第9章調(diào)Q技術(shù)ppt課件

1、第九章第九章 Q調(diào)技術(shù)調(diào)技術(shù)1 調(diào)調(diào)Q原理原理一、弛豫振蕩現(xiàn)象一、弛豫振蕩現(xiàn)象普通脈沖激光器輸出波形由一系列不規(guī)則的尖峰普通脈沖激光器輸出波形由一系列不規(guī)則的尖峰脈沖組成脈沖組成1、現(xiàn)象、現(xiàn)象2、解釋、解釋泵浦使激光器達(dá)到閾值，產(chǎn)生激光泵浦使激光器達(dá)到閾值，產(chǎn)生激光反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)減少至低于閾值減少至低于閾值激光熄滅激光熄滅3、特點(diǎn)、特點(diǎn)(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的個(gè)數(shù)，不能增加大泵浦能量，只是增加尖峰的個(gè)數(shù)，不能增加峰值功率加峰值功率(1)峰值功率不高，只在閾值附近峰值功率不高，只在閾值附近4、原因、原因激光器的閾值始終保持不變激光器的閾值始終保持不變二、調(diào)二、調(diào)Q基本概念基本概念

2、泵浦時(shí)令腔損耗很大泵浦時(shí)令腔損耗很大(Q很小很小),突然減小損耗突然減小損耗(增大增大Q),使積蓄的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時(shí)間內(nèi)完成受激輻射使積蓄的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在短時(shí)間內(nèi)完成受激輻射,形成光脈沖形成光脈沖三、工作原理三、工作原理2、閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)、閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)(1)t0: nt( ntnt)LSnt211、腔損耗、腔損耗(1)t0(Q開關(guān)打開后開關(guān)打開后): ( )LSnt213、泵浦速率、泵浦速率(1)t0: W小小4、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)n(1)t0: n減小減小,t=tp時(shí)為時(shí)為n=nt(nt n0 nt)5、腔內(nèi)光子數(shù)密度、腔內(nèi)光子數(shù)密度(1)0tnt而增強(qiáng)而增強(qiáng)(2)ttp:因因n0: 振

3、蕩結(jié)束時(shí)殘余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為振蕩結(jié)束時(shí)殘余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)為n=nf四、調(diào)四、調(diào)Q激光器速率方程激光器速率方程(三能級(jí)、固體、均勻加寬三能級(jí)、固體、均勻加寬)1、非調(diào)、非調(diào)QE1E2E3W13S32A21W21 W12ctnn2dtndct)1nn(dtd2、調(diào)、調(diào)Q(忽略泵浦與自發(fā)輻射忽略泵浦與自發(fā)輻射:w13=0,A21=0)212323212AnSn)(gmAndtdn3231313SnWndtdnc21)(gmAndtd n1+n2+n3=n n1+n2+n3=n 證證)(gmAndtdn2122nnn20)(gmAnc21t n1+n2=n n1+n2=n n2-n1=n2-n1=n n dt

4、nd21dtdn2 nt為為 達(dá)最大時(shí)達(dá)最大時(shí),即即 時(shí)的時(shí)的 n0dtd令令)(gAmnc21tctcc21c21)1nn(1-m)(gnA)(gmAndtd0SnWndtdn3231313由由 和和w13=0可得可得: S32=0ctcc21212nn2m)(gnA-2)(gmAn2dtdn2dtnd五、腔內(nèi)光子數(shù)密度五、腔內(nèi)光子數(shù)密度) 1nnnn(n21t0t0tmln證證ctnn2dtndct)1nn(dtd由由 和和 消消t)1nn(21nddtnd)1nn(21dtnn00)1(21ndnndt)(212121210000ttttnnnnlnnnnnnnnlnn當(dāng)當(dāng)n= nt時(shí)光

5、子數(shù)密度達(dá)最大值時(shí)光子數(shù)密度達(dá)最大值)(2100tttnnnnlnnnn六、最大光子數(shù)密度六、最大光子數(shù)密度t0nntmn21e0e-2e2)388. 7,718. 2(2eee2-3七、峰值功率七、峰值功率1、計(jì)算公式、計(jì)算公式Pm=h0mvSTv:腔內(nèi)光速腔內(nèi)光速S:腔截面積腔截面積T:輸出鏡透過率輸出鏡透過率2、提高、提高Pm的措施的措施(1)提高提高Q開關(guān)打開前、后的腔損耗之比開關(guān)打開前、后的腔損耗之比/LSSGn2121ttttnnttnn越大越大,那么那么 也可以越大也可以越大 t0nn(2)提高泵浦功率提高泵浦功率(使使 到達(dá)到達(dá) 水平水平)0ntn八、脈沖能量八、脈沖能量Vnn

6、hEEEff)(2100每產(chǎn)生一個(gè)光子，消耗個(gè)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)每產(chǎn)生一個(gè)光子，消耗個(gè)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)九、能量利用率九、能量利用率0EE1、定義、定義VnhE0021E0(儲(chǔ)能儲(chǔ)能):儲(chǔ)藏在工作物質(zhì)中能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す獾某鮾?chǔ)藏在工作物質(zhì)中能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す獾某跏寄芰渴寄芰縑nhEff21Ef(剩余能剩余能):巨脈沖結(jié)束后工作物質(zhì)中的剩余能巨脈沖結(jié)束后工作物質(zhì)中的剩余能量，通過自發(fā)輻射消耗掉量，通過自發(fā)輻射消耗掉2、計(jì)算公式、計(jì)算公式0)(21)(210000tfftttttnnnnlnnnnnnnnlnnnn證證0000011nnEEEEEEEfff光子數(shù)密度光子數(shù)密度=0時(shí)時(shí),n達(dá)到達(dá)到nf令令000tfftnnnn

7、lnnn)1ln(0tnn10nnf00000tfftnnnnnnlnnn0)1 ()1 (00ttnnlnnn)1 (0lnnnt)1ln(0tnn3、計(jì)算曲線、計(jì)算曲線111)1 (00limlnlim tnn0010.10.50.90.9931.0541.3862.5585tnn0500.9932.560.90.51.34)1ln(0tnn十、脈沖的時(shí)間特性十、脈沖的時(shí)間特性1、脈沖寬度定義、脈沖寬度定義erttt tr:上升時(shí)間上升時(shí)間(光子數(shù)密度由光子數(shù)密度由 m/2升至升至 m所用時(shí)間所用時(shí)間) te:下降時(shí)間下降時(shí)間(光子數(shù)密度由光子數(shù)密度由 m降至降至 m/2所用時(shí)間所用時(shí)間)

8、2、脈沖寬度計(jì)算方法、脈沖寬度計(jì)算方法trnntttcrnnnnnnnndt)ln(0etnntttcennnnnnnndt)ln(0 nr、 ne:分別為光分別為光子數(shù)密度升、降至子數(shù)密度升、降至 m/2時(shí)所對(duì)應(yīng)的反轉(zhuