1、7.1Q-调制激光器基本原理 1 Q调制原理 .2. 调Q激光器的峰值功率； 3. 巨脉冲的能量； 7.1.4. 巨脉冲的时间特性 7.2 Q-调制技术 1 电光调Q技术； 2.声光调Q技术；3.被动调Q技术; 4.腔倒空技术 7.3 激光器锁模技术 1 激光锁模原理; 2. 振幅调制主动锁模; 3. 相位调制主动锁模; 4.均匀加宽激光器主动锁模自洽 理论; 5. 被动锁模 第七章 脉冲激光基础 p68 1 711-1 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 7.1 Q调制原理 p我们在分析脉冲激光器输出尖峰序列的原因时已指出，在泵浦激 励过程中，当
2、工作物质中反转集居数密度 n 增加到阈值时就产生 激光。 p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，激光振 荡迅速衰减。 p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 。 p如此不断重复，便产生一系列小的尖峰脉冲。 p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。 p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。同时，激光输出的时间特性也很差。 2 711-2 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章
3、 脉冲激光理论 p为了得到高的峰值功率和窄的单个脉冲，采用了Q调制技术. pQ调制的基本原理是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 H，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。 p然后在适当的时刻，使腔的损耗突然降低到 ，阈值也随之突 然降低，此时反转集居数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增 强。 p 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。 p 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。 p本节将简
4、单介绍Q调制技术的原理和基本技术。 3 711-3 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 7.1.1.Q调制激光器基本原理 p 图 7.1-1为调 Q 过程的示意图。 p在 t0 时，损耗为 H ，腔内光子寿命为 H，相应的阈值为 4 711-4 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 7.1.1.Q调制激光器基本原理 p 图 7.1-1为调 Q 过程的示意图。 p 当 t0 时，泵源激励使反转集居数不断增长，至 t=0 时刻，反 转集居数密度增加到 ni ，但 因 ni nt ，所以不能产生激光， 此时腔内
5、只有由自发辐射产生的少量光子，光子数密度 Ni 很小 p在 t0 时，损耗为 H ，腔内 光子寿命为 H，相应的阈值为 p 在 t=0 时刻，损耗突然降至 (光子 寿命为 R )，阈值也相应地降至 nt 5 711-5 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 6 712-1 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 7.1.2. 调Q激光器的峰值功率 7 712-2 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 8 712-3 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光
6、器基本原理第七章 脉冲激光理论 9 712-4 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 10 713-1 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 7.1.3. 巨脉冲的能量 11 713-2 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 12 713-2 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 13 714-1 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 7.1.4. 巨脉冲的时间特性 14 71
7、4-2 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 15 714-3 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 714-3 16 714-4 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 714-3 17 714-5 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 714-3 18 714-6 激光原理 陈历学 2011年2月7.1Q-调制激光器基本原理第七章 脉冲激光理论 19 7.1Q-调制激光器基本原理 1 Q调制原理 .2. 调Q激光器的峰
8、值功率； 3. 巨脉冲的能量； 7.1.4. 巨脉冲的时间特性 7.2 Q-调制技术 1 电光调Q技术； 2.声光调Q技术；3.被动调Q技术; 4.腔倒空技术 7.3 激光器锁模技术 1 激光锁模原理; 2. 振幅调制主动锁模; 3. 相位调制主动锁模; 4.均匀加宽激光器主动锁模自洽 理论; 5. 被动锁模 第七章 脉冲激光基础 p68 20 721-0 激光原理 陈历学 2011年2月7.1 Q-调制技术第七章 脉冲激光理论 7.2. Q调制技术 p 凡能使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作Q开关。 p 常用调Q方法有转镜调Q、电光调Q、声光调Q与饱和吸收调Q等 。 p 前三种方法中谐振腔损
9、耗由外部驱动源控制，称为主动调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。 p转镜调Q是最早发展的一种调Q方法，但目前已很少使用。本书仅 简要介绍其余三种调Q方法。 21 721-1 激光原理 陈历学 2011年2月7.1 Q-调制技术第七章 脉冲激光理论 7.2.1 电光调Q技术 p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。 p 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， 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。 p电光调Q就是利用晶体的普克尔效应
10、来实现Q突变的方法。 p现以最常用的电光晶体之一的磷酸二氘钾 (KD*P) 晶体为例说明其 调Q原理。 【电光效应】 22 721-2 激光原理 陈历学 2011年2月7.1 Q-调制技术第七章 脉冲激光理论 p电光调Q激光器如图8-25所示。 p未加电场前晶体的折射率主轴 x,y,z 。 p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。 p 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 和 。 23 721-3 激光原理 陈历学 2011年2月7.1
11、Q-调制技术第七章 脉冲激光理论 p 经过晶体长度 d 距离后，二偏振分量产生了相位差： 24 721-4 激光原理 陈历学 2011年2月7.1 Q-调制技术第七章 脉冲激光理论 p 当 =/2 时，所需电压称作四分之一波电压，记作V/4。 p图8-25 中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 y 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。 p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
12、不断积累粒子。 p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。 25 721-5 激光原理 陈历学 2011年2月7.1 Q-调制技术第七章 脉冲激光理论 p电光Q开关是目前使用最广泛的一种Q开关，适用于脉冲激光器， 其主要特点是开关时间短(约 10-9s )，属快开关类型。 p电光调Q激光器可以获得脉宽窄、峰值功率高的巨脉冲。 p典型的 Nd3+:YAG 电光调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。 p 而对于钕玻璃调Q激光器，不难获得数百兆瓦的峰值功率。 p常用电光晶体有 KDP、KD*P、LiNbO3 及BSO等。 26 722-1 激光原理 陈历学 2011年2月7.1 Q-调制技术第七章 脉冲激光理论 7.2.2声光调Q技术 p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$lambda_e$。光 束射经此介质时发生衍射，一部
