第四章激光Q开关及锁模技术
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激光的调Q与锁模
在激光测量领域，调Q技术可以用于测 量距离、速度、角度等参数，具有高精 度和高分辨率的特点。
03 锁模技术
锁模技术的原理
锁模技术是一种控制激光脉冲宽度和重复频率的方法，通过在激光振荡 过程中引入周期性的相位调制，使得激光脉冲在时间上被压缩和固定。
锁模技术利用了激光的相干性，通过在激光腔内引入一个或多个调制器， 对激光的相位进行调制，使得激光脉冲在时间上呈现出周期性的变化。
锁模技术
通过在激光器中引入光学反馈，使激光器的多个纵模同时振荡并保持相位锁定状 态。通过控制反馈强度和频率，可以调节脉冲宽度和重复频率，从而实现超短脉 冲激光输出。
技术特点的比较
调Q技术
调Q激光器结构简单，脉冲能量较高 ，但脉冲宽度较大，通常在毫秒量级 。调Q技术适用于需要高功率脉冲激 光的场合，如材料加工、医疗美容等 。
激光的调q与锁模
目录
• 激光基础知识 • 调Q技术 • 锁模技术 • 调Q与锁模技术的比较 • 调Q与锁模技术的发展趋势
01 激光基础知识
激光原理简介
激光原理
激光是受激发射放大原理产生的相干光。在激光器中，通过外部激励源激发原 子或分子从低能态跃迁到高能态，再通过受激辐射放大实现光的放大。
激光产生过程
随着超快激光技术的进步，锁模技术能够实现更短脉冲宽度和更高重复频率的激光输出， 为科学研究、工业应用等领域提供更多可能性。
锁模技术的集成化与小型化
为了满足不同应用场景的需求，锁模技术将进一步实现集成化和小型化，便于携带和使 用。
锁模技术在光通信、光谱分析等领域的应用拓展
锁模技术能够产生超短脉冲激光，具有极高的时间分辨率和光谱分辨率，因此在光通信、 光谱分析等领域具有广泛的应用前景。
03 锁模技术
锁模技术的原理
锁模技术是一种控制激光脉冲宽度和重复频率的方法，通过在激光振荡 过程中引入周期性的相位调制，使得激光脉冲在时间上被压缩和固定。
锁模技术利用了激光的相干性，通过在激光腔内引入一个或多个调制器， 对激光的相位进行调制，使得激光脉冲在时间上呈现出周期性的变化。
锁模技术
通过在激光器中引入光学反馈，使激光器的多个纵模同时振荡并保持相位锁定状 态。通过控制反馈强度和频率，可以调节脉冲宽度和重复频率，从而实现超短脉 冲激光输出。
技术特点的比较
调Q技术
调Q激光器结构简单，脉冲能量较高 ，但脉冲宽度较大，通常在毫秒量级 。调Q技术适用于需要高功率脉冲激 光的场合，如材料加工、医疗美容等 。
激光的调q与锁模
目录
• 激光基础知识 • 调Q技术 • 锁模技术 • 调Q与锁模技术的比较 • 调Q与锁模技术的发展趋势
01 激光基础知识
激光原理简介
激光原理
激光是受激发射放大原理产生的相干光。在激光器中，通过外部激励源激发原 子或分子从低能态跃迁到高能态，再通过受激辐射放大实现光的放大。
激光产生过程
随着超快激光技术的进步，锁模技术能够实现更短脉冲宽度和更高重复频率的激光输出， 为科学研究、工业应用等领域提供更多可能性。
锁模技术的集成化与小型化
为了满足不同应用场景的需求，锁模技术将进一步实现集成化和小型化，便于携带和使 用。
锁模技术在光通信、光谱分析等领域的应用拓展
锁模技术能够产生超短脉冲激光，具有极高的时间分辨率和光谱分辨率，因此在光通信、 光谱分析等领域具有广泛的应用前景。
激光原理4.7激光锁模技术(2014)
4.7 激光锁模技术目的:压缩脉冲宽度，高峰值功率。
Q开关激光器般脉宽达10s 10s量级，如果再压缩开关激光器一般脉宽达-8s~10-9量级如果再压缩脉宽，Q开关激光器已经无能为力，但有很多实际应用需要更窄的脉冲。
(1964年后发展了锁模技术，可将脉冲压缩到10-11～10-14s（ps）量级。
)例:1. 激光测距：为了提高测距的精度，则脉宽越窄越好.2激光高速摄影为了拍照高速运动的物体提高照片的2. 激光高速摄影：为了拍照高速运动的物体，提高照片的清晰度，也要压缩脉宽.3. 对一些超快过程的研究，激光核聚变，激光光谱，荧光3对一些超快过程的研究激光核聚变激光光谱荧光寿命的测定，非线性光学的研究等需窄的脉宽。
(掺钛蓝)。
宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短光脉冲序列14.7.1 锁模原理多模激光器的输出特性一、多模激光器的输出特性自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阈值的般包含若干个超过阈值的纵模，如图所示。
这些模的振幅及相位都不固定，激光输出随时间的变化是它们无规则叠加的结果，是一种时间平均的统计值间平均的统计值。
假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N 个纵模，每个纵模输出的电场分那么激光器输出的光波电场个纵模电场的和即量可用下式表示:)(q q t i eE t E ϕω+=+=t i q q )(ϕω是N 个纵模电场的和，即(4-73)(4-74)2)(q q ∑qq eE t E )((473)(474))()(q q t i q q eE t E ϕω+=∑+=t i q q q eE t E )()(ϕωqE q 、ωq 、φq 为第q 个模式的振幅、角频率及初位相。
