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1、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，欲要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。,调Q技术,1，晶体棒 2，反射膜；3，氙灯，4一电源,晶体棒或玻璃棒的直径由1cm到几个cm不等，长度由十几个cm到几十个cm不等。棒的两端面磨的很光滑，平行度很高，镀上反射膜以后就可以当成反射镜组成光学谐振腔。泵浦源使用普通强光源，如氙灯等。固体激光器的优点是输出功率大，体积小，坚固，贮存能量的能力较强，适合实现Q开关、锁模等技术。下边我们分别以红宝石激光
2、器和掺钕离子激光器为例，简介其工作原理。,固体激光器的结构大体一致，如下图所示。,激光工作物质被泵浦源激发后，对光的放大作用主要表现在它能补偿激光模式的能量损耗，使之满足振荡的阈值条件（反转粒子数大于nth）、从而形成并维持激光模式的振荡。,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2.1-1(a)所示。每个尖峰的宽度约为0.11s，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2.1-l(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。,一.脉冲固体激光
3、器的输出特性,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。,弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2.1-2来描述。它示出了在弛豫振荡过程中粒子反转数n 和腔内光子数的变化，
4、每个尖峰可以分为四个阶段(在t1时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数n增长，但尚未到达阈值nth因而不能形成激光振荡。),图2.1-2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,图2.1-2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,第一阶段(t1一t2)：激光振荡刚开始时，n nth，0；由于光泵作用，n继续增加，与此同时，腔内光子数密度也开始增加，由于的增长而使n减小的速率小于泵浦使n 增加的速率，因此n一直增加到最大值。,第二阶段(t2一t3)：n到达最大值后开始下降，但仍然大于nth，因此 继续增长，而且增长非常迅速，达到最大值。,第四阶段(t4一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是
5、n又开始回升，到t5时刻n又达到阈值nth，于是又开始产生第二个尖峰脉冲。因为泵浦的抽运过程的持续时间要比每个尖峰脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小,第三阶段(t3一t4)：n nth，增益小于损耗，光子数密度减少并急剧下降。,二、调的基本原理,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
6、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。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，c是光子在腔内的寿命，,(2.1-1),而,所以（2.1-2),Q值称为品质因数，它定义为:Q
7、=20(腔内存储的能量/每秒损耗的能量）,c是腔内能量衰减到初始能量的1/e所经历的时间,0为激光 的中心频率。用W表示腔内存储的能量，表示光在腔内传播单次能量的损耗率，那么光在一个单程中的能量损耗为W。设L为谐振腔腔长，n为介质折射率，c为光速，则光在腔内走一单程所需的时间为nL/c。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为：,式中，0为真空中激光中心波长。可见，当0和L一定时，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)来实现。,这样，Q值可表示为,（2.1-3),调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化
