1、一、脈沖固體激光器的輸出特性一、脈沖固體激光器的輸出特性1.1.弛豫振蕩弛豫振蕩2.2.產生弛豫振蕩的原因產生弛豫振蕩的原因 在脈沖形成的過程中，在脈沖形成的過程中，激光器的閾值始終保持不變激光器的閾值始終保持不變是產生弛豫振蕩最根本的原是產生弛豫振蕩最根本的原因。因。3. 3. 弛豫振蕩產生的物理過程弛豫振蕩產生的物理過程二、調二、調Q Q的基本原理的基本原理 通過某種方法使諧振腔的損耗通過某種方法使諧振腔的損耗(或或Q Q值值) )按照按照規定的程序變化規定的程序變化, ,在泵浦激勵剛開始時在泵浦激勵剛開始時, ,先使光腔具先使光腔具有高損耗有高損耗H,H,激光器由于閾值高而不能產生激光振

2、激光器由于閾值高而不能產生激光振蕩蕩, ,于是亞穩態上的粒子數便可以積累到較高的水于是亞穩態上的粒子數便可以積累到較高的水平。然后在適當的時刻平。然后在適當的時刻, ,使腔的損耗突然降低到使腔的損耗突然降低到,閾值也隨之突然降低閾值也隨之突然降低, ,此時反轉集居數大大超過閾此時反轉集居數大大超過閾值值, ,受激輻射極為迅速地增強。受激輻射極為迅速地增強。1.1.基本原理基本原理2.2.類型類型機械轉鏡調機械轉鏡調Q Q、電光調、電光調Q Q、聲光調、聲光調Q Q、染料調、染料調Q Q三、調三、調Q Q技術技術1.1.定義定義( (也叫巨開關技術也叫巨開關技術) )通過調節諧振腔的品質因數通過

3、調節諧振腔的品質因數Q,Q,來獲得巨脈沖的技術來獲得巨脈沖的技術. .2. 2. 實現調實現調Q Q對激光器的基本要求對激光器的基本要求工作物質工作物質: :應具有高抗損傷閾值應具有高抗損傷閾值, ,躍遷的上能躍遷的上能級壽命長級壽命長. .光泵浦速率光泵浦速率: :大于上能級自發輻射速率大于上能級自發輻射速率. . Q Q值突變值突變: :四、調四、調Q Q激光器的兩種儲能方式激光器的兩種儲能方式1.1.工作物質儲能調工作物質儲能調Q(PRM)Q(PRM) 也叫脈沖反射式調也叫脈沖反射式調Q.Q.它是將能量以激活離子的它是將能量以激活離子的形式儲存在工作物質中形式儲存在工作物質中, ,能量儲

4、存的時間取決于激能量儲存的時間取決于激光上能級的壽命光上能級的壽命. .(1).(1).工作過程工作過程(2).Q(2).Q脈沖形成的三個時刻脈沖形成的三個時刻(3).(3).特點特點2.2.諧振腔儲能調諧振腔儲能調Q(PTM)Q(PTM) 也叫脈沖透射式調也叫脈沖透射式調Q.Q.它是將能量以光子的它是將能量以光子的形式儲存在諧振腔中形式儲存在諧振腔中, ,當腔內光子數密度達到最大當腔內光子數密度達到最大值時瞬間將腔內能量全部輸出，因而也叫腔倒空法。值時瞬間將腔內能量全部輸出，因而也叫腔倒空法。(2).(2).特特點點(1).(1).工作過程工作過程五、調五、調Q Q激光器的速率方程激光器的速

5、率方程為方便，設為方便，設Q Q開關函數是理想的階躍函數開關函數是理想的階躍函數系統簡化為二能級系統系統簡化為二能級系統只用來研究只用來研究Q Q值階躍后的脈沖形成過程值階躍后的脈沖形成過程1.1.速率方程速率方程GdzdncGdtdzdzddtd設設Q Q值階躍后的單程損耗為值階躍后的單程損耗為，t1t1為傳播一個單程為傳播一個單程的時間的時間為光子在腔內的壽命式中cnLttnLctdtdcc1)1()1(cctncGdtdtncGdtd當增益當增益= =損耗時，即為閾值條件損耗時，即為閾值條件ctctnG ctt令) 1() 1(tcGGnGctdd則ttNNddNNNddNG2) 1(2

