第七章调Q与锁模技术

1《激光原理与技术》激光技术部分第7章调Q与锁模技术2§7.1概述调Q技术是将连续或脉冲激光能量压缩到时间宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可以提高几个数量级的一种技术。单色定向亮度的定义:激光测距：提高测量精度。2221150115011501150ccLctLtLttmsLkmtsLmtnsLmmtpsLmEnergy/B=rigthtPowerSS100100msmssnsnspsfs激光脉冲的分长脉冲脉冲短类脉冲超短脉冲3§7.1概述激光器的弛豫振荡对四能级系统，速率方程可以写为：增加泵浦功率只能减少尖峰的间隔，增加尖峰频率，不能减少激光脉宽，也不能增加激光器的峰值功率2ptotcdnnWnncdtdncdt11223max34min450102345thththththnntpumpnnnttpumpnpumpnttnnnnnnttpumpnntt时刻时刻：受激辐射时刻时刻：受激辐射受激辐射时刻时刻：当时受激辐射时刻时刻：受激辐射时刻时刻：min,ththpumpnnnnn受激辐射当时开始新的循环4§7.1概述调Q基本原理（一）品质因数Q值的定义调Q技术是通过某种方法使腔内Q值按一定程序变化的技术。Q低则抑制激光产生，使粒子在上能级积累到一定程度后提高Q值，建立激光振荡，形成巨脉冲输出。000000002/1/1()LtQccLLcLLcWnLQWQnLcQWtWe为腔内光波能量，，腔内存储的能量定义单位时间损耗的能量腔内光子为腔内单程损耗为腔内单位时间寿命值与腔内损的单程损耗耗成反比5§7.1概述调Q基本原理（二）6§7.1概述实现调Q对激光器的要求工作介质抗损伤阈值要高。上能级寿命要比较长泵浦过程使上能级粒子增加，在没有产生受激辐射的情况下，自发辐射使上能级粒子减少，泵浦速率必须快于激光上能级的自发辐射速率,使上能级能够积累的最大粒子数。谐振腔的Q值改变要快。2222ppnWnW7§7.2调Q激光器的基本理论1.调Q速率方程调Q速率方程由两能级模型给出如果考虑到在Q突变过程中，激光器参数剧烈变化，可以忽略泵浦过程和自发辐射过程。同时令激光器在Q值突变之前处于低Q值状态，反转粒子数不断积累，假设Q值是阶跃式变化，则在Q值突变时刻定为零时刻，可以给出下面的方程：1212'212222PscsdnnWncnAdtdncnAdt'22(1)(0)(0)()cthcthithsdnndtndndtnnnnnA很小的值8§7.2调Q激光器的基本理论2.调Q速率方程的求解光子数密度与反转粒子数密度关系峰值光子数密度Q脉冲峰值功率Q脉冲能量Q脉冲能量利用率Q脉冲宽度2(1)4thimthnnn;11fithnnfninen:1.6497.38982ithnn前沿变窄倍，后沿变窄倍1()2fithnnnfiifnneEnnhV1lnln1222thimithththciccnnhVhVPnnnnDDhVn1ln2ithinnnnn91234560.00.20.40.60.81.0ninthninth§7.2调Q激光器的基本理论2468101214ninth50100150200mnthmnthninth123450.00.20.40.60.81.0ninthnfnthnfnthninth10ninth=10ninth=20ninth=30ninth=40ninth=500.010.020.030.040.050.06s50000100000150000200000250000§7.2调Q激光器的基本理论超阈度1112§7.2调Q激光器的基本理论3.调Q的关键参量(1)超阈度要获得高的超阈度，要求泵浦强，损耗低。(2)Q开关时间tsδ由高损耗变到低损耗实际需开关时间ts。tstd时，Q脉冲的参数与理想阶跃开关相同，只不过脉冲建立时间由ts延迟。tstd时，Q脉冲参数变差。tstd为快开关。tstd为慢开关。td是激光建立特征时间，D与负相关。ithnDnmmPDEt(1)00(1)cthnitnDcthtnneDtdndtn在附近，13§7.3电光调Q方法1.机理在激光谐振腔内，利用电光调制器作为Q开关。开关时间ts在ns量级。调Q时间可以精确控制。2.方法(1)λ/2波片式1212/290////00,1100%100%,0oEOLEOPPEOxyEOLXPPYVREOTTQnVVEETQ加压光路断,值低，式光路导通，值高，uuruur1212/290////0,0100%,oEOxyEOiEOPPPPXVVEETQnVREOTQ退压光路断,值低，式光路导通，值高，uuruur14§7.3电光(PRM)调Q方法(2)λ/4波片式：起偏与检偏合二为一思考题：怎么让λ/4波片退压式调Q变成λ/4波片加压式调Q？