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1、上海大学材料学院电子系,激光调,Q,技术,刘强,11721442,上海大学材料学院电子系,content,?,概述,?,激光调,Q,技术原理,?,几种激光调,Q,技术,上海大学材料学院电子系,概述,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。,调,Q,激光器用于很多方面：阴影照相，测量高速,运动的物体速度，全息照相，对运动物体拍照等。,上海大学材料学院电子系,Q,值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标,品质因数。,Q,值定义,：,在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量
2、之比,。,即,每振,荡,周期,损,耗的能量,谐,振腔,内,储,存的能量,2,Q,?,调节,Q,值的途径,：,Q,值与谐振腔的损耗成反比,一般采取改变腔内损耗的办法,来调节腔内的,Q,值。,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,.,上海大学材料学院电子系,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。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,激光器驰豫振荡,。,脉冲固体
3、激光器的输出特性,激光调,Q,原理,上海大学材料学院电子系,?,产生驰豫振荡的主要原因：,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，从而发射激,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。,上海大学材料学院电子系,通
4、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,(,一般为几十千瓦数量级,),不能提高的原因。,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。,上海大学材料学院电子系,?,当反转粒子数积累到最大时，突然把阈值调,到很低，积累在上能级的大量粒子便雪崩式,的跃迁到低能级
5、，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。,?,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。,上海大学材料学院电子系,高功率激光器：,?,追求单脉冲能量,?,追求峰值功率,?,追求更窄的脉宽,调,Q,技术的,目的,：,压缩脉冲宽度，提高峰值功率。,上海大学材料学院电子系,n,i,n,th,=10,n,i,n,th,=20,n,i,n,th,=30,n,i,n,th,=40,n,i,n,th,=50,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06,s,50000,100000,150000,200000,250000,超阈度,:,i,th
6、,n,D,n,?,?,?,峰值光子数密度,要获得高的超阈度，要求泵浦强，损耗低,光脉冲宽度,上海大学材料学院电子系,几种激光调,Q,技术,机械转镜调,Q,声光调,Q,技术,电光调,Q,技术,染料调,Q,技术,分,类,主动式调,Q,方法,被动式调,Q,方法,高压、快速电光驱动器或射,频调制器等外部条件人为地,改变激光腔内,Q,值的技术,激光波长处吸收系数随能量密度增加,而减小直至饱和的可饱和吸收特性，,将其置于谐振腔内起到调制,Q,值的作用,上海大学材料学院电子系,电光调,Q,技术,?,电光效应,：,沿电光晶体的某一特定方向加直,流电场后,在光轴方向上产生双折射现象，即,入射线偏振光将分解为两个
7、偏振方向正交的,本征偏振光,?,电光调,Q,是指在激光谐振腔内加置一块偏振,片和一块,KDP,晶体。,上海大学材料学院电子系,电光调,Q,装置示意图,?,光经过偏振片后成为,线偏振光,，如果在,KDP,晶体上,外加,/4,电压，由于,泡克尔斯效应,，使往返通过晶体,的线偏振光的振动方向改变,/2,。,?,如果,KDP,晶体上未加电压，往返通过晶体的线偏振,光的振动方向不变。,上海大学材料学院电子系,第一阶段：积累阶段,偏振光通过,KDP,晶体时分解为沿,X,和,Y,方向振动的振幅相,等的两束光，两束光的振动方向垂直，频率相同，沿相同方,向传播时，其合成的规迹由两光的相位差来决定，当,时，两束光
8、合成为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原,振动方向旋转,90,度。因为,P,1,/P,2,，所以，从晶体出来的光不,能通过,P,2,，被,P,2,反射掉。所以光不能在腔内来回传播形成振,荡。这就相当于腔内光子的损耗很大，,Q,值很高，称为“关,门”状态。,电光调,Q,技术分为两个阶段,?,?,?,上海大学材料学院电子系,（,2,）第二阶段：脉冲形成阶段,Q,开关完全打开,在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最,大值,时，突然退去晶体上的电压，这时晶,体又恢复了原来的状态，光在腔内形成振荡,。,0,n,?,上海大学材料学院电子系,半导体泵浦激光打标机,RTP,晶体,/RTP Q,开关,电光调,Q
9、,应用,上海大学材料学院电子系,1.,有较高的动态损耗（）和插入损耗（）,2.,开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到,秒,3.,典型的,Nd:YAG,电光调,Q,激光器的输出光脉冲宽度,约为,-20,ns,，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦,4.,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,9,10,?,电光调,Q,技术特点,上海大学材料学院电子系,声光调,Q,技术,声光调,Q,装置示意图,?,1.,下图是一个声光调,Q,的,YAG,激光器的示意图。腔内,插入的声光调,Q,器件由声光互作用介质,(,如熔融石英,),和,键合于其上的换能器所构成的。
10、,?,2.,原理：在激光谐振腔内放置声光偏振器，当光通过,介质中的超声场时，由于衍射造成光的偏折，就会增加,损耗而改变腔的,Q,值。,上海大学材料学院电子系,声光调,Q,应用,串联式多路声光调制器,声光效应演示仪,上海大学材料学院电子系,染料调,Q,技术,?,染料调,Q,是指在谐振腔中插入染料，当激光器刚运,转，发射光强很小时，染料的强烈吸收作用使,Q,值,很低，上能级粒子数便能迅速积累；,?,当腔内光强增加到一定程度时，染料突然达到吸收,饱和，对该波长的光成为透明媒质，从而谐振腔的,Q,值突然升高，产生激光巨脉冲。,?,染料成为光透明的过程称为,染料漂白,。,?,由于漂白是暂时的，故染料可以重复使用。,上海大学材料学院电子系,开始泵浦,?,腔内荧光弱,?,吸收系数大,?,Q,值低,?,不能形成激光,继续泵浦,?,腔内荧光变强,?,吸收系数变小,?,荧,光达到一定值时，吸收系数饱和,?,染料被漂白,?,Q,值突增，形成激光脉冲,?,泵浦结束,染料调,Q,装置示意图,染料盒内装有可饱和染,料，这种染料对该激光,器发出的光有强烈吸收,作用，而且随入射光的,增强吸收系数减小。,上海大学材料学院电子系,
