激光调Q原理与技术
62激光调Q技术基本原理
1.调 Q的基本理论（1）脉冲固体激光器输出的弛豫振荡用示波器观察普通脉冲固体激光器输出的一个脉冲，发现它的波形并不是一个平滑的光脉冲，而是一系列不规则变化的尖峰脉冲组成。
每个尖峰脉冲的宽度为0.1 —1μs，间隔为5—10μs。
光泵越强，尖峰脉冲个数越多，但其包络的峰值增加并不多。
将这种现象称为激光器输出的弛豫振荡( 或尖峰振荡) 。
图6.2.1 所示为实测到的钕玻璃脉冲激光器的输出波形。
图 6.2.1脉冲激光器的输出波形。
弛豫振荡现象形成的主要原因是：随着光泵的作用，激光器达到其振荡阈值产生激光振荡，腔内光子数密度上升，输出激光。
随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，使反转粒子数密度下降，到低于阈值时，激光发射停止。
此时由于光泵的继续抽运，反转粒子数密度重又上升，到高于阈值时，产生第二个激光脉冲。
如此往复，直至光泵停止上述过程才结束。
由于每个尖峰脉冲均产生于阈值附近，故脉冲的峰值功率水平不高，且增大泵浦能量也无助于提高其峰值功率，只能是增加尖峰脉冲的个数。
在脉冲形成的过程中，激光器的阈值始终保持不变是产生弛豫振荡最根本的原因。
（ 2）谐振腔的品质因数在电子技术中，用 Q 值来描述一个谐振回路质量的高低。
在激光技术中，用 Q 值来描述一个谐振腔的质量，称其为谐振腔的品质因数。
激光器的损耗可以用单程损耗来描绘，也可以用品质因数Q值描绘，其定义为：谐振腔内储存的能量Q2品质因数是激光谐振腔的性能指标，与腔中介质的增益系数无关，光强I0在谐振腔传播 z 距离后会减弱为：I I 0 exp( a总 z) I 0 exp a总c t(6.1.1)其中μ为介质折射率， c 为真空中光速， t 为光在腔内传播距离z 所需的时间，则 t 时刻腔中光子数密度与光强的关系为：I (t ) N ( t)h0c(6.1.2)上式可以改写为光子数密度的形式：a总 c tN(t) N0 exp t N0 expc(6.1.3)体积为 V 的谐振腔内存储的能量为：W N (t)Vhν(6.1.4)每振荡周期损耗的能量为：cPWN (t)Vha总cνc 0(6.1.5) a总 c其中为光子的平均寿命。
激光调Q技术概述
约为１０-20ns，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
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装置示意图
二.声光调Q原理：
使腔内光子数密度增加，而发射激光。随着激光的发射，
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。
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Φ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振荡。)
（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）。
二、电光调Q技术特点
1.有较高的动态损耗（９９％）和插入损耗（１５％） 2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到 109秒 ， 3.典型的Nd:YAG 电光调Q激光器的输出光脉冲宽度
a.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， Φ ＝0；由于 光泵作用， △n继续增加，与此同时，腔内光子数密度Φ也开始增 加，由于Φ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。 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 Φ 继续增长，而且增长 非常迅速，达到最大值。
新激光ppt课件第八章 调Q技术与锁模技术
nL tc
式中tc
nL
c
为光子在腔内的寿命
d (G c 1 )
dt
n tc
d (G c 1 )
dt
n tc
当增益=损耗时，即为阈值条件
令 t tc
Gt
n ct c
则 d d (tcG n c1) (G G t 1)
GN
d
d
dN
N (
Nt 2
1) N
d
Nt
2.速率方程的解
1.工作物质储能调Q(PRM) 也叫脉冲反射式调Q.它是将能量以激活离子的
形式储存在工作物质中,能量储存的时间取决于激 光上能级的寿命.
(1).工作过程
(2).Q脉冲形成的三个时刻 (3).特点
Hale Waihona Puke 2.谐振腔储能调Q(PTM) 也叫脉冲透射式调Q.它是将能量以光子的
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，因而也叫腔倒空法。
和选择合适的谐振腔，以降低Nt.