各个模式的振幅E 、初位相均无确定关系，各个模式互不相干，因而q 、φq ，，激光输出是它们的无规叠加的结果，输出强度随时间无规则起伏。
假设有三个光波，频率分别为v 1、v 2和v 3，沿相同方向传播，并且有如下关系：3213112302, ,v v v v E E E E =====在未锁定时，初相彼此无关。
第四章 Q开关技术和锁模技术
二.多模激光器的输出特性.
未锁模的连续激光器输出的是连续的激光。多纵模，主要讨论各模 之间的关系，把每一模式的光波做为一束光来处理。
纵模频率
q
qc 2L
频率间隔
c 2L
式中L－光学长度 q－纵模序数 假定在激光器工作物质净增益线宽内超过阈值的纵模－即在腔内振荡 的模式有2N＋1个。 纵模表示式
R p ( t ) 0 fo r t 0
R p ( t ) R p co n st . fo r 0 t t p
对于四能级系统，布居反转数的变化规律：
N ( t ) N 1 ex p ( t / )
这里：
N R p ,
是激光上能级寿命。
利 用 c o s ( ) c o s ( ) 2 c o s c o s 1 1 s in c o s 1 2 2 1 s in 2
和
cos cos 2
cos
n nx ny ,
L
是晶体长度。
4. 各种常见Q开关
《激光原理与技术》
当给晶体加上适当的电压，使 2 ，光波变 为圆偏振光，经过谐振腔反射再次通过该晶体后， 又引入一个 2 的相位差，这样圆偏振光又 变为线偏振光，只是偏振方向与原来垂直，因此 不能通过偏振片。这种情况相当于Q开关关闭， 腔内损耗大。
N
N
E q (t )
N
N
E 0 co s ( 0 q ) t q a
E 0 co s 0 t co s[( 0 ) t ] co s[( 0 ) t ] co s[( 0 2 ) t 2 ] co s[( 0 2 ) t 2 ] E 0 co s 0 t 1 2 co s( t ) 2 co s 2 ( t ) 2 co s 3( t ) 2 co s N ( t )
调Q技术与锁模技术
)
当 N Nt 时，腔内光子数达到其最大值 m
m
1 2
(Ni
Nt
Nt
ln
Nt Ni
)
在 Nt 附近做级数展开，可得
2.峰值功率Pm
m
Nt 4
( Ni Nt
1)2
当腔内光子数达到最大值m 时，输出的巨脉冲功率也达到其最
大值 Pm ，即
Pm hm0
0 为输出镜单位时间内光能量的衰减率。
设输出镜透过率为T,腔长为L，光在腔内的运动速度为v,可得
7.1 调Q技术 7.1.1 调Q的基本理论 一. 脉冲固体激光器的输出的驰豫振荡
将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记 录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽 和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的。
如图 (a)所示。每个尖峰的宽度约为0.1～1μs，间隔为数微秒， 脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦持续时间相等。图(b)所示 为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现象称为激光器弛 豫振荡。
2
Ni /Nt
1
1.0
0.9
0.8 0.7 0.6
(Ni N f ) / Ni
0.5
0.4
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
N f / Ni
5．调Q脉冲的时间特性 下面再讨论一下调Q脉冲的脉宽和波形问题
1 2
(
Ni
N
Nt
ln
N Ni
)
由dN 2 N
d
Nt
d dt Nt dN
(3)谐振腔的Q值改变要快（最好是突变），一般应与谐振腔
建立激光振荡的时间相比拟。
四、调Q激光器的两种储能方式
《锁模技术》课件
锁模技术可以产生具有超短脉冲宽度、高重复频率和高单脉冲能量等优 异特性的激光脉冲，广泛应用于科学研究、工业生产和医疗等领域。
锁模技术的数学模型
锁模技术的数学模型是描述光束调制、相干叠加和干涉过程的数学表达式或方程组 。
数学模型中通常包含光束的振幅、相位、频率和偏振态等参数，以及物理效应的系 数和常数。
医疗领域
锁模技术可用于激光眼科 手术、激光美容、激光治 疗肿瘤等领域，提高医疗 效果和安全性。
锁模技术的发展历程
早期研究
锁模技术的研究始于20世 纪60年代，当时主要用于 产生超短脉冲激光。
技术发展
随着技术的不断发展，锁 模技术逐渐应用于更多的 领域，如光谱学、光学、 量子力学等。
当前应用
