调Q技术与锁模技术

通常的激光器谐振腔的损耗是不变的， 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒 子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡， 子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级 的粒子数因受激辐射而减少， 的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒 子数，只能被限制在阈值反转数附近。 子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率 不能提高的原因。 不能提高的原因。
E2 E1
泵浦使激光器达到阈值，产生激光→ 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→ 阈值→激光熄灭 特点 (1)峰值功率不高，只在阈值附近 峰值功率不高， 峰值功率不高 (2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率 加大泵浦能量， 加大泵浦能量 只是增加尖峰的个数， 激光器的阈值始终保持不变 原因: 原因
既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制， 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那 要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加） 么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激 光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期， 光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器 的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生， 的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的 反转粒子数便可积累得很多。 反转粒子数便可积累得很多。 当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低， 当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此 积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级， 时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是 在极短的时间内将能量释放出来， 在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉 冲激光输出。 冲激光输出。 泵浦时令腔损耗很大(Q很小 突然减小损耗(增大 很小),突然减小损耗 增大Q),使积蓄 泵浦时令腔损耗很大 很小 突然减小损耗 增大 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 形成光脉冲。 的反转粒子数在短时间内完成受激辐射 形成光脉冲。 改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。 改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。 激光原理”得知， 从“激光原理”得知，激光器振荡的阈值条件可表示为 g 1 ∆ n th ≥ • A21 τ c 式中，g 是模式数目，A21自发辐射几率，τc是光子在腔内的寿命 是模式数目， 自发辐射几率， 是光子在腔内的寿命，
W 2 π nL Q = 2 πν 0 = W δ c / nL δλ 0
Q值与谐振腔的损耗成反比 要改变激光器的阈值，可以通过 值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值 值与谐振腔的损耗成反比 要改变激光器的阈值， 突变谐振腔的Q值 或损耗 来实现。 或损耗δ)来实现 突变谐振腔的 值(或损耗 来实现
所示。 如图 (a)所示。每个尖峰的宽度约为 ～1µs，间隔为数微秒， 所示 每个尖峰的宽度约为0.1～ ，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。 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 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 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。 豫振荡。
当超过阈值时， 当超过阈值时，又产生第二个 脉冲，如此不断重复上述过程， 脉冲，如此不断重复上述过程， 直到泵浦停止才结束。 直到泵浦停止才结束。每个尖 峰脉冲都是在阈值附近产生的， 峰脉冲都是在阈值附近产生的， 因此脉冲的峰值功率水平较低。 因此脉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， 率的提高，而只会使小尖峰的 个数增加。 个数增加。
ΦD Φi
tf
从开始振荡到脉冲形成的过程
因此， 因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延 脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延 迟时间△ 也就是 开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长， 也就是Q开关开启的持续时间 迟时间△t (也就是 开关开启的持续时间 。光子数的迅速增长， 迅速减少， 时刻， 光子数达到最大值Φ 使△ni迅速减少，到t=tp时刻， △ni= △nt，光子数达到最大值 m 之后， 迅速减少，此时△ 见图] 之后，由△n ＜ △nt ，则Φ 迅速减少，此时△n = △nf [见图 ， 见图 为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见， 为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的峰值 脉冲的峰值 是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(△ 的时刻。 是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数 △ni= △nt)的时刻。 的时刻
四、调Q激光器的两种储能方式 激光器的两种储能方式 工作物质储能 调Q激光器 激光器
谐振腔储能
1.工作物质储能调 工作物质储能调Q 工作物质储能调 脉冲反射式调Q，简称PRM法（Pulse Reflection Model)。 脉冲反射式调 ，简称 法 。 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， 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， 取决激光上能级的寿命。 取决激光上能级的寿命。 W (a )
第七章 激光技术