六、调Q方法
1. 电光调Q
电光调Q装置如图， 激光腔中插入起偏振片 及作为Q开关的KD*P晶 体。
原理:
电光调Q装置示意图
电光调Q激光器如图。未加电场前晶 体的折射率主轴为x、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Z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δ
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。
激光技术第27讲 调Q激光器
27.1电光调Q方法
4
27.1电光调Q方法
二、偏振器件
5
27.1电光调Q方法
三、PTM式电光调Q 由两个全反镜组成谐振腔
1、 / 2波片式
不能振荡，ni
1 V 0 : K P1 Ex P波 EO 0 Ex P波 P2 Ex P波 A，
2 n nmax ,V V /2 : M1 K P1 Ex P波 EO E y S波 P2 M2
重复频率高，可达MHz以上 对声光器件有更高的要求：
衍射效率接近100% 开关速度要求快得多，上升时间大约为5ns，则要求光束
必须聚焦到一个直径50m的区域上
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27.2 声光调Q方法
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27.2 声光调Q方法
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27.3 被动调Q
电光调Q和声光调Q都是主动式调Q，即人为的利用某 些物理效应来控制激光谐振腔的损耗，从而达到Q值 得突变；而被动式调Q方式，是利用某些可饱和吸收 体本身特性来改变激光谐振腔的损耗，达到调Q目的。
M1 K P1 Ex P波 EO E y S波 P2 M2
Q脉冲建立，没有输出损耗， 。
3 m ,V 0 : K P1 Ex P波 EO 0 Ex P波 P2 Ex P波 A
巨脉冲输出
思考：P1 P2光路 及调Q过程如何？
2L
tPTM c
6
27.1电光调Q方法
Ex P EO/2T EO/2 P T 0,光路断,Q值低，ni Ex P EO0T EO0 P Ex
Ey
T 100%,光路导通，Q值高，
思考题：怎么将 / 4波片退压式调Q变成 / 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 振荡输出，Q脉冲 宽度10 100ns。
激光调Q技术讲解
激光调Q技术讲解关键信息项：1、激光调 Q 技术的定义和原理2、调 Q 技术的分类3、调 Q 技术的实现方法4、调 Q 技术的性能参数5、调 Q 技术的应用领域6、调 Q 技术的优势和局限性7、调 Q 技术的发展趋势11 激光调 Q 技术的定义和原理激光调 Q 技术是一种用于获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的技术。
其基本原理是通过改变激光谐振腔的损耗，在短时间内实现激光增益的快速积累和释放，从而产生高能量、短脉冲的激光输出。
在普通的连续或长脉冲激光运转中，由于增益介质的反转粒子数在激发过程中逐渐积累，同时受激辐射也在持续发生，导致激光输出功率相对较低且脉冲宽度较宽。
而调 Q 技术通过控制谐振腔的损耗，使得在泵浦初期，谐振腔处于高损耗状态，抑制激光振荡的产生，从而让增益介质中的反转粒子数得以大量积累。
当反转粒子数达到一定程度时，突然降低谐振腔的损耗，使得积累的反转粒子数在极短的时间内以受激辐射的形式快速释放，形成高峰值功率、窄脉宽的激光脉冲。
111 调 Q 技术的物理基础调 Q 技术的实现基于激光增益介质的粒子数反转、受激辐射以及谐振腔的特性。
增益介质中的粒子在泵浦源的作用下被激发到高能态，形成粒子数反转分布。
当光子在谐振腔内往返传播时，通过受激辐射过程不断放大，同时受到谐振腔损耗的影响。
112 调 Q 技术的数学模型为了更深入地理解和分析调 Q 技术，可以建立相应的数学模型。
这些模型通常基于速率方程，描述增益介质中粒子数的变化以及光场的演化。
12 调 Q 技术的分类调 Q 技术主要分为主动调 Q 和被动调 Q 两大类。
121 主动调 Q主动调 Q 是通过外部的驱动信号来控制谐振腔的损耗。
常见的主动调 Q 方法包括电光调 Q、声光调 Q 等。
电光调 Q 利用电光晶体的电光效应，通过施加外加电场来改变晶体的折射率，从而改变谐振腔的损耗。
声光调 Q 则是基于声光晶体的声光衍射效应，利用超声波在晶体中产生的折射率光栅来改变谐振腔的损耗。