8、的技术。,调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如图2.1-3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n的变化；图(d)表示腔内光子数随时间的变化。,在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻，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 nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间,nt,内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个
9、峰值功率很高的窄脉冲。,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，光子数增长十分缓慢，如图2.1-4所示，其值始终很小(i)，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。,tf,图2.1-4 从开始振荡到脉冲形成的过程,只有振荡持续到ttD时，增长到了D，雪崩过程才形成，才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。,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迟时间t(也就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使ni迅速减少，到t=tp时刻，ni=nt，光子数达到最大值m之后，由n nt，则 迅速减少，此时n=nf，
10、为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(ni=nt)的时刻。,综上所述，谐振腔的Q值与损耗成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的值，就可以使Q值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染料调Q技术等。,(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
11、激光工作物质的上能级寿命为2，则上能级上的反转粒子数n2因自发辐射而减少的速度为n2/2，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=Wp2（2.1-4）,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Wp2值应大一些，但2也不宜太大，否则会影响能量的释放速度。,三、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。,调Q脉冲的形成过程以及各种参量对激光脉
12、冲的影响，可以采用速率方程来进行分析，它是描述腔内振荡光子数和工作物质的反转粒子数随时间变化规律的方程组。根据这些规律，又可推导出调Q脉冲的峰值功率、脉冲宽度等和粒子数反转的关系。,2.2 调Q激光器的基本理论,激光形成的速率方程是根据工作物质的粒子数变化和腔内光子数变化之间的内在关系建立起来的。在激光物理学中已给出了一般激光器的三能级系统和四能级系统的速率方程，从而可直接写出粒子反转数和腔内光子数随时间变化的方程。,一、调Q的速率方程,式中，n为粒子反转数密度；为腔内光子数密度；g为腔内自发辐射波型数；W13，W14为受激跃迁几率；A为自发辐射几率。,(2.2-3),为了便于分析，用一个二能
13、级系统的模型取代实际的三能级和四能级系统。这对于讨论调Q脉冲的形成过程和诸参量对脉冲的影响是可以得到比较满意结果的。,上式第二式中，令（腔的增益等于损耗的阈值条件），可求得稳态振荡时阈值反转粒子数nt，则有,调Q激光器的速率方程是激光(振荡)器的一种特例。在Q突变过程中，由于激光器处于急剧变化的瞬态过程，所以光泵激励和自发辐射两种过程的影响可以忽略，为简单起见，在下面的分析中，认为Q值是阶跃式突变的，则(2.2-1)式和(2.2-2)式可以简化为,(2.2-4)式即为调Q激光振荡的速率方程。,将上式代入（2.2-3)，得,即 A/g=/nt,即（2.2-4）,对上述一阶微分方程组，一般用数值方