6、.2.速率方程的解速率方程的解（1 1腔內光子數腔內光子數) 1(21NNdNdt)ln(21itiNNNNN（2 2峰值功率峰值功率最大時，Pmax)ln(21itttimtNNNNNNN最大時，0mmhP（3 3輸出能量輸出能量hNNEfi)(214.4.單脈沖的能量利用率單脈沖的能量利用率ifiNNN 設輸出反射鏡透過率為設輸出反射鏡透過率為T,T,腔長為腔長為L,L,光在腔內的運動光在腔內的運動速度為速度為v,v,那么那么2) 1(41titmNNTNLvhP意義：意義：)exp(tiifNNNN可見可見tiNNifNN為提高效率為提高效率 ，就應該，就應該iNtN即：即：Q Q開關函

7、數階躍變化量要大開關函數階躍變化量要大5.5.調調Q Q脈沖的時間特性脈沖的時間特性脈寬：半功率點間的寬度脈寬：半功率點間的寬度tiNN則上升時間急劇則上升時間急劇 但下降時間變化不大但下降時間變化不大6.6.設計調設計調Q Q激光器的原則激光器的原則 盡量提高光泵抽運速率盡量提高光泵抽運速率Wp,Wp,以增大以增大NiNi；選用；選用Q Q值階躍變化量大的開館；選用效率高的工作物質值階躍變化量大的開館；選用效率高的工作物質和選擇合適的諧振腔，以降低和選擇合適的諧振腔，以降低Nt.Nt.六、調六、調Q Q方法方法 電光調電光調Q Q裝置如圖，裝置如圖，激光腔中插入起偏振片激光腔中插入起偏振片及

8、作為及作為Q Q開關的開關的KDKD* *P P晶體。晶體。原理原理:電光調Q裝置示意圖1. 1. 電光調電光調QQ 電光調電光調Q Q激光器如圖。未加電場前晶激光器如圖。未加電場前晶體的折射率主軸為體的折射率主軸為x x、y y、z z。沿晶體光軸。沿晶體光軸方向方向z z施加一外電場施加一外電場E ,E ,由于普克爾效應由于普克爾效應, ,主軸變為主軸變為 、 、 。令光束沿。令光束沿z z軸方向傳軸方向傳播播, ,經偏振器后變為平行于經偏振器后變為平行于Z Z軸的線偏振光軸的線偏振光, ,入射到晶體表面時分解為等幅的入射到晶體表面時分解為等幅的 和和 方方向的偏振光向的偏振光, ,在晶體

9、中二者具有不同的折在晶體中二者具有不同的折射率射率 和和 。經過晶體長度。經過晶體長度d d距離后距離后, ,二二偏振分量產生了相位差偏振分量產生了相位差VcEdccdxy6330633022)(2yXxyzxy 式中式中。為晶體尋常光折射率。為晶體尋常光折射率;63;63是晶是晶體的電光系數體的電光系數;V;V是加在晶體兩端的電壓。當是加在晶體兩端的電壓。當=/2=/2時時, ,所需電壓稱作四分之一波電壓所需電壓稱作四分之一波電壓, ,記記作作V/4.V/4.如圖電光晶體上施以電壓如圖電光晶體上施以電壓V/4V/4時時, ,從從偏振器出射的線偏振光經電光晶體后偏振器出射的線偏振光經電光晶體后