第七讲 激光技术二：调Q技术
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3、染料调 Q 激光器
（1）染料吸收特性 染料的可饱和吸收系数 0是光强很小时的吸收系数； Is 为染料的饱和吸收光强(与染料种类及浓度有关)
布拉格声光器件
声光互作用区域长,相当 于体光栅，对入射光方 向要求严格,只有一级衍 射光。( 衍射效率高 )
入射光
-3级衍射光 -2级衍射光 -1级衍射光 零级光 入射光 +1级衍射光 +2级衍射光 +3级衍射光
零级光
+1级衍射光
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（1）第一阶段：积累阶段 激光通过声光介质中的超声场时产生衍射，使光束 偏离出谐振腔，造成谐振腔的损耗增大，Q值下降， 激光振荡不能形成。故在光泵激励下其上能级反转 粒子数将不断积累并达到饱和值。
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二、实现调 Q 技术的方法
1、电光调Q激光器
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。
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（1）第一阶段：积累阶段
第一阶段是在晶体上加 U 。 偏振光通过KDP晶体时分解为沿X和Y方向振动的振幅相等的 两束光，它们的振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播 时，其合成的规迹由两光的相位差来决定，当 时，两束 光合成为一线偏光，其振动方向相对入射光的原振动方向旋 转90度。因为P1 // P2，所以从晶体出来的光不能通过P2，被P2 反射掉。因此光不能在腔内来回传播形成振荡。这就相当于 腔内光子的损耗很大，Q值很低，称为“关门”状态。 电光器件
激光调q原理
激光调q原理激光调Q原理。
激光调Q技术是一种能够产生超短脉冲激光的技术，它在许多领域中都有着重要的应用，比如材料加工、医学影像、光通信等。
激光调Q技术的原理是通过调制激光器内部的损耗或增益，来实现脉冲的产生和放大。
在本文中，我们将详细介绍激光调Q技术的原理及其应用。
激光调Q技术的原理主要涉及到激光器内部的损耗或增益调制。
在激光器中，激光的产生是通过激发介质中的原子或分子来实现的。
当这些原子或分子处于激发态时，它们会通过受激辐射的过程释放出光子，从而产生激光。
而在调Q技术中，我们需要对激光器内部的损耗或增益进行调制，来实现脉冲的产生和放大。
激光调Q技术的一个重要应用是在超快激光领域。
超快激光在纳秒、皮秒甚至飞秒时间尺度上工作，它在材料加工、医学影像、光通信等领域都有着重要的应用。
激光调Q技术能够产生高峰值功率、窄脉冲宽度的超短脉冲激光，从而可以实现高精度的材料加工，高分辨率的医学影像，以及高速率的光通信传输。
除了在超快激光领域，激光调Q技术还有着其他的应用。
比如，在激光雷达中，激光调Q技术可以实现高峰值功率的激光脉冲，从而提高雷达的探测距离和分辨率。
在激光制导武器中，激光调Q技术可以产生高能量密度的激光脉冲，提高武器的毁伤效果。
在激光医疗领域，激光调Q技术可以实现对肿瘤等病变组织的精确治疗。
总的来说，激光调Q技术是一种能够产生超短脉冲激光的重要技术，它在超快激光、激光雷达、激光制导武器、激光医疗等领域都有着重要的应用。
通过调制激光器内部的损耗或增益，激光调Q技术可以实现高峰值功率、窄脉冲宽度的超短脉冲激光，从而可以实现高精度的材料加工、高分辨率的医学影像、以及高速率的光通信传输。
在未来，随着激光技术的不断发展，激光调Q技术有望在更多领域中发挥重要作用。
第2章调Q技术
2
2
t 1ms L 150km
t 1s L 150m
t 1ns L 150mm
t 1ps L 150m
激光脉冲的分类
ms
长脉冲 ct 300km
ms s 脉冲
100ns ns 短脉冲
100 ps fs 超短脉冲
§2.1概述
▪ 激光器的弛豫振荡
➢ 过程分析：
1
0时刻
➢ 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。
§2.4声光调方法
▪ 机理
➢ 在激光谐振腔内，利用声光调制器作为Q开关。 ➢ 声光调制器的1级光为腔内损耗，0级光为激光振荡。
▪ 结构
1 V 0 : K P1 Ex (P波) EO0 Ex (P波) P2 Ex (P波) A 不能振荡，ni
2 n nmax ,V V/2 : M1 K P1 Ex (P波) EO Ey (S波) P2 M 2