14、法求解，就可以求得调Q脉冲的诸参数。为了求解调Q的速率方程，必须给出Q开关函数的具体形式。一般为了求解方便，都是预先假定几种典型的Q开关函数(阶跃开关函数、线性开关函数和抛物线开关函数)。而实际的Q开关函数往往是比较复杂的，甚至很难用一种简单形式予以表达。在此，着重讨论理想的阶跃式开关函数。,二、速率方程的求解,从方程组(2.24)式中，将上式除以下式，消去时间t，得：,假定腔内损耗 在时间上有一突变，如图2.21所示的阶跃函数，即,在t0以前的过程只是准备了初始反转粒子数密度ni这个初始条件，故对n的积累过程可不涉及，可只考虑t0以后的变化过程。,(2.2-5),利用台劳级数展开后，得近似式
15、,(2.2-6),(2.2-8),(2.2-7),图2.1-4,在t0时刻，n到达最大值ni，而受激辐射光子数为零，即 i0，之后，开始增加，到 tD 时雪崩过程形成(见图2.1-4),急剧增长,n也开始剧减，这一过程一直持续到tp时刻，这时n nt，腔内光子数达到极大值m。将(2.2-5)式积分，并考虑到n的积分限为从ni nt，有,去掉下标t和m,就是普通表达式,可见，m与参量(ni nt)存在二次方的关系，其变化曲线如图2.2-2所示。因此提高初始粒子反转数ni与阈值粒子反转数nt之比值有利于腔内最大光子数m的提高。,(2.2-8),1调Q脉冲的峰值功率 可近似地认为，这些光子在腔内的寿
16、命为 tc 的时间内逸出，而每个光子的能量为h，则激光的瞬时功率P h/tc，利用(2.2-7)式，可得,如果初始反转粒子数 ni 大大超过阈值反转粒子数nt(高Q值情况)，则得（后两项忽略）,(2.2-9),当n=nt 时，输出功率达到极大值，即峰值功率为,(2.2-10),(2.2-11),去掉下标后,式中，V为腔内激活介质的体积；nf 为激光振荡终止时的反转粒子数密度，它可由积分方程(2.2-6)式解得，,激光脉冲的能量是由消耗反转粒子数的受激辐射过程提供的，若以光子数从极大值m下降到 f的时间作为脉冲结束，则 f 对应的反转粒子数为 nf。因此，调Q脉冲（三能级系统）的总能量可由下式决
17、定：,在t0时刻，n到达最大值ni，而受激辐射光子数为零，即 i0,(2.2-12),因为每增加一个光子，粒子反转数就减少两个,2调Q脉冲的能量及能量利用率,通常ni nf，所以由(2.2-12)式可以看出，调Q脉冲能量随参量ni 的变大而线性增加。,一个调Q脉冲可以从激活介质的储能中提取多大比率的能量,nf是没有贡献的，这些剩余的反转粒子在巨脉冲结束后，以荧光形式消散掉了，因此，用,=(ni-nf)/ni来表示调Q脉冲可以从介质中提取的能量，称为单脉冲的能量利用率。,下面分析一下以及nf/ni 与ni/nt关系。图2.2-3示出和nf/ni 与ni/nt的关系。从图可以看出随ni/nt的增加
18、而增大，这说明能量利用率高；伴随有nf/ni越小，而（ni-nf）/ni越大。,（=ni-nf）/ni,ni/nt,nf/ni,下面再讨论一下调Q脉冲的脉宽和波形问题。由(2.2-4)第一式可得,(2.2-17),如果所讨论的时间t仅指激光脉冲的宽度的一段时间，那么，在该时间内，初始光子数密度0可忽略，则上式可写为,(2.2-16),(2.2-15),由(2.2-5)式 可求得，代入上式，得到,3调Q脉冲的时间特性,这个积分方程不易直接得出解析解，但可以根据已给的初始值，利用数值积分来求得t的数值解，其结果列于表2.2-1。表中t1为光子数从半极大值上升到峰值所需时间(脉冲上升时间)；t2为光
19、子数从峰值下降到半极大值处的时间(脉冲下降时间)，而t1十t2即为脉宽t。,脉冲宽度t 与的关系,脉冲宽度t 与的关系,图2.2-4 调Q脉冲波形与ni/nt,1.65,2.72,4.48,7.4,图2.2-4给出了几种不同初始值时的计算结果。图中纵坐标为归一化光子数密度2mnt，横坐标表示以腔内光子寿命为单位的时间参量 t/tc(其中tc为光子在腔内的寿命)。从上述速率方程的解可以看出，在调Q激光器中，是一个极为重要的参量，它直接影响到输出功率和脉冲宽度，亦即影响到总体效率。当 值增大时，峰值光子数增加，脉冲的上升时间(前沿)和下降时间(后沿)同时缩短，脉冲变窄。,所以在设计调Q激光器时，应