目前，锁模技术已经广泛 应用于科学研究、工业生 产和医疗等领域，成为一 种重要的技术手段。
通过锁模技术，还可以实现多 波长激光输出，用于宽光谱范 围的研究和应用。
锁模技术在量子信息中的应用
锁模技术可以用于产生量子纠缠 态和量子比特，是量子计算和量
子通信中的关键技术之一。
通过锁模技术，可以实现量子比 特的相干控制和操作，为量子计 钥分发和量子隐形传态等量子通 信协议，提高通信安全性和保密
通过求解数学模型，可以预测和控制光束的干涉模式和激光脉冲的波形和参数。
锁模技术的实现方式
锁模技术可以通过多种方 式实现，如主动锁模、被 动锁模、光学锁模和数字 锁模等。
主动锁模是利用外部信号 对激光器进行调制，以实 现光束的相干叠加和干涉 。
被动锁模是利用激光器自 身的物理效应进行调制， 如饱和吸收、增益开关等 。
锁模技术在其他领域的应用拓展
生物医学领域
利用锁模技术产生的超短脉冲激光，可以实现对生物组织的 无损检测和精确切割，为生物医学领域的研究和应用提供新 的工具。
锁模技术的数学模型
锁模技术的数学模型是描述光束调制、相干叠加和干涉过程的数学表达式或方程组 。
数学模型中通常包含光束的振幅、相位、频率和偏振态等参数，以及物理效应的系 数和常数。
医疗领域
锁模技术可用于激光眼科 手术、激光美容、激光治 疗肿瘤等领域，提高医疗 效果和安全性。
锁模技术的发展历程
早期研究
锁模技术的研究始于20世 纪60年代，当时主要用于 产生超短脉冲激光。
技术发展
随着技术的不断发展，锁 模技术逐渐应用于更多的 领域，如光谱学、光学、 量子力学等。
当前应用
目前，锁模技术已经广泛 应用于科学研究、工业生 产和医疗等领域，成为一 种重要的技术手段。
通过锁模技术，还可以实现多 波长激光输出，用于宽光谱范 围的研究和应用。
锁模技术在量子信息中的应用
锁模技术可以用于产生量子纠缠 态和量子比特，是量子计算和量
子通信中的关键技术之一。
通过锁模技术，可以实现量子比 特的相干控制和操作，为量子计 钥分发和量子隐形传态等量子通 信协议，提高通信安全性和保密
通过求解数学模型，可以预测和控制光束的干涉模式和激光脉冲的波形和参数。
锁模技术的实现方式
锁模技术可以通过多种方 式实现，如主动锁模、被 动锁模、光学锁模和数字 锁模等。
主动锁模是利用外部信号 对激光器进行调制，以实 现光束的相干叠加和干涉 。
被动锁模是利用激光器自 身的物理效应进行调制， 如饱和吸收、增益开关等 。
锁模技术在其他领域的应用拓展
生物医学领域
利用锁模技术产生的超短脉冲激光，可以实现对生物组织的 无损检测和精确切割，为生物医学领域的研究和应用提供新 的工具。
4.6 激光器的驰豫振荡Q调制-20200513
22
第四章 激光器的工作特性
2、声光调Q(acoustooptical Q-switch)
如果入射光与声波波面的夹角θ满足
sin 2s
s; 声波与入射光的波长
则透射光束分裂为零级与+1级(或-1级)， +1级
或-1级衍射光与声波波面的夹角也为，一级衍
射光强与入射光强之比为
I1 sin 2 ( D )
Ii
2
式中Δφ是经长度为d的位相光栅后光波相位
变化的幅度。
D 2 Dd (2 d MP)2
H
换能器：将高频信号转化为超声波(铌酸锂、石英等压电材料)
声光介质：熔融石英(Fused Silica)，钼酸铅、重火石玻璃等
属于快开型开关；对高能量激光器开关能力差
23
第四章 激光器的工作特性
商用声光调Q开关
21vN 0 A21 W03
Dn 1 N R
Dn(t )N (5-4-7)
(t )
N0 R
N (t ) R
21vN 0Leabharlann n(5-4-8)二阶常系数微分方程
(5-4-7),(5-4-8) 再次求导后代入
(5-4-7),(5-4-8)
d2Dn dt 2
dDn dt
Dn
0
d2N dt 2
dN dt
调Q & 锁模目的: 压窄脉冲宽度，提高峰值功率
激光器的 Q调制
第四章 激光器的工作特性
连续激光器
激光器：
脉冲激光器 —— 可获得较高的峰值功率 • 获得脉冲激光的方法之一： 脉冲激励(电脉冲、光脉冲) • 存在的问题：
驰豫振荡、脉冲宽(几百s~ms)
• 上述激光器称作自由运转激光器
第四章 激光器的工作特性
2、声光调Q(acoustooptical Q-switch)
如果入射光与声波波面的夹角θ满足
sin 2s
s; 声波与入射光的波长
则透射光束分裂为零级与+1级(或-1级)， +1级
或-1级衍射光与声波波面的夹角也为，一级衍
射光强与入射光强之比为
I1 sin 2 ( D )
Ii
2
式中Δφ是经长度为d的位相光栅后光波相位
变化的幅度。
D 2 Dd (2 d MP)2
H
换能器：将高频信号转化为超声波(铌酸锂、石英等压电材料)
声光介质：熔融石英(Fused Silica)，钼酸铅、重火石玻璃等
属于快开型开关；对高能量激光器开关能力差
23
第四章 激光器的工作特性
商用声光调Q开关
21vN 0 A21 W03
Dn 1 N R
Dn(t )N (5-4-7)
(t )
N0 R
N (t ) R