10、, ,沿沿xx和和yy方向的偏振分量產生了方向的偏振分量產生了/2/2位相延遲位相延遲, ,經全經全反射鏡反射后再次通過電光晶體后又將產生反射鏡反射后再次通過電光晶體后又將產生/2/2延遲延遲, ,合成后雖仍是線偏振光合成后雖仍是線偏振光, ,但偏振方向但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向垂直于偏振器的偏振方向, ,因此不能通過偏振因此不能通過偏振器。這種情況下諧振腔的損耗很大器。這種情況下諧振腔的損耗很大, ,處于低處于低Q Q值值狀態狀態, ,激光器不能振蕩激光器不能振蕩, ,激光上能級不斷積累粒激光上能級不斷積累粒子。如果在某一時刻子。如果在某一時刻, ,突然撤去電光晶體兩端突然撤去電光晶體

11、兩端的電壓的電壓, ,則諧振腔突變至低損耗、高則諧振腔突變至低損耗、高Q Q值狀態值狀態, ,于是形成巨脈沖激光。于是形成巨脈沖激光。2. 2. 聲光調聲光調QQ聲光調Q裝置示意圖原理：原理： 聲光聲光Q開關由一塊對激光波長透明的聲光介質及換開關由一塊對激光波長透明的聲光介質及換能器組成能器組成,常用的聲光介質有熔融石英、鉬酸鉛及重火常用的聲光介質有熔融石英、鉬酸鉛及重火石玻璃等。聲光介質表面粘接有由鈮酸鋰、石英等壓電石玻璃等。聲光介質表面粘接有由鈮酸鋰、石英等壓電材料薄片制成的換能器材料薄片制成的換能器,換能器的作用是將高頻信號轉換能器的作用是將高頻信號轉換為超聲波。聲光開關置于激光器中換為

12、超聲波。聲光開關置于激光器中.當聲波在某些介質中傳播時當聲波在某些介質中傳播時, 導致介質折射率導致介質折射率的周期變化的周期變化,形成等效的位相光柵形成等效的位相光柵,其光柵常數其光柵常數等于聲波波長等于聲波波長s.光束射經此介質時發生衍射光束射經此介質時發生衍射,一部分光偏離原來方向。當聲波頻率較高、聲光作用長度一部分光偏離原來方向。當聲波頻率較高、聲光作用長度d足夠大足夠大,滿足滿足s、分別為聲波與光波波長分別為聲波與光波波長則透射光束分裂為零級與則透射光束分裂為零級與+1級或級或-1級級衍射光，衍射光與聲波波面的夾角亦為衍射光，衍射光與聲波波面的夾角亦為,如下圖。這種現象稱作布喇格衍射

13、如下圖。這種現象稱作布喇格衍射,一一級衍射光光強級衍射光光強I1與入射光光強與入射光光強Ii之比為之比為聲光布喇格衍射示意圖2sd 如果入射光與聲波波面的夾角如果入射光與聲波波面的夾角滿足滿足s2sin)2(sin21iII是經長度為是經長度為d的位相光柵后光波相位變化的幅度的位相光柵后光波相位變化的幅度是介質折射率變化的幅值是介質折射率變化的幅值;d與與H分別為換能器的長分別為換能器的長度與寬度度與寬度;M是聲光介質的品質因素是聲光介質的品質因素;P是超聲驅動功率。是超聲驅動功率。提高超聲驅動功率可得到較高的衍射效率。提高超聲驅動功率可得到較高的衍射效率。21)2(2MPHdd 由于一級衍射

14、光偏離諧振腔而導致損耗增加由于一級衍射光偏離諧振腔而導致損耗增加, ,從而從而使激光振蕩難以形成使激光振蕩難以形成, ,激光高能級大量積累粒子。若激光高能級大量積累粒子。若這時突然撤除超聲場這時突然撤除超聲場, ,則衍射效應即刻消失則衍射效應即刻消失, ,諧振腔損諧振腔損耗突然下降耗突然下降, ,激光巨脈沖遂即形成。激光巨脈沖遂即形成。 聲光調聲光調Q開關時間一般小于光脈沖建立時間開關時間一般小于光脈沖建立時間,屬快開關類型。由于開關的調制電壓只需屬快開關類型。由于開關的調制電壓只需100多多伏伏,所以可用于低增益的連續激光器所以可用于低增益的連續激光器,可獲得峰值可獲得峰值功率幾百千瓦、脈寬