20、尽可能地提高光泵的抽运速率以增大ni,；同时要选择效率较高的激光工作物质和合适的谐振腔结构以减小nt和其他损耗。,利用某些晶体的电光效应可以做成电光Q开关器件。电光调Q具有开关时间短，效率高，调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽度窄，峰值功率高等优点。,23 电光调Q,图2.3-1所示是电光晶体调Q装置的工作原理图。激光工作物质是,一、带偏振器的电光调Q器件,Nd:YAG晶体，偏振器采用方解石空气隙格兰付克棱镜，调制晶体用KD*P(磷酸二氘 钾)晶体，它是z-00切割的(使通光面与z轴垂直)，利用其63的纵向电光效应。将调制晶体两端的环状电极与调Q电源相接。,如果在调制晶体上施加4电压，由于纵向电
21、光效应，当沿x方向的线偏振光通过晶体后，两分量之间便产生2的相位差，则从晶体出射后合成为相当于圆偏振光；经全反射镜反射回来，再次通过调制晶体，又会产生 2的相位差，往返一次总共累积产生 相位差，合成后得到沿y方向振动的线偏振光，相当于偏振面相对于入射光旋转了900，显然，这种偏振光不能再通过偏振棱镜，此时，电光Q开关处于“关闭”状态。因此，如果在氙灯刚开始点燃时，事先在调制晶体上加上 4电压，使谐振腔处于“关闭”的低Q值状态，阻断激光振荡的形成。,待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去晶体上的 4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。,由电光调Q
22、基本原理可知，要获得高效率调Q的关键之一是精确控制Q开关“打开”的延迟时间，即从氙灯点燃开始延迟一段时间，当工作物质上能级反转的粒子数达到最大时，立即“打开”开关的效果最好。如果Q开关打开早了，上能级反转粒子数尚未达到最大时就开始起振，显然输出的巨脉冲功率会降低，而且还可能出现多脉冲。如果延时过长，即Q开关打开得迟了，则由于自发辐射等损耗，也会影响巨脉冲的功率。,图2.3-2所示的为调Q工作程序的示意图。其过程是：（1）先开主电源对电容C充电，并接于氙灯电极，但不导通故不点燃；（2）开动晶体电源给KD*P晶体加电压，使腔处于关闭状态；,触发器，使氙灯点燃，给工作物质以能量，使反转粒子数大量积累
23、。但此时由于KD*P晶体上加有V/4电压，所以谐振腔损耗最大，不能形成激光振荡。当粒子数反转到最大时，通过延时电路的信号加到闸流管的栅极上(使之导通)，将KD*P晶体上的电压瞬时退掉，使谐振腔Q值突增，形成激光振荡，输山巨脉冲。可通过实验，精确调节延时电路，宜到输出激光最强为止。,（3）由单结晶体管振荡器产生一脉冲时标信号输入到控制电路，再由控制电路将该信号分别送往激光主电源，使其停止对电容充电，同时输送到,二、单块双450电光调Q器件(了解）这是一种可省去偏振器的Q开关。图2.3-3所示是这种Q开关激光器的示意图。LiNbO3(铌酸锂)晶体加工成具有两个450斜面的矩形长方体，光轴(z轴)沿
24、长方体的轴向，电压沿x轴方向加到晶体上。这样既不影响通光，而且电场又很均匀。由图可见，这种结构勿需插入偏振器，可减少腔的插入损耗，所以这是一种结构简单的比较理想的电光Q开关。下面分析单决双450电光Q开关的工作原理。,故o光反射后沿晶体的光轴方向传播。但对e光却不同了，反射前振动方向沿z轴，反射后近似沿z向传播，其振动方向虽然仍平行于主截面，但却由z向变为y向，其折射率变为ne(n0)，故e光反射前后,如图2.3-4所示，一束无规偏光沿y轴方向入射晶体后，分解为垂直于主截面沿x向振动的o光和平行于主截面沿z向振动的e光。根据双折射的性质，两光的传播方向一致，不分开，但是n0ne由于反射斜面与光
25、轴z成450角，两束线偏振光将在450反射面上全反射，o光服从均匀介质的反射,定律，其反射角等于入射角(450)，,1.未加电压（Vx=0)的情况,相当于在不同折射率的介质中传播，可根据各向异性介质的反射公式求出e光的反射角1，nesin450 ne sin 1 n0sin 1，对LN晶体，当光波长为1.06m时，n02.233，ne2.154，代入该式，1 42054，它比o光的反射角小，二者之间的夹角为(206)。当两束光经第二个450反射后，o光仍以450反射，故出射光o与入射光平行，e光的折射率由反射前的ne(n0)变为ne，其反,射角”1又变为450，故e光的反射光束e也平行于入射光
