结构。,三、声光Q开关的应用 由于声光Q开关需要的调制电压很低，一般小于200V，声光Q开关最大优点是用于高重复频率的Q开关激光器。在连续激光器中加入声光Q开关，可以得到高重复频率的调Q脉冲。 1. 重复频率的选择 2. 提高 之比 3. 提高衍射效率 4. 特点：优点：声光Q开关是快开关，可以获得1000次/秒以上的高重复率的激光脉冲，而且脉冲的重复性很好。缺点：只用于低增益的连续激光器，对于高增益的激光器，开关能力差，容易“关不死门”。脉宽比较宽，开关速度比电光Q开关慢。,2.5 被动式可饱和吸收调Q,一、可饱和吸收染料调Q的基本原理 利用一种可饱和吸收体做为Q开关，这种可饱和吸收染料是一种非线性吸收物质，把它放在谐振腔内，利用它对光的可饱和吸收特性来改变谐振腔