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1、5.4 5.4 激光调激光调 Q 技技术 普通的脉冲激光器普通的脉冲激光器,光脉冲的宽度约在光脉冲的宽度约在ms级级,峰值功率峰值功率也只有几十也只有几十kW. 调调 Q 激光器激光器, ,光脉冲的宽度可以压到光脉冲的宽度可以压到ns级级,峰值功率也峰值功率也已达到已达到MW. 调调Q Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它技术的出现和发展，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。功率可提高几个数量级的一种技术。调调Q技术的目的：技术的目的： 压
2、缩脉冲宽度，提高峰值功率。压缩脉冲宽度，提高峰值功率。一、激光谐振腔的品质因数一、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值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标品质因数。品质因数。 1.Q值定义：值定义：2.品质因子品质因子Q与谐振腔的单程总损耗的关系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的腔内存储的能量为： 每振荡周期损耗的能量为： 调节调节Q值的途径值的途径 一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。值。 将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察
3、、记录，发现其波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振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的冲组成的，如图，如图(a)所示。每个尖峰的宽度约为所示。每个尖峰的宽度约为0.11s，间隔为数微秒，脉冲间隔为数微秒，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所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现象称为器输出的尖峰。这种现象称为激光器弛豫振荡激光器弛豫振荡。1. 脉冲固体激光器的输出特性脉冲
4、固体激光器的输出特性二、二、调调 Q原理原理 产生弛豫振荡的主要原因：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。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，当低于阀随着激光的发射，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，积累，当
5、超过阈值时，又产生第二个脉冲，当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。止才结束。每个尖峰脉冲都是在阈值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功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。增加。E1E2弛豫振荡产生的物理过程，可以用图弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2来描述。它示出了在弛豫振来描述。它示出了在弛豫振荡过程中粒子反转数荡过程中粒子反转数n 和腔内光子数和腔内光子数的变化，每个尖峰可以
6、分的变化，每个尖峰可以分为四个阶段为四个阶段 (在在t1时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数n增长，增长，但尚未到达阈值但尚未到达阈值n阈阈因而不能形成激光振荡。因而不能形成激光振荡。)图2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化第一阶段第一阶段(t1一一t2)：激光振荡刚开始时，激光振荡刚开始时，n n阈阈， 0；由于由于光泵作用，光泵作用， n继续增加，与此同时，腔内光子数密度继续增加，与此同时，腔内光子数密度也开始增也开始增加，由于加，由于的增长而使的增长而使n减小的速率小于泵浦使减小的速率小于泵浦使n 增加的速率，增加的速率，因此因此n一直增加到最大值。一直
7、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第二阶段(t2一一t3) ： n到达最大值后开始下降，到达最大值后开始下降，但仍然大于但仍然大于n阈阈 ，因此因此 继续增长，而且增长继续增长，而且增长非常迅速，达到最大值。非常迅速，达到最大值。 第四阶段第四阶段(t4一一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是于是n又开始回升，到又开始回升，到t5时刻时刻n又达到阈值又达到阈值n阈阈 ，于是又开始产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
8、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。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。泵浦功率越大泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小因而尖峰的时间间隔越小 第三阶段第三阶段(t3一一t4)： n n阈阈 ，增益小增益小于损耗，光子数密度于损耗，光子数密度减少并急剧下降。减少并急剧下降。2.调调的基本原理的基本原理 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的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，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
9、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一般为几十千瓦数量级) )。不能提高的原因。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，么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器，就是当