26、方向。出射的o 和e 两束光之间的距离近似为=ltg(其中l为晶体光轴方向的几何长度)，由于值很小，两束光几乎重叠在一起。,E,2.加电压（Vx=V/2)的情况如图235所示，晶体沿x轴向加压后，入射光在晶体的AB段中，偏振光(nx no)的传播情况与Vx=0时的情况基本相同。晶体上加电压前后的差别在于沿光轴的BC段。,而变成了o光，它们到达第二个450反射面被反射时则会出现两个光相互分开的现象（见图）。因而经全反镜反射后偏离谐振腔。,当晶体上加有Vx=V/2时，BC段晶体相当于一个半波片，o光在这段距离中的传播，其偏振面旋转了900，即原来的o光变成了e光，同样e光在这段距离中传播，偏振面也
27、旋转900,就是说，当在晶体上加有半被电压Vx=V/2时，通过晶体后的o光和e光都偏离原来入射光的传播方向，这时，腔内光路不通，相当于处于“关闭”状态，即谐振腔处于低Q值状态（损耗大），不能形成激光振荡。当光泵激励工作物质，上能级反转粒子数积累达到最大值时，瞬间撤去半波电压，则o光和e光经晶体后的出射光平行于入射光，经腔镜反射后，仍按原路径返回，腔内构成光的通路，相当于处于“启开”状态，Q值突增，激光振荡得以形成。因此控制对晶体加压与否，便可改变谐振腔的Q值，从而起到Q开关的作用。,以上介绍的电光Q开关都是属于工作物质储能调Q。即能量是以激活粒子的形式存储在工作物质高能态上，当达到最大值时将Q
28、开关“打开”，腔内便很快建立起极强的激光振荡，使激光上能级存储的能量转变为腔内的光能量，其输出方式是一面形成激光振荡，一面从输出镜端输出激光，因此，输出光脉冲的强度与腔内光场强度成比例。这种由输出反射镜输出激光脉冲的调Q方式称为脉冲反射式(PulseReflectionMode，简写为PRM)Q开关。,三、脉冲透射式(PTM)调Q(PulseTransmissionMode),另外，还有一种谐振腔储能调Q开关，即能量是以光子(光辐射场)的形式存储在谐振腔内，这种调Q的输出方式有别于PRM式，它是将PRM式调Q激光器谐振腔的输出耦合镜换成全反镜，Q开关“打开”后，光子只在腔内往返振荡而无输出。直
29、到工作物质的反转粒子储能全部转变为腔内光子能量时，放置在腔内的特定光学器件(通常用偏振棱镜)才将腔内存储的最大振荡能量瞬间全部透射输出。这种调Q的方式称为脉冲透射式(PulseTransmissionMode，简写为PTM)Q开关。又因为它不是边振荡边输出，而是先振荡达到最大值后，再瞬间释放出去，故又称为“腔倒空”。,图2.3-8所示的是一种带有起偏器P1和检偏器P2的PTM式调Q激光器。P1P2，M1，M2为全反镜，而且M2置于P2偏振棱镜界面反射偏光的光路上。当电光晶体上不加电压时，激光工作物质在光泵的激励下，上能级反转粒子数密度逐渐增加，工作物质开始的自发辐射光可顺利通过P1和P2，但输
30、出端无反射镜，腔的Q值很低，故形成不了激光振荡。当工作物质储能达到最大值时，在电光晶体上加上半波电压V/2，此时通过P1的线偏振光通过晶体后偏振面将要旋转900，因此，不能通过偏振棱镜P2，但可经棱镜的界面反射到全反射镜M2上。这样，由两个全反射镜构成的谐振腔损耗很低，Q值突增，激光振荡迅速形成。当腔内激光振荡的光子密度达到最大值时，迅速撤去晶体上的电压，光路又恢复到加电压之前的状态，于是腔内存储的最大光能量瞬间,透过棱镜P2而耦合输出。这就是PTM式Q开关的工作过程。,前面所介绍的调Q技术，无论是工作物质储能的PRM式运转，还是腔内储能的PTM式运转，其最后的结果都是获得压缩脉宽的高峰值功率
31、巨脉冲输出。但是通过研究发现，由于Q调制器能有效地控制激光器的损耗与增益(增益Q开关)，即能有效地控制激光器的净增益，因而，一个Q调制器不仅能有效地控制激光的能量(或功率)特性，而且也可以控制激光的空间(横模)特性和频率(纵模)特性以及输出稳定性等。,四、Q调制技术的其他功能,基于不同横模之间存在的损耗差异，通过插入腔内的Q调制器来控制腔的损耗，开始时使激光器运行于高阈值、低增益的临界振荡状态(称为“预激光”技术)，在一定泵浦功率强度下，只有,1.选横模的功能,损耗最小的横模(TEM00模)建立振荡，其余损耗较大的横模都被抑制而不能振荡，这样便产生了单横模“种籽”。为了得到大的能量输出，接着将
32、Q开关完全打开，使种籽激光得到充分放大，那么最终输出的便是功率足够高的基横模激光（如图2.3-12所示）。,。2.选单纵模的功能 选单纵模的Q调制技术是在单横模的基础上，利用不同纵模之间存在的增益差异进行的。开始时，使Q开关处于不完全关闭状态，通过Q开关控制腔的损耗，使之在一定泵浦功率下，仅靠近中心频率0附近少数增益较大的纵模能建立起振荡，而且由于这少数纵模是在阈值附近振荡，激光形成所需要的时间较长，不同纵模之间的模式竞争比较充分，故最终形成并得到充分放大的仅是增益最大的单纵模。当单纵模激光形成后，将Q开关完全打开，即可获得单纵模脉冲激光输出。,调Q激光器与普通脉冲激光器相比，它具有超临界振荡
