第6章 调Q技术与锁模

第6章调Q技术与锁模技术6.1调Q技术6.2锁模技术调Q技术脉宽纳秒量级峰值功率106W以上锁模技术脉宽皮秒或飞秒量级峰值功率10１２W6.1调Q技术最早出现在1962年巨脉冲：高峰值功率的窄脉冲普通脉冲激光器输出的驰豫振荡产生非线性光学分支推动激光雷达、激光测距、高速摄影、核聚变等应用技术的发展6.1.1调Q的基本理论一、脉冲固体激光器输出的驰豫振荡驰豫振荡：尖峰脉冲的宽度约为0.1～1ns，间隔约为5～10us,光泵越强，尖峰脉冲个数越多，但包络的峰值增加不多．最根本的原因：激光器的阈值始终保持不变二、谐振腔的品质因数ＱＱ可以表征谐振腔损耗的大小当每秒损耗的激光能量腔内存储的激光能量02Q002/2nLnLEcEQ成反比与一定，和QL低，器件阈值低大，Q高，器件阈值高低，Q三、调Ｑ的基本原理光泵初期调高器件的振荡阈值突然调低器件的阈值激光振荡的阈值条件•而•则•调Ｑ技术的本质：控制谐振腔的损耗cthAgn1212/QcQAgnth221模式数光子在腔内的寿命谐振腔一般的５种损耗反射损耗吸收损耗衍射损耗散射损耗输出损耗根据损耗的控制方法不同分类控制反射损耗电光调Q机械转镜调Q控制吸收损耗可饱和吸收染料调Q控制衍射损耗声光调Q控制输出损耗透射调Q54321调Q激光器的要求1.工作物质高抗损伤阈值激光上能级寿命要比较长2.光泵谱速率光泵谱速率大于上能级的自发辐射速率否则反转粒子数的积累水平不高3.Q值突变Q值的变化应与腔建立激光振荡的时间相近否则使脉冲展宽四、调Q激光器的两种储能方式工作物质储能调Q谐振腔储能调Q1.工作物质储能调Q脉冲反射式调Ｑ（ＰＲＭ法）将能量以激活离子的形式储存在工作物质中(1)工作过程三个特殊的时刻：１.Ｑ值阶跃上升的时刻（t0)2．雪崩过程形成的时刻（tＤ）３.光子数密度达到最大值的时刻（tp)三个过程：１.自发辐射为主的过程２.雪崩过程３.光子数密度衰减的过程（２）特点巨脉冲的宽度一般为10～20ns边振荡边输出，输出光脉冲的形状与腔内光强的变化状态一致激光振荡终止，工作物质中残留一部分反转粒子数２．谐振腔储能调Ｑ（脉冲透射式调Ｑ，ＰＴＭ法）•将能量以光子的形式储存在谐振腔中，当腔内光子数密度达到最大值时，瞬间将腔内能量全部输出．（腔倒空法）偏振棱镜（１）工作过程V=0腔内损耗极大，Ｑ值很低，不能形成激光振荡，积累反转粒子数．2/VV腔内损耗很低，Ｑ值突增，激光振荡建立．当工作物质中的储能全部转化为腔内光子能量时,迅速撤去晶体上的电压,形成巨脉冲特点腔能瞬间倒空更窄线宽更高峰值功率更高能量利用率6.1.2调Q激光器的速率方程描述腔内光子数和工作物质的反转粒子数随时间变化规律的方程组．几点说明：•①单程损耗函数是理想的阶跃变化函数•②工作物质的能级结构为二能级系统；Ｑ开关打开前，不存在自发辐射，Ｑ开关打开后，光泵立即停止．•③只用来研究Ｑ值阶跃后的脉冲形成过程一、调Ｑ激光器的速率方程•工作物质受激辐射过程中,腔内光子数密度Φ随距离Z的增长率•腔内光子数密度Φ随时间的增长率为•腔内光子数密度Φ随时间的衰减率为GdzdncGdtdzdzddtdctnLctdtd1Ｑ值阶跃后的单程损耗率光子在谐振腔内的寿命cnLtc•腔内光子数密度总的变化率为•腔内总光子数Φ的变化率•当增益等于腔损耗时)1(ctncGdtd)1(ctncGdtd0dtd•得阈值增益系数•令•则•增益系数正比于反转粒子数N,则cttcnGctt)1()1(tcGGncGtdtd)1(tNNdtd)1(ctncGdtd•设时间内，反转粒子数的变化量为dN.•简化的二能级系统，每产生一个光子，反转粒子数Ｎ相应地减少两个，则•得速率方程dtNNddN2二、速率方程的解1.