激光调Q技术教材

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1、5.4 激光调 Q 技术术 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

2、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0.11s，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

3、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

4、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， 0；由于 光泵作用， n继续增加，与此同时，腔内光子数密度也开始增 加，由于的增长而使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 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

5、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 减少并急剧下降。 2.调的基本原理 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

6、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 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

7、。 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值是时间的阶 跃函数(蓝虚线)； 图(c)表示粒子反转数n的变 化； 图(d)表示腔内光子数随时间 的变化。 3.Q开关激光器的特点 （1） 通过改变Q值改变阈 值，控制激光产生的时间。 在泵浦过程的大部分时间里谐振 腔处于低Q值状态，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

8、增强非常迅速，激光介 质存储的能量在极短的时间 内转变为受激辐射场的能量 ，结果产生了一个峰值功率 很高的窄脉冲。 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，光子数增长十分缓慢，如图3所示，其值始终 很小，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。 图3 从开始振荡到脉冲形成的过程 只有振荡持续到ttD时，增长 到了D ，雪崩过程才形成， 才迅速增大，受激辐射才迅 速超过自发辐射而占优势。 （2） 两阶段 储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值 。 i D 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

9、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，光子数达到最大值m之后，由n nt ，则 迅速减少，此 时n = nf ，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的峰 值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(ni= nt)的时刻。 i D 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。 谐振腔的Q值与损耗a总 总成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的a总总值，就 可以使Q值发生相应的变化。谐振腔

10、的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗 、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以 形成不同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染料 调Q技术等。 三、Q调制方法 四、调Q技术关键 动态损耗：Q 开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保 证Q 开关打开之前没有激光产生； 插入损耗：Q 开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最 小 ，一般会引入反射及散射损耗； 开关时间，Q 开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间， 将 产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开 关完全打开之间迅速衰竭； 同步性能， Q 开关应能够精确地

11、控制，与外界信号保持同步。 电光调 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。 图4-27 电光调Q装置示意图 （1）第一阶段：积累阶段 电光调Q激光器如图所示。未加电场前晶体的折射率主轴为z、y、z。沿晶 体光轴方向z施加一外电场E ,由于普克尔效应,主轴变为x、y,z。令光束 沿z轴方向传播,经偏振器后变为平行于x轴的线偏振光,入射到晶体表面时分解为 等幅的x和y方向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折射率x和y。经过 晶体长度d距离后,二偏振分量产生了相位差 图4-27 电光调Q装置示意图 式中为晶体寻常光折射率

12、;63是晶体的电光系数;V是加在晶体两端的 电压，d为晶体在z轴方向的长度。当=/2时,所需电压称作四分之一波电 压,记作V/4.图中电光晶体上施以电压V/4时,从偏振器出射的线偏振光经电 光晶体后,沿x和y方向的偏振分量产生了/2位相延迟,经全反射镜反射 后再次通过电光晶体后又将产生/2延迟,合成后虽仍是线偏振光,但偏振方 向垂直于偏振器的偏振方向,因此不能通过偏振器。这种情况下谐振腔的损 耗很大,处于低Q值状态,激光器不能振荡,激光上能级不断积累粒子（这一状 态相当于光开关处于关闭状态）。 （2）第二阶段：脉冲形成阶段Q开关完全打开 在某一特等时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则偏振光的振

13、动方向不再被 旋转900，相当于光开关被打开，则谐振腔突变至低损耗、高Q值状态,于是 形成巨脉冲激光。（这一状态相当于光开关处于打开状态）。 1.有较高的动态损耗（）和插入损耗（） 2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到 秒 ， 3.典型的Nd:YAG 电光调Q激光器的输出光脉冲宽度 约为-20ns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦 4.适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损 耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器 二、电光调Q技术特点 声光调 Q 一、声光Q开关器件的结构腔内插入的声光调Q器件由声光互 作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成的。 图4-28 声光调Q装

14、置示意图 二.声光调Q原理： 当声波在某些介质中传播时,该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空 间周期变化的弹性形变,从而导致介质折射率的周期变化,形成等效的位相光栅, 其光栅常数等于声波波长s.光束射经此介质时发生衍射,一部分光偏离原来方 向。当声波频率较高.声光作用长度d足够大,满足 时(s与分别为声波与光波波长),如果射光与声波波面的夹角 满足 则透射光束分裂为零级与+1级或-1级(视入射方向 而定)衍射光,+1级或-1级衍射光与声波波面的夹角亦 为,如图所示。这种现象称作布喇格衍射,一级衍射 光先强I1(或I-1)与入射光光强Ii 之比为 声光布喇格衍射衍射示 意图 式中是经长度为d

15、的位相光栅后光波相位变化的幅度。 式中是介质折射率变化的幅值;d与H分别为换能器的长度与宽度;M是声光 介质的品质因素;P是超声驱动功率。提高超声驱动功率可得到较高的衍射效率。 声光调Q技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q任务。 在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔具 有很低 的Q值，Q开关处于关状态；在某一特定时间，撤去 超声， 光束则顺利通过均匀的声光介质， 此时Q开关处于 开状态； 声光Q开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成,常用的声光介 质有熔融石英、锢酸铅及重火石玻璃等。声光介质表面粘接有由银酸鲤、石英等 压电材料薄片制成的换能器,换能器的作用是将高频信号转换为

16、超声波。声光开 关置于激光器中,在超声场作用下发生衍射,由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损 耗增加,从而使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超 声场,则衍射效应即刻消失,谐振腔损耗突然下降,激光巨脉冲遂即形成。 图4-28 声光调Q装置示意图 声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间,属快开关类型。由于开关的调 制电压只需100多伏,所以可用于低增益的连续激光器,可获得峰值功率几百千瓦 、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲。但是,声光开关对高能量激光器的开关 能力差,不宜用于高能调Q激。 染料调Q 前面介绍的都是主动式调Q方法，即是人为地利用某些物理效应来控制激 光谐振腔的损耗，从而达到Q值的突变。本节介绍被动式Q开关，即利用某些 可饱和吸收体本身特性，能自动地改变Q值的一种方法。 一、可饱和吸收染料的调Q原理 利用有机材