33、的特点，因此，对Q开关器件、激光工作物质、光泵浦灯以及耦合输出条件等有一些新的要求。,2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题,一、调制晶体材料的选择,电光晶体的质量对调Q性能起着很重要的作用，目前能够获得较高光学质量的线性电光晶体材料还是有限的。1 消光比要高；2 透过率要高；3 半波电压要低；抗破坏阈值要高等。,二、调制晶体的电极结构 电极的结构形式及晶体接触的好坏直接影响晶体内电场的均匀性，一个极不均匀的电场可能导致器件失去调Q效应。因此，晶体内具有均匀的电场是设计电极结构的基本出发点。,需要有高质量的激光工作物质，具备储能密度高的性能，还要求有较高的抗强光破坏阈值，能承受较高的激光功率密
34、度。,三、对激光工作物质的要求,四、对光泵浦灯的要求,要求泵浦灯的发光时间（脉冲波形的半宽度）必须小于工作物质的荧光寿命（激光上能级寿命）。但是，灯光半波宽度太窄，灯的效率又会降低，故应根据激光工作物质，选择二者匹配比较好的泵灯。,五、对Q开关控制电路的要求,要获得最佳的调Q效果，要求Q开关速度要快，必须精确设计各部分电路，使其能很好地协调。,一、声光调Q的基本原理 声光Q开关器件的结构，由声光介质、电-声换能器、吸声材料和驱动电源组成。其装置示意图如图2.5-1所示。,2.5 声光调Q,sin B/(2 n s),声光介质主要采用熔融石英、玻璃、钼酸铅等。换能器常采用石英、铌酸锂等晶体制成。
35、吸声材料常用铅橡胶或玻璃棉等。把声光Q开关器件插入谐振腔内，当声光电源产生的高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，在声光介质中，使折射率发生变化，形成等效的“相位光栅”，当光束通过声光介质时，便产生布拉格衍射。衍射光相对于0级光有2角的偏离(如当超声频率在2050MHz范围时，石英对1.06m的光波的衍射角为0.30 0.50)，这一角度完全可以使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能产生振荡，或者说Q开关将激光“关断”。当高频信号的作用突然停止，则声光介质中的超声场消失，于是谐振腔又突变为高Q值状态，相当于Q开关“打开”。Q值交替变化一次，就使激光器输出一个调Q脉冲。,声光Q
36、开关断开的时间主要由声波通过光束的渡越时间决定，以熔融石英为例，声波通过1mm的长度需要时间200ns（声速5mm/us），这一时间对于某些高增益的脉冲激光器来说显得太长。因此，声光Q开关一般用于增益较低的连续激光器，而且声光Q开关所需要的驱动调制电压很低（200v）。由于声光Q开关对高能量激光器的开关能力比较差，故不宜用于高增益调Q激光器。,Q开关断开的时间对于高增益的脉冲激光器来说比较长，这会使得当泵浦脉冲使得反转粒子数达到极大时，Q开关仍然是断开的,26 被动式可饱和吸收调Q 前面几节介绍的都是主动式调Q方法，即是人为地利用某些物理效应来控制激光谐振腔的损耗，从而达到Q值的突变。本节将介
37、绍一种被动式Q开关，即利用某些可饱和吸收体本身特性，能自动地改变Q值的一种方法。一、可饱和吸收染料的调Q原理 某些有机染料是一种非线性吸收介质，即其吸收系数并不是常数，当在较强激光作用下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料，吸收系数。,式中，0为光强很小(I0)时的吸收系数；Is为染料的饱和吸收光强，其大小与染料的种类和浓度有关，一般来说，染料的浓度增加，Is值也增加；I为入射光强。由上式可以看出，当I Is 时，吸收系数趋于零，染料对通过的光束于是变为透明(图2.6-1示出了染料透过率与光功率密度的关系，透射率=1-吸收率）,图2.6-1 染
38、料透过率与光功率密度的关系,那么，将具有这种性能的染料(溶液或固态片)置于谐振腔内时（见图2.6-2),开始，腔内自发荧光很弱，染料吸收系数很大，使光的透过率很低，腔处于低Q值(高损耗)状态，故不能形成激光振荡。随着光泵的继续作用反转粒子数的积累，腔内荧光逐渐变强，当光强能与Is相比拟时，染料的吸收系数变小，透过率逐渐增大，到一定数值时，染料吸收达到饱和（吸收最小）值，突然被“漂白”而变得透明了，这时腔内Q值猛增，产生激光振荡输出调Q激光脉冲。,泵浦一定是脉冲式,2.6-2 染料调Q激光器,因为泵浦是脉冲式的，腔内光场迅速减弱（I0)，因而染料又恢复了吸收特性（透过很小），起到将腔关闭的作用，