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 技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破， 是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射， 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。现在， 功率可提高几个数量级的一种技术。现在，欲获得峰值功率在兆 瓦级(10 w)以上 脉宽为纳秒级(10 s)的激光脉冲已并不困难 以上， 的激光脉冲已并不困难。 瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难。 7.1 调Q技术 技术 7.1.1 调Q的基本理论 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、 将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记 发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅 振幅、 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。 和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的。
短脉冲技术
技术与 是应人们对高峰值功率 调Q技术与锁模技术是应人们对高峰值功率、窄脉宽激光脉冲 技术 锁模技术是应人们对高峰值功率、 的应用需求而发展起来的。 的应用需求而发展起来的。 两种方式机理不同，压缩的程度也不同。 两种方式机理不同，压缩的程度也不同。 技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级（ 调Q技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级（峰值功率达 6W以 技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级 峰值功率达10 以 上）。 锁模技术可将激光脉宽压缩至皮秒或飞秒量级（ 锁模技术可将激光脉宽压缩至皮秒或飞秒量级（峰值功率可达 到1012W)
Wp
(a )
δ m ax
δ m in
Q
t (b )
t
∆ ni ∆ nt ∆n f
(c )
t
(d )
φ m ax φ m in
∆tp
t
脉冲的建立有个过程， 值阶跃上升时开始振荡， 调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0 脉冲的建立有个过程 值阶跃上升时开始振荡 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 振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数 增长十分缓 如图所示，其值始终很小(Φ≈Φi)，受激辐射几率很小，此时仍 慢，如图所示，其值始终很小 ，受激辐射几率很小， 是自发辐射占优势。 是自发辐射占优势。 只有振荡持续到t＝ 增长到了Φ 只有振荡持续到 ＝tD时，增长到了 D ， 雪崩过程才形成， 才迅速增大 才迅速增大， 雪崩过程才形成， Φ才迅速增大，受激 辐射才迅速超过自发辐射而占优势。 辐射才迅速超过自发辐射而占优势。
实现调Q对激光器的基本要求 实现调 对激光器的基本要求 (1)由于调Q是把能量以激活离子的形式存储在激光工作物质 的高能态上，集中在一个极短的时间内释放出来，因此，要求工 作物质必须能在强泵浦下工作，即抗损伤阈值要高 抗损伤阈值要高；其次，要求 抗损伤阈值要高 工作物质必须有较长的寿命 较长的寿命,若激光工作物质的上能级寿命为τ2， 较长的寿命 则上能级上的反转粒子数n2因自发辐射而减少的速度为n2/τ 2，这 泵浦速率（ 样，当泵浦速率（要大）为Wp时，在达到平衡情况下，应满足： 泵浦速率 要大）
二、谐振腔的品质因数Q 谐振腔的品质因数 储存在腔内的总能量（E） 定义：
Q =ω
单位时间内损耗的能量（P）
N = N 0e
− t
Q的普 遍定义
E = NhνV dN P = − hν V dt
Q ∝τR ∝ 1
三、调Ｑ的基本原理
τR
nL Q = ωτ R = 2πν δc
δ
谐振腔的损耗越小，Q值越高
Q 而 τc = τc是腔内能量衰减到初始能量的 所经历的时间 是腔内能量衰减到初始能量的1/e所经历的时间 2πν
g 2πν • 所以 ∆nth ≥ A21 Q
Q值称为品质因数 值称为品质因数，它定义为: 值称为品质因数 Q=2πν0× (腔内存储的能量 / 每秒损耗的能量） 腔内存储的能量 每秒损耗的能量）
δ m ax
δ m in
t
∆ ni ∆ nt ∆n f
Q
t (b )
(c )
t
(d )
φ m ax φ m in
∆tp
t
在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值 状态， 在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低 值(Qo)状态，故阈值很 状态 高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累， 时刻， 高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻， 在这一时刻， 值突然升高 值突然升高(损耗下 粒子数反转达到最大值△ 粒子数反转达到最大值△ni，在这一时刻，Q值突然升高 损耗下 降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ni ，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ >>△nt(阈值粒子反转数 ，因此受激辐射增强非常迅速，激光介 阈值粒子反转数)， △ 阈值粒子反转数 因此受激辐射增强非常迅速， 质存储的能量在极短的时间 内转变为受激辐射场的 能量，结果产生了一个 能量，结果产生了一个 峰值功率很高的窄脉冲。 峰值功率很高的窄脉冲
I
激光
荧光
(a)
tபைடு நூலகம்
(b)
脉冲激光器输出的尖锋结构
产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上 当激光器的工作物质被泵浦， 当激光器的工作物质被泵浦 能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡， 能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光 子数密度增加，而发射激光。随着激光的发射，上能级粒子数大 子数密度增加，而发射激光 量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振荡就停 止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，
p
（1）工作过程 ）
调Q激光脉冲的建立过程， 激光脉冲的建立过程， 激光脉冲的建立过程 各参量随时间的变化情况， 各参量随时间的变化情况， 如图所示。 如图所示。 表示泵浦速率W 图(a)表示泵浦速率 p随时间 表示泵浦速率 的变化； 表示腔的Q值是 的变化；图(b)表示腔的 值是 表示腔的 时间的阶跃函数(蓝虚线 蓝虚线)； 时间的阶跃函数 蓝虚线 ； 图(c)表示粒子反转数△n的变 表示粒子反转数△ 的变 表示粒子反转数 表示腔内光子数Φ随 化；图(d)表示腔内光子数 随 表示腔内光子数 时间的变化。 时间的变化。
τ2
n2
= Wp
则上能级达到最大反转粒子数取决于
n2=Wpτ2
为了能使激光工作物质的上能级积累尽可能多的粒子，则要求 为了能使激光工作物质的上能级积累尽可能多的粒子，则要求Wpτ2 值应大一些，但τ2也不宜太大，否则会影响能量的释放速度。 值应大一些 (2)光泵的泵浦速度必须快于激光上能级的自发辐射速率，即 光泵的发光时间(波形的半宽度 必须小于激光介质的上能级寿命。 波形的半宽度)必须小于激光介质的上能级寿命 光泵的发光时间 波形的半宽度 必须小于激光介质的上能级寿命 (3)谐振腔的 值改变要快（最好是突变），一般应与谐振腔 谐振腔的Q值改变要快 谐振腔的 值改变要快（ ） 建立激光振荡的时间相比拟。