10、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。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，可以通过突要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的变谐振腔
11、的Q值值(或损耗或损耗a总)来实现来实现。 调调Q技术就是通过某种方法使腔的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值随时间按一定程序变化的技术的技术。或者说使腔的使腔的损耗损耗随时间按一定程序变化的技术随时间按一定程序变化的技术。 调调Q激光脉冲的建立过程，激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如各参量随时间的变化情况，如右图所示。右图所示。图图(a)表示泵浦速率表示泵浦速率Wp随时间的随时间的变化；变化；图图(b)表示腔的表示腔的Q值是时间的阶值是时间的阶跃函数跃函数(蓝虚线蓝虚线)；图图(c)表示粒子反转数表示粒子反转数n的变的变化；化；图图(d)表示腔内光子数表示腔内光
12、子数随时间随时间的变化的变化。3.Q开关激光器的特点开关激光器的特点 （1） 通过改变通过改变Q值值改变阈改变阈值，控制激光产生的时间。值，控制激光产生的时间。在泵浦过程的大部分时间里谐振在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低腔处于低Q值状态，故阈值很高值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至子数不断积累，直至 t0时刻，粒时刻，粒子数反转达到最大值子数反转达到最大值ni，在这在这一时刻，一时刻，Q值突然升高值突然升高(损耗下降损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此光振荡开始建立。由于此ni nt(
13、阈值粒子反转数阈值粒子反转数)，因此，因此受激辐射增强非常迅速，激光介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质存储的能量在极短的时间内转变为受激辐射场的能量，内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。高的窄脉冲。 调调Q脉冲的建立有个过程，当脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数至以后一个较长的时间过程中，光子数增长十分缓慢，如图增长十分缓慢，如图3所示，其值始终很所示，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。小，受激辐射
14、几率很小，此时仍是自发辐射占优势。 图图3 从开始振荡到脉冲形成的过程从开始振荡到脉冲形成的过程只有振荡持续到只有振荡持续到ttD时，增长时，增长到了到了D ，雪崩过程才形成雪崩过程才形成， 才迅速增大，受激辐射才迅才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。速超过自发辐射而占优势。（2） 两阶段两阶段 储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值 。 iD因此，调因此，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 (也也就是就是Q开关开启的持续时间开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使。
15、光子数的迅速增长，使ni迅速减少，到迅速减少，到t=tp时刻，时刻， ni= nt，光子数达到最大值光子数达到最大值m之后，由之后，由n nt ，则，则 迅速减少迅速减少，此时此时n = nf ，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的峰值脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(ni= nt)的时刻。的时刻。iD激光产生输出激光产生输出 忽略泵浦和自发辐射的影响。忽略泵浦和自发辐射的影响。（3） 开关时间开关时间 从从Q值最小变到最大值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要的值即损耗从最大变到
16、最小需要的时间叫开关时间。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。分为快、慢两种类型。 谐振腔的谐振腔的Q值与损耗值与损耗a总成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的a总值，就值，就可以使可以使Q值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、反射损耗、衍射损耗、吸收损耗吸收损耗等。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成不同的调Q
17、技术。有技术。有机械转镜调机械转镜调Q、电光调电光调Q技术，声光调技术，声光调Q技术，染料调技术，染料调Q技术技术等。等。三、三、Q调制方法调制方法四、调四、调Q技术关键技术关键 动态损耗：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，以保开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证证Q 开关打开之前没有激光产生；开关打开之前没有激光产生； 插入损耗插入损耗：Q 开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最 小，小，一般会引入反射及散射损耗；一般会引入反射及散射损耗； 开关时间，开关时间，Q 开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时