21vN 0Leabharlann n(5-4-8)二阶常系数微分方程
(5-4-7),(5-4-8) 再次求导后代入
(5-4-7),(5-4-8)
d2Dn dt 2
dDn dt
Dn
0
d2N dt 2
dN dt
调Q & 锁模目的: 压窄脉冲宽度，提高峰值功率
激光器的 Q调制
第四章 激光器的工作特性
连续激光器
激光器：
脉冲激光器 —— 可获得较高的峰值功率 • 获得脉冲激光的方法之一： 脉冲激励(电脉冲、光脉冲) • 存在的问题：
驰豫振荡、脉冲宽(几百s~ms)
• 上述激光器称作自由运转激光器
激光技术调Q与锁模
当激光工作物质中有多个能级间可以发生激光跃 迁，从而可以产生多波长激光辐射的情况下
或者工作物质有相当宽的增益线宽
如果在应用中，需要选出对应某一波长附近的一 组纵模时
利用色散腔选择纵模是最为实用且有效 的方法
16
色散腔粗选波长
棱镜色散腔
短腔法选纵模 F-P标准具法 色散腔法粗选波长 行波腔选纵模
激光单元技术
对激光束实行人为控制的技术称之为激光单元技术
激光选模技术
激光Q开光技术
激光锁模技术
2
1、激光选模技术
激光模式选择及其意义：
激光的优点在于功率高、方向性好、单色性 和相干性好，一个理想的激光器输出光应按 需要控制输出模式，很多情况下我们希望只
输出单一的横模和纵模。因此产生了以控制
t
I
t
28
通过锁模得到超短脉冲
29
30
被动锁模原理
在谐振腔内放入吸收介质，由于饱和吸收效应，介质 只吸收强度低的光，而强度高的光透过吸收介质形成 振荡逐步被放大
工作物质
染料
t
t
t
t
t
t
31
主动锁模原理
在激光谐振腔内加入一 个调制器
域值
对谐振腔内部损耗进行 调制 令调制频率等于C/2L
紫外滤光片
反射镜
光输出波长吻合
YAG
染料
染料应有适当的饱
和光强值
染料配成溶液后应
有较长 的保存期
染料盒
反射镜
影响染料调Q输出 特性的因素
染料浓度的影响
输入能量的影响 染料盒的影响
激光锁模技术ppt课件
冲在腔内往返运动，每当此脉冲行进到输出反射镜时，便有一
个锁模脉冲输出。
➢脉冲宽度，即脉冲峰值与第一个光强为零的谷值间的时间间隔
sin[(2N 1) t ] 0但sin(t ) 0 t (m n )
2
2
2
2N 1
2 T 1
为锁模激光器的线宽
(2N 1) 2N 1
4.7.1 锁模原理
，
所以
(t1) (t1
2L) c
，以后这束光波每次通过调制器时损耗
相同。若损耗大于增益，这部分光波终将消失，而在损耗等于
零时通过的光每次都能无损耗的通过，会不断被放大，满足阈
值条件形成振荡，如果腔内损耗和增益控制得当，最终将形成
脉宽很窄，周期为T的脉冲序列输出。
损耗内调制锁模
➢从频率域模式耦合的角度来说明损耗调制锁模的原理。假设中心 频率 ν0 处的模首先振荡，其振幅调制后的电矢量为：
彼此独立的、随机的，所以总光场是各个模式光场的非相
干叠加。输出总光强是各个振荡模式光强之和，即 I Iq
输出光强随时间无规则起伏。
q
4.7.1 锁模原理
核心思想：锁模技术让谐振腔中存在的纵模同步振荡，让各模的频率 间隔保持相等并使各模的初位相保持为常数，激光器输出在时间上有 规则的等间隔的短脉冲序列。
实现锁模的方法
在一般激光器中，各纵模振荡互不相关，各纵模 相位没有确定的关系。并且，由于频率牵引效应， 相邻纵模的频率间隔并不严格相等。因此为了得到 锁模超短脉冲，须采取措施强制各纵模初位相保持 确定关系，并使相邻模频率间隔相等。
• 主动锁模 • 被动锁模 • 自锁模
4.7.2 主动锁模
在自由运转的激光器谐振腔中加入受外界信号控制的调制器， 对激光输出进行振幅或相位调制，实现各个纵模振动同步，叫 作主动锁模。 1. 振幅调制（损耗内调制锁模） ➢如图(4-31)所示，在谐振腔中插入一个电光或声光损耗调制器。 设调制周期为 Tm 2 Ω 2L c ，调制频率 νm c 2L (恰为纵 模频率间隔)
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n 0
i 0 n t
设纵模数目是奇数，则：
E (t ) E e
2
N 1
i
0 n
t
N 1
0
2
Nt sin 2 E e t sin 2
0
iw0t
22
锁模原理
光强为：
Nt sin 2 I (t ) E (t ) E (t ) E t sin 2
E (t ) E e
n 0
n
其中，各个模式的振幅 En 、初位相 均无确定关系，各 个模式互不相干，因而激光输出是它们的无规叠加的结果， 输出强度随时间无规则起伏。
20
锁模原理
设各模式的振幅相等，则n个纵模叠加后的电矢量
E E (t ) E e
i t n n n 0
未加调制前，增益曲线中心附近的纵模电矢量可写为：
E t E cos t
0 c
加调制前，电矢量以频率 c 周期变化，设其按 ( 2 L) 余弦函数变化，则：
E t E 1 M cos 2ft cos 2 t
0 c
M为调制度，大小决定于调制信号的大小，将上式展开得：
光调Q激光器的输出光脉冲宽度为 10-20ns，峰值功率可达数兆瓦 至数十兆瓦；而对于钕玻璃调Q激光器，不难获得数百兆瓦的峰 值功率。
14
声光Q开关原理及技术
声光介质
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。光束射经此介质时发生衍射，一部 分光偏离原来方向。
常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。
15
声光Q开关原理及技术
布喇格衍射
现象：透射光束分裂为0
级与+1级或-1级衍射光， +1级或-1级衍射光与声波 波面的夹角亦为 。
16
声光Q开关原理及技术
布喇格衍射条件
当声波频率较高； 声光作用长度 d 足够大 入射光波与声波波面的夹角满
0
27
锁模技术
由于实际激光器为有源腔，有源腔中存在着频率牵引和频率推斥
效应，所以自由振荡的各纵模频率和调制后产生的诸边带频率有 一微小的差别，自由振荡的相邻纵模间隔不相等，诸模式的初位 相也没有确定的关系。但当二者的频率差别十分微小，边带振幅 足够强时，发生注入锁定效应，自由振荡模被抑制，或者说自由 振荡模被中心纵模的诸边带所俘获。
于是, 在极短时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转变为激
光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。
采用调Q技术很容易获得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十毫微秒
的激光巨脉冲。
8
激光Q开关技术概论
调Q技术
凡能使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作Q开关； 常用调Q方法有电光调Q、声光调Q和饱和吸收调Q等； 前两种方法中谐振腔损耗由外部驱动源控制，称为主动调
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。
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
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 ；
经过晶体长度 d 距离后，二偏振分量产生了相位Q开关原理
当 =/2 时，所需电压称作四分之一波电压，记作V/4；电光晶
29
锁模技术
相位调制主动锁模
相位调制又称频率调制。在激光器谐振腔内插入一电光晶
体，利用晶体折射率随外加电压的变化，产生相位调制。 设调制器在光通过的方向上长度L，外加调制信号电压以 角频率 m 周期变化，即：
锁模原理
多纵模叠加特性
一般非均匀加宽激光器，如果不采取特殊选模措施，
总是得到多纵模输出，相邻两个纵模的角频率差
2 ( )
q q 1 q q 1
c
L
第n个纵模的角频率
n
0
,
i 0 n t n
其中 0 是中心纵模的角频率 则：第n个纵模输出的电矢量为
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。
13
电光Q开关原理及技术
电光Q开关技术特点
开关时间短(约 10-9s )，属快开关类型，适用于脉冲激光器，是目
前使用最广泛的一种Q开关；
可以获得脉宽窄、峰值功率高的巨脉冲。典型的 Nd3+ :YAG 电
Q。后一种方法中，谐振腔损耗取决于腔内激光光强，因 此称为被动调Q。
9
电光Q开关原理及技术
电光效应
某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体的
不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变 化的现象称为电光效应。
电光晶体中折射率的变化和电场成正比的效应称为普克尔效应，
3
激光Q开关技术概论
连续激光器
连续激光器 按激光器运转方式 脉冲激光器 长脉冲激光器
t0 s
t0 s
t0 : 激励持续时间
s : 激光上能级寿命
4
激光Q开关技术概论
连续激光器
以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激 光器和半导体激光器均属于此类。连续激光器输出功率一般比较 低，适合于要求激光连续工作（激光通信、激光手术灯）场合。
难的。
24
锁模技术
为了得到锁模超短脉冲，须采取措施强制各纵模初位相保
持确定关系，并使相邻模频率间隔相等；
前采用的锁模方法可分为主动锁模与被动锁模两类 主动锁模又可分为振幅调制锁模和相位调制锁模
25
锁模技术
振幅调制主动锁模
c 如果在腔内插入一个振幅调制器，其调制频率 (2 L)
调由于调幅产生的相邻纵模间的能量耦合使所有纵模都具有相同
的初位相，即各纵模的相位被锁定，且相邻纵模频率间隔均等于 f=c/2L ，于是各纵模相干叠加的结果产生超短脉冲
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锁模技术
振幅调制主动锁模
我们还可以从另一角度来理解超短脉冲的形成。由于损耗调制的频
率正好是 c/2L，损耗调制的周期正好是脉冲在腔内往返一次所需 的时间 T0 ( T0=2L /c )。则调制器损耗 是周期为T0 的函数：
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声光Q开关原理及技术
声光Q开关技术特点
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；
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。
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7
激光Q开关技术概论
调Q技术原理
通过某种方法使谐振腔的损耗 (或Q值)按照规定的程序变化，
在泵浦激励刚开始时，先使光腔具有高损耗 ，激光器由于阈值 高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较 高的水平；
然后在适当时刻，使腔的损耗突然降低到 ，阈值也随之突然降
低，此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强；
长脉冲激光器
泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。
脉冲激光器
具有较大的输出功率，适用于激光打标、切割、测距等。常见的 脉冲激光器有钇铝石榴石激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、 氮分子激光器和准分子激光器等。
5
激光Q开关技术概论
脉冲激光器工作原理
脉冲激光器中，在泵浦激励过程中，当工作物质中反转粒子数密
设光信号在 t1 时刻通过调制器，并且
，则在t+T0 时刻 此信号将再次无损地通过调制器。对于 t2 时刻通过调制器的光信 号而言，若 ，则每次经过调制器时都要损失一部分能 量。这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那部分光信 号能形成振荡，而光信号的其余部分因损耗大而被抑制，因此形 成周期为 2L/c 的窄脉冲输出。
声波波长
光波波长
获得高衍射效率的方法：提高超声驱动功
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声光Q开关原理及技术
声光开关原理
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，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。
6
激光Q开关技术概论
脉冲激光器输出特点
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。增大输入能量时，只能使尖 峰脉冲的数目增多，而不能有效地提高峰值功率水平；
在泵浦灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间较早，结束较
晚，整个激光脉冲宽度很宽；
激光脉冲不够平滑。
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 调Q就是利用晶体的普克尔效应来实现Q突变的方法
最常用的电光晶体主要有KH2PO4、LiTaO3、LiNdO3等
10
电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
11
电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
未加电场前晶体的折射率主轴 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
i 0 n t
设纵模数目是奇数，则：
E (t ) E e
2
N 1
i
0 n
t
N 1
0
2
Nt sin 2 E e t sin 2
0
iw0t
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锁模原理
光强为：
Nt sin 2 I (t ) E (t ) E (t ) E t sin 2
E (t ) E e
n 0
n
其中，各个模式的振幅 En 、初位相 均无确定关系，各 个模式互不相干，因而激光输出是它们的无规叠加的结果， 输出强度随时间无规则起伏。
20
锁模原理
设各模式的振幅相等，则n个纵模叠加后的电矢量
E E (t ) E e
i t n n n 0
未加调制前，增益曲线中心附近的纵模电矢量可写为：
E t E cos t
0 c
加调制前，电矢量以频率 c 周期变化，设其按 ( 2 L) 余弦函数变化，则：
E t E 1 M cos 2ft cos 2 t
0 c
M为调制度，大小决定于调制信号的大小，将上式展开得：