M1 K P1 Ex (P波) EO Ey (S波) P2 M 2
Q脉冲建立，没有输出损耗， 。
➢ 调Q过程自动完成，非人为控制，属于被动式。
§2.5被动调Q方法
▪ 饱和吸收体的速率方程
➢ 采用二能级模型 h [B12n1 B21n2 ] / c
➢ 定义饱和共振吸收截面 /n
1 u初始 0 0 n
2 nmax u 饱和体受激吸收，上能级粒子数增加n2 3 当n2 n1 n / 2时，饱和体漂白,"透明", 0 0
▪ 调Q过程
➢ 声光调制器调制信号为
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二、调Q基本概念
泵浦时令腔损耗很大(Q很小),突然减小损耗(增大 Q),使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射, 形成光脉冲
n0 nr nt ne m
m
2
n
tp:光子数密度达到m的时刻,相 应反转粒子数密度为nt
t
t
tr t e
tr:光子数密度升到m/2的时刻, 相应反转粒子数密度为nr te:光子数密度降到m/2的时刻, 相应反转粒子数密度为ne
若=45，则入、出射线偏振光方向 互相垂直
U 2、加 2 :
相当于四分之一波片,使入射线偏振光变 为椭圆偏振光 若=45，则出射椭圆偏振光变为圆偏振光
7、常用电光晶体工作模式
(1)磷酸氢钾(KDP)
电场与光传播方向都沿z轴(纵) 两本征偏振光方向分别沿x、y
(2)铌酸锂(LN)
a)电场沿x轴，光传播方向沿z轴(横) 两本征偏振光方向分别沿x、y b)电场沿y轴，光传播方向沿z轴(横) 两本征偏振光方向分别沿x、y
x z
y
4பைடு நூலகம்
LN
45
全反镜
• 当 =/2 时，所需电压称作四分之一波电压 ，记作V/4；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 x′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。
2
Ln
2
Ln 3 oE
L：晶体沿通光方向长度 ：真空中光波长
5、半波电压
纵向电光效应 横向电光效应
使相移等于所须电压
U 3 2no
H U 3 2no L
H:晶体沿电场方 向的长度
6、电光晶体的作用
1、加 U : 相当于半波片,使入射线偏振光的偏振方 向绕任一本征偏振光的偏振方向转过2角(为入 射线偏振光与该本征偏振光的夹角)
二、电光调Q工作原理
1、Q开关开启
激光 电光器件 全反镜
输出镜
激光介质
起偏镜
检偏镜
2、Q开关关闭
激光介质
电光器件
+
全反镜
输出镜
起偏镜
-
检偏镜
三、电光调Q激光器装置
1、带偏振器的KDP电光调Q激光器
激光 输出镜 氙灯 YAG KDP
全反镜
偏振器
U 2
2、双45LN电光调Q激光器
激光 输出镜 氙灯 YAG
• 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； • 如果在某一时刻，突然撤去电光晶体两端的电压，则谐振 腔突变至低损耗、高Q值状态，于是形成巨脉冲激光。
电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
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调Q原理与技术 §1 调Q原理 一、弛豫振荡现象 1、现象
普通脉冲激光器输出波形由一系列不规则的尖峰 脉冲组成
2、解释
泵浦使激光器达到阈值，产生激光反转粒子数 减少至低于阈值激光熄灭
3、特点
(1)峰值功率不高，只在阈值附近 (2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增 加峰值功率 激光器的阈值始终保持不变 4、原因
2、类型
(1)纵向电光效应:电场方向与光传播方向一致 (2)横向电光效应:电场方向与光传播方向垂直
电光调Q装置示意图
3、折射率差
加电场后两个正交的本征偏振光折射率之差
3 n no E
no:晶体o光主折射率 :晶体有效电光系数
E:直流电场强度
4、相移
入射线偏振光通过晶体后两本征模产生的相位差
tr tp te
t
§2 转镜调Q激光器 一、工作原理
激光介质
1、Q开关开启
激光 半反 激光介质 转镜
2、Q开关关闭
半反 转镜
二、装置
棱镜 磁头
镜架
激光介质
半反 激光
磁钢
光泵 电源
电动机
触发电路
电光调Q激光器 一、电光效应 1、定义
沿电光晶体的某一特定方向加直流电场后,在光轴 方向上产生双折射现象，即入射线偏振光将分解 为两个偏振方向正交的本征偏振光