18、间，开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间， 将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；关完全打开之间迅速衰竭； 同步性能，同步性能， Q 开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步。开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步。 电光电光调调 Q一、电光晶体调一、电光晶体调Q原理原理 1. 电光电光Q开关原理。开关原理。 利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，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。调节腔内光子的反射损耗。 图4-27 电光调Q装置示意图
19、（1）第一阶段：积累阶段）第一阶段：积累阶段 电光调电光调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。沿晶沿晶体光轴方向体光轴方向z施加一外电场施加一外电场E , ,由于由于普克尔效应普克尔效应, ,主轴变为主轴变为xx、y,zy,z。令光束。令光束沿沿z z轴方向传播轴方向传播, ,经偏振器后变为平行于经偏振器后变为平行于x轴的线偏振光轴的线偏振光, ,入射到晶体表面时分解为入射到晶体表面时分解为等幅的等幅的xx和和yy方向的偏振光方向的偏振光, ,在晶体中二者具有不同的折射率在晶体中二者具有不同的折射率x x和和y y。经过。经过晶
20、体长度晶体长度d d距离后距离后, ,二偏振分量产生了相位差二偏振分量产生了相位差图4-27 电光调Q装置示意图 式中式中为晶体寻常光折射率为晶体寻常光折射率;6363是晶体的电光系数是晶体的电光系数;V;V是加在晶体两端的是加在晶体两端的电压，电压，d d为晶体在为晶体在z z轴方向的长度。当轴方向的长度。当=/2=/2时时, ,所需电压称作四分之一波电所需电压称作四分之一波电压压, ,记作记作V/4.图中电光晶体上施以电压图中电光晶体上施以电压V V/4/4时时, ,从偏振器出射的线偏振光经电从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后光晶体后, ,沿沿xx和和yy方向的偏振分量产生了方向的偏振分量
21、产生了/2/2位相延迟位相延迟, ,经全反射镜反射经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又将产生后再次通过电光晶体后又将产生/2/2延迟延迟, ,合成后虽仍是线偏振光合成后虽仍是线偏振光, ,但偏振方但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向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因此不能通过偏振器。这种情况下谐振腔的损耗很大耗很大, ,处于低处于低Q值状态值状态, ,激光器不能振荡激光器不能振荡, ,激光上能级不断积累粒子（激光上能级不断积累粒子（这一状这一状态相当于光开关处于关闭状态）态相当于光开关处于关闭状态）。（2）第二阶段：脉冲形成阶段）第二阶段：脉冲形成阶段Q开关完
22、全打开开关完全打开 在某一特等时刻在某一特等时刻, ,突然撤去电光晶体两端的电压突然撤去电光晶体两端的电压, ,则偏振光的振动方向不再被则偏振光的振动方向不再被旋转旋转900，相当于光开关被打开，相当于光开关被打开，则谐振腔突变至低损耗、高则谐振腔突变至低损耗、高Q值状态值状态, ,于是于是形成巨脉冲激光。（形成巨脉冲激光。（这一状态相当于光开关处于打开状态）这一状态相当于光开关处于打开状态）。1.1.有较高的动态损耗（）和插入损耗（）有较高的动态损耗（）和插入损耗（） 2.2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到秒开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到秒 ，3.3.典型的典型的Nd:Y
23、AGNd:YAG电光调电光调Q激光器的输出光脉冲宽度激光器的输出光脉冲宽度 约为约为-20-20nsns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦 4.4.适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损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、电光调二、电光调Q技术特点技术特点声光声光调调 Q一、声光一、声光Q开关器件的结构开关器件的结构腔内插入的声光调腔内插入的声光调Q器件由声光互器件由声光互作用介质作用介质( (如熔融石英如熔融石英) )和键合于其上的换能器所构成的。和键合于其上
24、的换能器所构成的。 图4-28 声光调Q装置示意图二二. .声光调声光调Q原理：原理： 当声波在某些介质中传播时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间周期变化的弹性形变, ,从而导致介质折射率的周期变化从而导致介质折射率的周期变化, ,形成等效的形成等效的位相光栅位相光栅, ,其光栅常数等于声波波长其光栅常数等于声波波长s s. .光束射经此介质时发生衍射光束射经此介质时发生衍射, ,一部分光偏离原来方一部分光偏离原来方向。当声波频率较高向。当声波频率较高. .声光作用长度声光作用长度d d足够大足够
25、大, ,满足满足 时时( (s s与与分别为声波与光波波长分别为声波与光波波长),),如果如果射光与声波波面的夹角射光与声波波面的夹角满足满足 则透射光束分裂为零级与则透射光束分裂为零级与+1+1级或级或-1-1级级( (视入射方向视入射方向而定而定) )衍射光衍射光,+1,+1级或级或-1-1级衍射光与声波波面的夹角亦级衍射光与声波波面的夹角亦为为,如图所示。这种现象称作布喇格衍射如图所示。这种现象称作布喇格衍射, ,一级衍射一级衍射光先强光先强I1(或或I-1) )与入射光光强与入射光光强Ii 之比为之比为 声光布喇格衍射衍射示声光布喇格衍射衍射示意图意图式中式中是经长度为是经长度为d的位
