激光调Q技术

激光调Q 技术
班级：11物理学
学号：1150710012
姓名：孔小娟
摘要：为了得到较高的峰值功率和窄的单个脉冲，采用了Q 调制技术，即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提高几个数量级。

关键词：Q 调制、谐振腔损耗、品质因数、主动调Q 、被动调Q
1. 引言
调Q 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，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。

普通的脉冲激光器,光脉冲的宽度约在ms 级,峰值功率也只有几十kW 。

调Q 激光器,光脉冲的宽度可以压到ns 级,峰值功率也已达到MW 。

品质因数 Q 值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标， 而Q 值的定义为：
dt dw w Q -===πνπνπ2单位时间损耗的能量谐振腔内储存的能量2每振荡周期损耗的能量谐振腔内储存的能量2 我们一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q 值
2. 激光调Q 的工作原理
在泵浦激励过程中，当工作物质中反集居数密度∆n 增加到阈值时就产生激光。

当∆n 超过∆nt 时，随着受激辐射的增强，上能级粒子数大量消耗，反转集居数∆n 迅速下降，直到∆n 低于阈值∆nt 时，激光震荡迅速衰减。

然后泵浦的抽运又使上能级逐渐积累粒子而形成第二个激光尖峰。

如此不断重复，便产生一系列小的尖峰脉冲。

由于每个激光脉冲都是在阈值附近产生的，所以输出脉冲的峰值功率较低，一般为几十千瓦数量级。

而增大输入能量，只能使尖峰脉冲的数目增多，不能有效的提高峰值功率水平，激光输出的时间性也很差。

为了得到搞得峰值功率和窄的当脉冲，主要采用了Q 调制技术，它的基本原理是通过某种方法使谐振腔的损耗因子（或品质因数Q ）按照规定的程序变化，
在泵浦激励刚开始时，使光腔具有较高的损耗因子，激光器由于阈值高而不能产生激光震荡，于是亚稳定上的粒子数便可以积累到较高的水平。

然后在适当的时刻，突然降低损耗因子，阈值也随之突然降低，，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射迅速增强。

在极短的时间内上能级储存大部分粒子的能量转变为激光能量，形成一个很强的激光巨脉冲输出。

如下图所示，在t=t0振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数Φ增长十分缓慢，如下图3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。

只有振荡持续到t＝tD时，增长到了ΦD ，Φ才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。

3. Q调制的方法
Q调制的关键在于调节谐振腔的损耗因子，所以，只要能使谐振腔损耗发生突变的元件都能作Q开关。

常用的调Q方法有转镜调Q、电光调Q、声光调Q、饱和吸收调Q。

前三种方法中谐振损耗由外部驱动源控制，成为主动调Q,最后一种，谐振腔损耗取决于腔内激光光强，称为被动调Q。

3.1 电光调Q
某些晶体在外加电场作用下，其折射率会发生变化，使晶体通过不同偏振方向的光之间产生相位差，从而使光的偏振状态发生变化的现象称为电光效应。

其中折射率的变化和电场成正比的效应称为普克尔效应，折射率的变化和电场强
度平方成正比的效应称为克尔效应。

电光Q 开关原理是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。

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x 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η’x 和η’y 。

经过晶体长度d 距离后,二偏振分量产生了相位差δ：
V c v Ed c
v c vd x y 63306330''2 2)(2γηπγηπηηπδ==-=
当δ=π/2时,所需电压称作四分之一波电压,记作V λ/4.图中电光晶体上施以电压V λ/4时,从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后,沿x ‘和y ’方向的偏振分量产生了π/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π/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。

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（这一状态相当于光开关处于关闭状态）。

在某一特定时刻,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90，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）。

电光开关是目前使用最广泛的一种Q 开关，适用于脉冲激光器，其主要特点开关速度快，同步性能好。

开关时间可以达到9
10-
秒，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，电光调Q 激光器可以获得脉宽窄，峰值功率高的巨脉冲，例如：典型的Nd:YAG 电光调Q 激光器的输出光脉冲宽度 约为１０-20ns ，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦。

3.2 声光调Q
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、随时间和空间周期变化的弹性形变,从而导致介质折射率的周期变化,形成等效的位相光栅,其光栅常数等于声波波长λs.光束射经此介质时发生衍射,一部分光偏离原来方向。

当声波频率较高.声光作用长度d 足够大,满足
λλ2
s
d >> 时(λs 与λ分别为声波与光波波长),如果λ射光与声波波面的夹角θ满足
s λλ
θ2sin =
则透射光束分裂为零级与+1级或-1级(视入射方向而定)衍射光,+1级或-1级衍射光与声波波面的夹角亦为θ,如图所示。

这种现象称作布喇格衍射,一级衍射光先强I1(或I-1)与入射光光强Ii 之比为
)2(sin 21φ∆=i I I
式中Δφ是经长度为d 的位相光栅后光波相位变化的幅度。

2
)2(2MP H d d λπηλπ
φ=∆=∆
式中Δη是介质折射率变化的幅值;d 与H 分别为换能器的长度与宽度;M 是声光介质的品质因素;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。

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,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锂、石英等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。

声光开关置于激光器中,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。

声光调Q 开关时间一般小于光脉冲建立时间,属快开关类型。

由于开关的调制电压只需100多伏,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、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力差,不宜用于高能调Q 激光器。

3.3 被动调Q
下图就是染料调Q 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。

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，吸收系数可以表示为：
01
1s I
I αα=+
在谐振腔内设置一饱和吸收体，利用其饱和吸收效应可以控制谐振腔的损
耗。

将饱和吸收体放在谐振腔中国，泵浦过程开始时，由于其吸收系数大，谐振腔损耗很大，激光器不能起振。

随着激光工作物质中反转集居数的积累，放大的自发辐射逐渐增强，当光强和饱和吸收体的光强可比拟时，吸收系数显著减少，当单程增益等于单程损耗，激光器开始起振。

随着激光强度烦人增强，饱和吸收体的吸收系数继续下降，促使激光迅速增加。

当激光光强增加至可与增益介质的饱和光强可比拟时，增益系数显著下降，最终导致激光熄灭。

由上述巨脉冲发展过程知，用作被动Q开关的饱和吸收体应具备下列特征：
1、吸收峰中心波长应与激光器激光波长吻合；
2、饱和光强Is要适当。

I小于增益介质的饱和光强Is是巨脉冲产生的
必要条件,Is太大还会因Q开关速度太慢而严重影响调Q效果,但Is也不宜过小,否则很弱的光就能使其透明,工作物质的反转粒子数便不能充分积累。

最早出现的被动调Q激光器以染料为饱和吸收体。

近年来发展了新型固体饱和吸收材料。

4、结论
调Q技术是高功率脉冲激光器的主要基础技术之一，对常用的脉冲固体激光器来说，采用调Q技术后,输出激光的脉冲时间宽度可压缩到万分之一，峰值功率可提高到千倍以上，获得巨脉冲。

调Q技术的应用，使我们能获得峰值功率在兆瓦以上而脉宽仅为纳秒量级的激光脉冲，使激光成为非常强的相干光源。

同时，也推动了诸如激光雷达，激光测距，高速摄影，核聚变等应用技术的发展。