光调Q激光器的输出光脉冲宽度为 10-20ns，峰值功率可达数兆瓦 至数十兆瓦；而对于钕玻璃调Q激光器，不难获得数百兆瓦的峰 值功率。
14
声光Q开关原理及技术
声光介质
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。光束射经此介质时发生衍射，一部 分光偏离原来方向。
常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。
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声光Q开关原理及技术
布喇格衍射
现象：透射光束分裂为0
级与+1级或-1级衍射光， +1级或-1级衍射光与声波 波面的夹角亦为 。
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声光Q开关原理及技术
布喇格衍射条件
当声波频率较高； 声光作用长度 d 足够大 入射光波与声波波面的夹角满
0
27
锁模技术
由于实际激光器为有源腔，有源腔中存在着频率牵引和频率推斥
效应，所以自由振荡的各纵模频率和调制后产生的诸边带频率有 一微小的差别，自由振荡的相邻纵模间隔不相等，诸模式的初位 相也没有确定的关系。但当二者的频率差别十分微小，边带振幅 足够强时，发生注入锁定效应，自由振荡模被抑制，或者说自由 振荡模被中心纵模的诸边带所俘获。
于是, 在极短时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转变为激
光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。
采用调Q技术很容易获得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十毫微秒
的激光巨脉冲。
8
激光Q开关技术概论
调Q技术
凡能使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作Q开关； 常用调Q方法有电光调Q、声光调Q和饱和吸收调Q等； 前两种方法中谐振腔损耗由外部驱动源控制，称为主动调
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。
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
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 ；
经过晶体长度 d 距离后，二偏振分量产生了相位Q开关原理
当 =/2 时，所需电压称作四分之一波电压，记作V/4；电光晶
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锁模技术
相位调制主动锁模
相位调制又称频率调制。在激光器谐振腔内插入一电光晶
体，利用晶体折射率随外加电压的变化，产生相位调制。 设调制器在光通过的方向上长度L，外加调制信号电压以 角频率 m 周期变化，即：
锁模原理
多纵模叠加特性
一般非均匀加宽激光器，如果不采取特殊选模措施，
总是得到多纵模输出，相邻两个纵模的角频率差
2 ( )
q q 1 q q 1
c
L
第n个纵模的角频率
n
0
,
i 0 n t n
其中 0 是中心纵模的角频率 则：第n个纵模输出的电矢量为
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。
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电光Q开关原理及技术
电光Q开关技术特点
开关时间短(约 10-9s )，属快开关类型，适用于脉冲激光器，是目
前使用最广泛的一种Q开关；
可以获得脉宽窄、峰值功率高的巨脉冲。典型的 Nd3+ :YAG 电
Q。后一种方法中，谐振腔损耗取决于腔内激光光强，因 此称为被动调Q。
9
电光Q开关原理及技术
电光效应
某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体的
不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变 化的现象称为电光效应。
电光晶体中折射率的变化和电场成正比的效应称为普克尔效应，
3
激光Q开关技术概论
连续激光器
连续激光器 按激光器运转方式 脉冲激光器 长脉冲激光器
t0 s
t0 s
t0 : 激励持续时间
s : 激光上能级寿命
4
激光Q开关技术概论
连续激光器
以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激 光器和半导体激光器均属于此类。连续激光器输出功率一般比较 低，适合于要求激光连续工作（激光通信、激光手术灯）场合。
难的。
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锁模技术
为了得到锁模超短脉冲，须采取措施强制各纵模初位相保