39、然后再重复以上的过程。,27 转镜调Q简介 激光器的谐振腔中，两反射镜的平行度直接影响着谐振腔的Q值，转镜调Q就是利用改变反射镜的平行度反射损耗来控制Q值的方法。图2.7-1所示的是转镜调 Q激光器的示意图。它是把脉冲激光器谐振腔的全反射镜用一直角棱镜取代，该棱镜安装在一个高速旋转马达的转子上，由于它绕垂直于腔的轴线作周而复始的旋转，因此构成一个Q值作周期变化的谐振腔。,当泵浦氙灯点燃后，由于棱镜面与腔轴不垂直，谐振腔反射损耗很大，此时腔的Q值很低，所以不能形成激光振荡。在这段时间内，工作物质在光泵激励下，激光上能级反转粒子数大量积累，同时棱镜面也逐渐转到接近与腔轴垂直的位置，腔的Q值逐渐升高
40、，到一定时刻就形成激光振荡，并输出巨脉冲。这就是转镜调Q的工作原理。要使转镜调Q激光器获得稳定的最大功率输出，一个很关键的问题，就是准确地控制延迟时间。即是要求在氙灯点燃之后，需要经过一定的延迟时间以保证反转粒子数达到极大值(饱和值)，此时恰好等于棱镜转到成腔位置(两反射镜相平行的位置)所需要的时间，使之形成激光振荡，才能获得最大激光功率输出。因此，过早或过迟地产生激光振荡都是不理想的。从实验中发现存在一个最佳的延迟时间。,图2.7-2表示了转镜调Q的运转过程。由图可知Q值变化不是严格突变的。,为了准确地控制延迟时间，通常采用如图2.7-3所示的延迟装置。它是在棱镜架上装一块磁钢和棱镜一起高速
41、旋转，当磁钢转到与磁,头相切时，磁头线圈就感应出脉冲信号，放大后经触发电路去触发点燃氙灯。磁头的位置可以调整，磁头位置的确定是根据当棱镜面的法线方向与谐振腔的轴线方向成角时，磁钢正好通过磁头触发点燃氙灯。夹角称为延迟角，与其对应的便是延迟时间t，若马达的转速为n(rmin)，则有对应关系 t602n(因为每秒转过2n/60弧度）(2.7-1)式中各量的单位：ts，rad，nrmin。,综上所述，调Q激光器的工作方式是多种多样的，且都具有各自的特点，在不同的应用中可以选用，现归纳如下：,(1)转镜调Q 这是发展较早的一种Q开关，由于其开关时间与脉冲建立时间近似相等，故属于慢开关类型。使用时应特别
42、注意最佳转速的选择，以便消除多脉冲的产生。由于这种Q开关无插入损耗，也不存在光损伤的问题，所以可用于能量较大的脉冲激光器中，可获得峰值功率在几十兆瓦以上，脉宽为纳秒级的巨脉冲。其主要缺点是在高转速下的机械磨损会影响使用寿命，且装配工艺要求较高。目前这种Q开关已基本上不采用。,Q开关时间指Q值由最小值变为最大值所持续的时间,(2)电光晶体调Q 由于其开关时间主要取决于电路的高压脉冲上升和退压时间，一般都能做到小于脉冲建立时间，故属于快开关类型。它能产生窄脉冲，且同步性能好，使用寿命长，输出巨脉冲稳定。可获得峰值功率为几十兆瓦以上、脉宽为十几纳秒的巨脉冲，故是目前应用最广泛的一种Q开关，其主要缺点
43、是半波电压较高，需要几千伏的高压脉冲，对其他电子线路易造成干扰。,(3)声光调Q 其开关时间小于脉冲建立时间，属于快开关类型。开关的调制电压只需一百多伏，易与连续激光器配合调Q，可获得kHz高重复频率的巨脉冲，且脉冲的重复性好，可获得峰值功率为几百千瓦，脉宽约为几十纳秒的巨脉冲。但由于它对高能量激光器的开关能力较差，所以，只能用于低增益的连续激光器上。,(4)可饱和吸收体调Q 这是一种被动式的快开关类型，这种Q开关结构简单，使用方便，没有电的干扰，可获得峰值功率为几兆瓦、脉宽为十几纳秒的巨脉冲。其主要缺点是，由于它是一种被动式Q开关，产生调Q脉冲的时刻有一定的随机性，不能人为地控制。另外，染料
44、易变质，需经常更换，输出不稳定。,锁模技术,所谓模，就是在腔内获得振荡的几种波长稍微不同的波型。纵模，也叫轴模。在两反射镜间沿轴进行的光束，由于腔长L与光波波长的比是一个很大的数目，所以必然有数不清不同波长的光波，能符合加强反射的条件，2nL=k,即 2nL=k11=k22=k33=ki（正整数）是纵模模数。,概述,例如：L=800nm,n=1,则k=1时,对应1=1600nm;k=2,2=800nm;k=3,3=533nm,1=1.8751014,2=3.751014,3=5.6251014 注意：=c/2nL;32=21=1.8751014,横模？横模易观察，但其产生的原因复杂：1、偏离轴
45、向的光束的干涉，2、工作物质的色散，3、散射效应及腔内光束的衍射效应等，都对横模有影响。下面只对情况 1 做简单地分析。除了严格平行光轴的光束(名基模TEM00）以外，总有一些偏离光轴而走Z字形的光束。虽然经多次反射也未偏出腔外，仍能符合2nLcos=k的条件；因而，在某一方向存在着加强干涉的波长。设z代表腔轴方向，垂直z的截面为xy平面。该截面内所产生的部分横模如图，标记TEMmn 中的TEM代表电磁横波，m代表x方向的波节数，n代表y方向的波节数。,TEM00 TEM10 TEM20 TEM30,TEM00 TEM10 TEM20 TEM30,TEM40 TEM50 TEM21 TEM22
46、,TEM01 TEM02 TEM03,TEM00 TEM10 TEM20,超短脉冲技术是物理学、化学、生物学、光电子学，以及激光光谱学等学科对微观世界进行研究和揭示新的超快过程的重要手段。超短脉冲技术的发展经历了主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模、碰撞锁摸(CPM)，以及90年代出现的加成脉冲锁模(APM)或耦合腔锁模(CCM)、自锁模等阶段。自60年代实现激光锁模以来，锁模光脉冲宽度为皮秒(10-12s)量级，70年代，脉冲宽度达到亚皮秒(10-13s)量级，到80年代则出现了一次飞跃，即在理论和实践上都有一定的突破。1981年，美国贝尔实验室的R.L.Fork等人提出碰撞锁模理论，并在六镜环
47、形腔中实现了碰撞锁模，得到稳定的90fs的光脉冲序列。采用光脉冲压缩技术后，获得了6fs的光脉冲。90年代自锁模技术的出现，在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。,为了更好地理解锁模的原理，先讨论未经锁摸的多纵模自由运转激光器的输出特性。腔长为L的激光器，其纵模的频率间隔为（3.1-1)自由运转激光器的输出一般包含若干个超过阀值的纵模，如图3.1-1所示。这些模的振幅及相位都不固定，,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纵模，如图3.1-1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
48、。,N=11,荧光光谱,（3.1-2),假设在激光工作物质的净增益线宽内包含有N个纵模，那么激光器输出的光波电场是N个纵模电场的和，即,和频率描述的非锁模激光脉冲和完全锁模激光脉冲两种情况的图形。,（3.1-2)式中，q0，1，2，N是激光器内(2N+1)个振荡模中第q个纵模的序数；Eq是纵模序数为q的场强;q及q是纵模序数为q的模的角频率及相位。图3.1-2给出了时间描述,图3.1-2 非锁模和理想锁模激光器的信号结构,(a)非锁模,（b)理想锁模,某一瞬时的输出光强为,(2q+1)q项，即 m(m-1)/2项，m=2q+1,（由3.1-2式 知）,(3.1-5),接收到的光强是在一段比1/
49、q=2/q 大的时间(t1)内的平均值，其平均光强为,该式说明了平均光强是各个纵模光强之和。,如果采用适当的措施使这些各自独立的纵模在时间上同步，即把它们的相位相互联系起来，使之有一确定的关系(q+1-q常数)，那么就会出现一种与上述情况有质的区别而有趣的现象；激光器输出的将是脉宽极窄、峰值功率很高的光脉冲，如图3.1-2(b)所示。,图3.1-2（b)理想锁模,该激光器各模的相位已按照q+1-q常数的关系被锁定，这种激光器叫做锁模激光器，相应的技术称为“锁模技术”。,先看三个不同频率光波的叠加：Ei=E0cos(2 i t+i)i=1,2,3设三个振动频率分别为1、2、3 的三个光波沿同一方
50、向传播，且有关系式：3=31，2=21,E1=E 2=E3=E0,若相位未锁定，则此三个不同频率的光波的初位相 1、2、3 彼此无关，如左图，由于破坏性的干涉叠加，所形成的光波并没有一个地方有很突出的加强。输出的光强只在平均光强3 E02/2级基础上有一个小的起伏扰动。,3 E02/2,二、锁模的基本原理,但若设法使 1=2=3=0时，有 E1=E0cos(21 t)E2=E0cos(41 t)E3=E0cos(61 t),当 t=0 时,E=3E0,E2=9E02;t=1/(31)时,E1=E0cos(2/3)=-E0/2，E2=E0cos(4/3)=-E0/2,E3=E0cos(2)=E0
