调Q技术与锁模技术.ppt

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1、短脉冲技术调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。调Q技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级（峰值功率达106W以上）。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)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。现在，欲获得峰值功率在兆瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难。第七章激光技术7.1调Q技术7.1.1调Q的基本理论一.脉

2、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。产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上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，上能级粒子数大量被消耗，导致粒子反转数降低，当

3、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，当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，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，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，而只会使小尖峰的个数增加。E1E2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激光熄灭特点(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率(1)峰值功率不高，只在阈值附近原因:激光器的阈值始终保持不变二、谐振腔的品质因数Q储存在腔内的总能量（E）单位时间内损耗的能量（P）谐

4、振腔的损耗越小，Q值越高定义：Q的普遍定义三、调Ｑ的基本原理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，于是激光上能级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。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，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，设法将激光器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。当反转

5、粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，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，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。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。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。从“激光原理”得知，激光器振荡的阈值条件可表示为式中，g是模式数目，A21自发辐射几率，τc是光子在腔内的寿命，而所以Q值称为品质因数，它定义为:Q=2πν0×(腔内存储的能量/每秒损耗的能量）τc是腔内能量衰减到初始能量

6、的1/e所经历的时间Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的Q值(或损耗δ)来实现。(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；其次，要求工作物质必须有较长的寿命,若激光工作物质的上能级寿命为τ2，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/τ2，这样，当泵浦速率（要大）为Wp时，在达到平衡情况下，应满足：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

7、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。实现调Q对激光器的基本要求(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。(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调Q激光器工作物质储能谐振腔储能1.工作物质储能调Q脉冲反射式调Q，简称PRM法（PulseReflectionModel)。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。（1）工作过程调

8、Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如图所示。图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化；图(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)；图(c)表示粒子反转数