15、約為幾十納秒的高重復率巨脈沖。功率幾百千瓦、脈寬約為幾十納秒的高重復率巨脈沖。但是但是,聲光開關對高能量激光器的開關能力差聲光開關對高能量激光器的開關能力差,不宜用于不宜用于高能調高能調Q激光器。激光器。3. 3. 染料調染料調Q Q 如圖是染料調如圖是染料調Q激光器的示意圖。它激光器的示意圖。它是在一個固體激光器的腔內插入一個染料盒構成的。是在一個固體激光器的腔內插入一個染料盒構成的。 染料盒內裝有可飽和染料，利用其飽和吸收效應可染料盒內裝有可飽和染料，利用其飽和吸收效應可以控制諧振腔的損耗。這種染料對該激光器發出的光有以控制諧振腔的損耗。這種染料對該激光器發出的光有強烈吸收作用，而且隨入射

16、光的增強吸收系數減小。當強烈吸收作用，而且隨入射光的增強吸收系數減小。當光強很大時光強很大時, ,吸收系數為零吸收系數為零, ,入射光幾乎全部透過。入射光幾乎全部透過。其吸收系數表示為：其吸收系數表示為： 011sII式中式中0是中心頻率小信號吸收系數是中心頻率小信號吸收系數;I、Is分別為入射光強、飽和分別為入射光強、飽和光強。簡并度相等的二能級系統的飽和光強為光強。簡并度相等的二能級系統的飽和光強為2122hIs1212為吸收截面為吸收截面22為高能級壽命為高能級壽命飽和吸收體的透過率隨光強的變化如圖飽和吸收體的透過率隨光強的變化如圖 將飽和吸收體放在諧振腔中將飽和吸收體放在諧振腔中,泵浦

17、過程開始時泵浦過程開始時,由于其由于其吸收系數大吸收系數大,諧振腔損耗很大激光器不能起振。隨著激光諧振腔損耗很大激光器不能起振。隨著激光工作物質中反轉集居數的積累工作物質中反轉集居數的積累,放大的自發輻射逐漸增加放大的自發輻射逐漸增加,當光強與飽和吸收體的當光強與飽和吸收體的Is可比擬時可比擬時,吸收系數顯著減少。吸收系數顯著減少。當這一過程發展到一定程度時單程增益等于單程損耗當這一過程發展到一定程度時單程增益等于單程損耗,激激光器開始起振。隨著激光強度的增加光器開始起振。隨著激光強度的增加,飽和吸收體的吸收飽和吸收體的吸收系數又繼續下降系數又繼續下降,而這又促使激光更迅速地增加而這又促使激光

18、更迅速地增加,于是產生于是產生了受激輻射不斷增長的雪崩過程了受激輻射不斷增長的雪崩過程,當激光光強增加至可與當激光光強增加至可與增益介質的飽和光強可比擬時增益介質的飽和光強可比擬時,增益系數顯著下降增益系數顯著下降,最終導最終導致激光熄滅。致激光熄滅。飽和光強飽和光強 要適當。要適當。 小于增益介質的飽和光強小于增益介質的飽和光強 是巨脈沖產生的必要條件是巨脈沖產生的必要條件, , 太大還會因太大還會因Q Q開關速度開關速度太慢而嚴重影響調太慢而嚴重影響調Q Q效果效果; ; 也不宜過小也不宜過小, ,否則很弱否則很弱的光就能使其透明的光就能使其透明, ,工作物質的反轉集居數便不能工作物質的反轉集居數便不能充分積累。充分積累。用作被動用作被動Q Q開關的飽和吸收體應具備的特性開關的飽和吸收體應具備的特性: :吸收峰中心波長應與激光器激光波長吻合吸收峰中心