26、相光栅后光波相位变化的幅度。的位相光栅后光波相位变化的幅度。 式中式中是介质折射率变化的幅值是介质折射率变化的幅值;d与与H分别为换能器的长度与宽度分别为换能器的长度与宽度;M是是声光声光介质的品质因素介质的品质因素;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。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。声光调声光调Q技术技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q任务。任务。在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔具在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔具 有很低有很低的的Q值，值，Q开关处于关状态；在某一特定时间，撤去开关处于关
27、状态；在某一特定时间，撤去 超声，超声，光束则顺利通过均匀的声光介质，光束则顺利通过均匀的声光介质， 此时此时Q开关处于开关处于 开状态；开状态； 声光声光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超声波。声光开换能器的作用是将高频信号转换为超声波。声光开关置于激光器中关置于激光器中, ,在超
28、声场作用下发生衍射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由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加耗增加, ,从而使激光振荡难以形成从而使激光振荡难以形成, ,激光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超激光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场声场, ,则衍射效应即刻消失则衍射效应即刻消失, ,谐振腔损耗突然下降谐振腔损耗突然下降, ,激光巨脉冲遂即形成。激光巨脉冲遂即形成。图4-28 声光调Q装置示意图 声光调声光调Q Q开关时间一般小于光脉冲建立时间开关时间一般小于光脉冲建立时间, ,属快开关类型。由于开关的调属快开关类型。由于开关的调制电压只需制电压只需100100多伏
29、多伏, ,所以可用于低增益的连续激光器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、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声光开关对高能量激光器的开关能力差力差, ,不宜用于高能调不宜用于高能调Q激。激。染料调染料调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一、可饱和吸收染料的调Q原理原理 利用有机材料对光的吸收系数会随着
30、光强变化的特性来达到调利用有机材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性来达到调Q的目的。的目的。 图就是染料调图就是染料调Q激光器的示意图。它是在一个激光器的示意图。它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。 图(染料调Q装置示意图某些有机染料是一种非线性吸收介质，即其吸收系数某些有机染料是一种非线性吸收介质，即其吸收系数并不是常数，当在较强激光作用下，其吸收系数随光并不是常数，当在较强激光作用下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料，吸收系数种染料称为可饱和
31、吸收染料，吸收系数可以表示为：可以表示为： 式中式中0是中心频率小信号吸收系数是中心频率小信号吸收系数; I 和和 Is 分别为人射光强和饱和光强。分别为人射光强和饱和光强。 可见可见, ,吸收系数随光强的增加而减少吸收系数随光强的增加而减少, ,当光强很当光强很大时大时, ,吸收系数为零吸收系数为零, ,入射光几乎全部透过。饱和入射光几乎全部透过。饱和吸收体的透过率随光强的变化如下图所示。吸收体的透过率随光强的变化如下图所示。 Is为染料的饱和吸收光强，其大小与染料的种类和浓度有关，一般来说，为染料的饱和吸收光强，其大小与染料的种类和浓度有关，一般来说，染料的浓度增加，染料的浓度增加， Is
32、值也增加；值也增加；I为入射光强。由上式可以看出，为入射光强。由上式可以看出，当当I Is 时，时，吸收系数趋于零，染料对通过的光束于是变为透明吸收系数趋于零，染料对通过的光束于是变为透明 将饱和吸收体放在谐振腔中将饱和吸收体放在谐振腔中,泵浦过程开始时泵浦过程开始时,腔内自发荧光很弱，腔内自发荧光很弱，染料吸收系数很大，使光的透过率很低，腔处于低染料吸收系数很大，使光的透过率很低，腔处于低Q值值(高损耗高损耗)状态，状态，故不能形成激光振荡。故不能形成激光振荡。 随着光泵的继续作用反转粒子数的积累，放大的自发辐射逐渐增加随着光泵的继续作用反转粒子数的积累，放大的自发辐射逐渐增加,当光强与饱和
33、吸收体的当光强与饱和吸收体的Is可比拟时可比拟时,染料的吸收系数变小，透过率逐渐增染料的吸收系数变小，透过率逐渐增大大.当这一过程发展到一定程度时当这一过程发展到一定程度时,单程增益等于单程损耗单程增益等于单程损耗,激光器开始起激光器开始起振。振。 随着激光强度的增加随着激光强度的增加,到一定数值时，染料吸收达到饱和（吸收最小）到一定数值时，染料吸收达到饱和（吸收最小）值，突然被值，突然被“漂白漂白”而变得透明了，这时腔内而变得透明了，这时腔内Q值猛增，产生了受激辐值猛增，产生了受激辐射不断增长的雪崩过程射不断增长的雪崩过程.产生激光振荡输出调产生激光振荡输出调Q激光脉冲。激光脉冲。 当激光光
34、强增加饱和时当激光光强增加饱和时,增益系数显著下降增益系数显著下降,最终导致激光熄灭。最终导致激光熄灭。图染料调Q装置示意图 因为泵浦是脉冲式的，腔内光场迅速减弱（因为泵浦是脉冲式的，腔内光场迅速减弱（I0)，因而染料又恢复了因而染料又恢复了吸收特性（透过很小），起到将腔关闭的作用，然后再重复以上的过程。吸收特性（透过很小），起到将腔关闭的作用，然后再重复以上的过程。 由上述巨脉冲发展过程可知由上述巨脉冲发展过程可知, ,用作被动用作被动Q Q开关的饱和吸收体应具备下列特开关的饱和吸收体应具备下列特性性: :吸收峰中心波长应与激光器激光波长吻合吸收峰中心波长应与激光器激光波长吻合; ;饱和光强饱和光强Is要适当。要适当。 Is小于增益介质的饱和光强小于增益介质的饱和光强Is是巨脉冲产生的必要条件是巨脉冲产生的必要条件, ,Is太大还会因太大还会因Q开关速度太慢而严重影响调开关速度太慢而严重影响调Q效果效果, ,但但Is也不宜过小也不宜过小, ,否则很弱否则很弱的光就能使其透明的光就能使其透明, ,工作物质的反转粒子数便不能充分积累。工作物质的反转粒子数便不能充分积累。