腔内光子数Φ•Q值阶跃变化,•则•当N=Nt时，腔内光子数达最大值)1(21NNdNdt)ln(21itiiNNNNN0i)ln(21itiNNNNN)ln(21itttimNNNNN•利用台劳级数在Ｎt附近展开2.峰值功率Ｐm•设谐振腔输出反射镜的透过率为Ｔ（另一腔镜为全反镜），腔长为Ｌ，光在腔内的运动速度为ν，则2)1(4titmNNNmm0mmhP2)1(41titmNNTNLhP输出反射镜单位时间内光能量的衰减率TL0３．输出能量Ｅ４．单脉冲的能量利用率•定义•意义：一个调Ｑ脉冲可以从工作物质的储能中提取多大比率的能量•对巨脉冲无贡献，以荧光的形式消耗掉•脉冲终止时，hNNEfi)(21ifiNNN0)ln(21iftfifNNNNN)]1(exp[)exp(iftiiififNNNNNNNNNfN0f•代入)exp(tiifNNNN的储能到说明一个脉冲取出了不时，当的储能说明一个脉冲取出了约，约为时当减小增大，增大，%60%605.1/%9505.0/,3///tiiftiiftiNNNNNNNNNN•５．调Ｑ脉冲的时间特性（脉宽和波形）dNNNtdtdtc221)ln(NNitticNNNNNNNdNtt形可求出脉冲下降段的波时，当形可求出脉冲上升段的波时，当fttiNNNNNNNN2121,,)ln(21itttimNNNNN•脉宽：半功率点间的宽度•当取值不同时，用数值法求出的一些典型激光巨脉冲波形和脉宽frttt上升段时间下降段时间tiNN/•由图可知，对巨脉冲的上升时间影响很大，随着，上升时间急剧缩短，•下降时间与关系不大，下降时间主要取决于光子在腔内的自由衰减寿命的比值tiNN/的增大tiNN/的比值tiNN/Q开关开启速度的快慢直接影响巨脉冲的性能快开关开关时间远小于脉冲建立的延迟时间阶跃函数开关慢开关开关时间与脉冲建立的延迟时间相差不多或者更长线性函数开关抛物线函数开关不足：容易引起多脉冲的形成6.1.3电光调Q一、晶体的电光效应基础•Kerr效应（二次电光效应）：各向同性的透明介质在电场作用下变为双折射介质的现象。•Pockels效应：某些晶体在电场作用下产生与电场的一次方成比的电光效应。•电光调Q即是利用某些晶体所具有的线性电光效应实现Q值突变的•优点：开关时间短；效率高；调Q的时间可以精确控制；系统工作稳定；重复频率高；输出脉冲窄（10-20ns);峰值功率高（几十兆瓦以上）•电光晶体：单轴晶体•要求：电光系数大；抗破坏阈值高；光学质量好等•常用的电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾）类晶体和LiNbO3类晶体•纵向电光效应•E=0•晶体在三个感应主轴方向上的折射率分布为11)1()1(226302630znyEnxEnezz12022enznyx0zEezzyzxnnEnnnEnnn63300633002121•产生的相位差在出射表面，两偏振光合成振动的偏振状态取决于所加电压大小不同，合成的偏振光偏振状态不同V2lE26330z6330nnxynn633022nV633044nVV二、带偏振器的Pockels电光调Ｑ器件１、激光器的结构•偏振器兼作起偏和检偏作用•采用KD*P晶体•纵向电光效应２．工作原理•V=0,腔的损耗很低,Q值很高，打开状态•V=Vλ/4时,腔的损耗很高,Q值很低，关闭状态器件的工作状态关键问题1.准确控制Q开关打开的延迟时间2.电光晶体的x轴(或y轴)与偏振棱镜的起偏方向二者之间的相对位置实际运用中，关键问题的解决第一，做好“关门”实验•调Q激光器安装好后,给KDP电光晶体加恒定的Vλ/4电压,并绕其光轴转动晶体,打激光.