持确定关系，并使相邻模频率间隔相等；
前采用的锁模方法可分为主动锁模与被动锁模两类 主动锁模又可分为振幅调制锁模和相位调制锁模
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锁模技术
振幅调制主动锁模
c 如果在腔内插入一个振幅调制器，其调制频率 (2 L)
调由于调幅产生的相邻纵模间的能量耦合使所有纵模都具有相同
的初位相，即各纵模的相位被锁定，且相邻纵模频率间隔均等于 f=c/2L ，于是各纵模相干叠加的结果产生超短脉冲
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锁模技术
振幅调制主动锁模
我们还可以从另一角度来理解超短脉冲的形成。由于损耗调制的频
率正好是 c/2L，损耗调制的周期正好是脉冲在腔内往返一次所需 的时间 T0 ( T0=2L /c )。则调制器损耗 是周期为T0 的函数：
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声光Q开关原理及技术
声光Q开关技术特点
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；
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。
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激光Q开关技术概论
调Q技术原理
通过某种方法使谐振腔的损耗 (或Q值)按照规定的程序变化，
在泵浦激励刚开始时，先使光腔具有高损耗 ，激光器由于阈值 高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较 高的水平；
然后在适当时刻，使腔的损耗突然降低到 ，阈值也随之突然降
低，此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强；
长脉冲激光器
泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。
脉冲激光器
具有较大的输出功率，适用于激光打标、切割、测距等。常见的 脉冲激光器有钇铝石榴石激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、 氮分子激光器和准分子激光器等。
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激光Q开关技术概论
脉冲激光器工作原理
脉冲激光器中，在泵浦激励过程中，当工作物质中反转粒子数密
设光信号在 t1 时刻通过调制器，并且
，则在t+T0 时刻 此信号将再次无损地通过调制器。对于 t2 时刻通过调制器的光信 号而言，若 ，则每次经过调制器时都要损失一部分能 量。这就意味着只有在损耗为零的时刻通过调制器的那部分光信 号能形成振荡，而光信号的其余部分因损耗大而被抑制，因此形 成周期为 2L/c 的窄脉冲输出。
声波波长
光波波长
获得高衍射效率的方法：提高超声驱动功
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声光Q开关原理及技术
声光开关原理
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，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。
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激光Q开关技术概论
脉冲激光器输出特点
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。增大输入能量时，只能使尖 峰脉冲的数目增多，而不能有效地提高峰值功率水平；
在泵浦灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间较早，结束较
晚，整个激光脉冲宽度很宽；
激光脉冲不够平滑。
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 调Q就是利用晶体的普克尔效应来实现Q突变的方法
最常用的电光晶体主要有KH2PO4、LiTaO3、LiNdO3等
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电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
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电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
未加电场前晶体的折射率主轴 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