上述方法称为PRM方式调Q，在建立Q脉冲过程中，边振荡边输出，Q脉冲宽度10-100ns量级。/4/2/200,0,EOEOxyiEOEOxxVVEPRPEQnVEPRPETQ退光路off,值低，压光路on，值高，式uuruuruuruur15§7.3电光调Q(PRM)方法16§7.3电光调Q(PTM)方法17§7.3电光调Q(PTM)方法3.PTM方式由两个全反镜组成谐振腔(1)λ/2波片式思考：P1⊥P2调Q过程如何？M1,M2共线121210max/212110:()()()100%2,:()()PPEOxxxoutPPEOxyPVKEPEPEPAnnnVVMKEPESMMK波波波无正反馈,不能振荡，波波uruuruuruururuuruurur21220()()03,0:()()()PEOxyoutPPEOmxxxEPESMQVKEPEPEPA波波脉冲建立，没有输出损耗，。波波波腔倒空,巨脉冲uuruururuuruuruur/22(101)PTMLVtc输出18§7.3电光调Q方法(2)λ/4波片式22/41/2/21001:()(),0,20:()()()(MPEOEOxyiMPEOEOxxxxVVMKEPESAPTnVMKEPEPEPEP波(圆偏振光)(圆偏振光)波不能通过激光不能振荡，波波波uruuruururuuruuruuruur21/41/2/2/4)3:()()2VPMPEOEOxPTMyMQVVMKESLtcPEA波脉冲建立，没有输出损耗(，。波(圆偏振光)(圆偏振光)波巨脉冲1,0,1输出，)uruuruur19§7.3电光调Q(PTM)方法20§7.3电光调Q4.设计电光调Q激光器要考虑的问题调制晶体光学均匀性好，透过率高，半波电压低，抗激光破坏阈值高。对1064nm激光，KD*P【Vλ/2~6000】，LiNbO3【Vλ/2~9250(d/L)】调制器的电极结构要形成均匀电场纵向运用用环形电极，横向运用用平板电极。对工作物质的要求上能级寿命长，抗激光破坏阈值高。对泵浦源的要求泵浦光的脉宽和工作物质的上能级寿命要匹配。对Q开关控制电路的要求开关速度要快，控制要精确。21机理在激光谐振腔内，利用声光调制器作为Q开关。ts声光调制器的1级光为衍射损耗，0级光为激光振荡。调Q过程声光调制器调制信号为在fs的作用下，轴向光线受Bragg衍射作用，以角度被衍射出腔外，这时要求激光不振荡。在fK的调制下，消除了Bragg衍射作用，激光振荡建立，产生Q脉冲。§7.4声光调Q方法2BnsG单程211~Kf22§7.4声光调Q方法23§7.4声光调Q方法24§7.4声光调Q方法参量设计Bragg判据Bragg公式M2，L/H,Ps→PEQ开关时间输出特性声光PTM激光器声光1级衍射光为输出02LL/2sinsBskksG单程/sd:PKmiPthmPWfPtnWnP不变Z]Z]25§7.4声光Q调方法26§7.4声光Q调方法27§7.5被动调Q方法机理利用非线性可饱和吸收体特性：变色眼镜线性吸收：α与I无关非线性吸收：变色眼镜“反变色眼镜”：可饱和吸收体：0()()()zdIzIIzIedz()lloutininIIzIeTeIITI与正相关ITI与负相关01sII28被动调Q方法被动调Q过程当腔内光强很弱的时候，调Q片的大，T小，Q值小，泵浦强度增加，腔内光强在自发辐射作用下逐渐增长，n2不断增长，当I→Is时，α↓，δ↓,Q大。在正反馈作用下，φ↑→α↓→φ↑→α≈0，激光振荡形成，Q脉冲输出后，φ↓→↑,开始新循环。调Q过程自动完成，非人为控制，属于被动式。1//LcclnLcnLc大n29§7.5被动调Q方法饱和吸收体采用二能级模型定义饱和共振吸收截面‘透明”概念在共振吸收区范围内，当受激吸收与受激辐射粒子数n1=n2=n/2相等的时候“透明”（动态平衡）饱和吸收体速率方程非齐次常微分方程121212[]/[/]hBnBcnnn面积12121212[]/[]hBnBncgg0022110,2/3/2,001uPumpnuIcnnnnnQ腔内光能量密激光介度自发发射饱和体受激吸收，其上能级粒子数增加当时，饱和体漂白,透明受激辐射脉冲输质出;21212122121221122112121221lim/2lim()00uudnBunBunAnnnndtnnnBBuBuBWW30§7.5被动调Q方法运转特性T0的选取对应染料浓度，与泵浦强度有关。激光输出镜透过率的选取。脉冲被动调Q激光器会出现多脉冲现象。连续泵浦的被动调Q激光器输出脉冲重复率取决于泵浦强度，不能人为控制；输出脉冲峰值功率取决于T0和输出镜透过率，可饱和吸收材料：染料：BDN色心晶体：Cr:YAG饱和吸收波长与激光波长一致光化学性能稳定=吸收体上能级激光工作物质上能级31§7.5被动调Q方法32§7.5几种调Q激光器33