反复微调电光晶体,直至其x轴(或y轴)与偏振棱镜的起偏方向平行.同时,适当微调Vλ/4电压值,直至发射激光时,激光器完全不能振荡.说明电光Q开关已处于完全关闭的状态.第二，准确调整Ｑ开关的打开的延迟时间接通电光晶体上的高压退压电路,发射动态激光,微调氙灯开始泵谱到退去Vλ/4电压之间的延迟时间电位器,边测量激光的强弱,边微调延时电位器旋纽,直到激光输出最强为止.消除电光晶体的光弹效应在外电场作用下,晶体内部会产生机械应力使晶体的折射率发生变化.给晶体加一个瞬时的负高压来消除光弹效应所造成的影响三、单块双45°电光调Ｑ激光器利用LN晶体的横向电光效应１．激光器的结构LN45°斜面矩形长方体光轴Z轴电压X轴不影响通光,电场均匀结构优点:不需要加偏振器插入损耗小结构简单２．工作原理结论第一,AB段-起偏器;后段-检偏器;双45°LN晶体等效于在两个偏振器之间夹一个电光晶体第二,当在晶体上加有V=Vλ/2时,通过晶体的o光和e光都偏离了原来入射光的传播方向.此时,腔内光路不同,损耗很高,Q开关处于关闭状态,不能形成激光振荡.典型的双45°LN调Q器件的脉宽为6～10ns,峰值功率大于10MW,单脉冲能量可达200mJ四、电光晶体材料和电极结构１．电光晶体材料核心器件电光晶体材料的选择:消光比,半波电压,抗破坏阈值和透过率(1)消光比衡量电光Q开关性能的重要指标取决于晶体折射率的均匀性KDP晶体的消光比可达104以上LN晶体的消光比,最高可达103(2)半波电压Vλ/2高,使用不安全,对电路干扰大(3)抗破坏阈值能承受比较高的功率密度KD*P可达500MW/cm2LN晶体低(4)透过率•要求高的透过率,以减小插入损耗•KD*P－0.2～2.0um•从可见光到1.4um,透过率85%•LN晶体－0.4～5um,最高透过率可达98%•电光晶体的防潮问题:•LN晶体不易潮解,无需密封•KD*P易潮解,通光表面发毛,通光损耗增大２．电极结构•设计原则:使晶体内电场分布均匀•横向运用的LN晶体,电场方向与通光方向垂直,电极作成平板形6.1.4可饱和吸收调Q利用可饱和吸收介质的吸收特性,将其置于谐振腔中,通过控制腔内的吸收损耗来实现Q值的突变优点:结构简单、方便实用被动Q开关最早出现于1964年一、可饱和吸收染料调Q原理•可饱和吸收染料的性质:吸收系数非常数•Is饱和吸收光强,与染料的种类和浓度有关•浓度增大,Is增大•可饱和吸收染料调Q适用于脉冲激光器)/1/(0SII二、可饱和吸收染料的速率方程•二能级系统•染料分子对频率v的激光辐射的吸收截面为•在开始照射时，荧光很弱，•染料物质在通光方向的厚度为l，初始吸收系数•初始透过率为•初始透过率是设计染料Q开关的主要参数。可直接用分光光度计测量])()([)(221112nBnBnch)()(120BchnllinlininouteeIeIIITii0)(0初始吸收截面为nnn12,0n00•初始透过率低，腔内不能形成激光振荡，•随着光泵的作用，染料分子跃迁到激发态，吸收截面减小•进一步增大泵谱光，吸收截面进一步减小，最后达到动态平衡•此时，吸收达到饱和，染料透明•谐振腔实现了Q值的突变,产生巨脉冲221112nBnB0根据染料分子能级的速率方程推导其吸收截面随时间变化的规律•染料分子激发态能级粒子变化的速率方程为22121121122})]()({[)(nABBnBdtdnqnBpABB112212112)()]()([peBBAcBhpt.)]()([.)()(21121212•染料Q开关的吸收截面随时间和入射激光辐射密度变化的方程•当入射光强度很强（ρ很大）时，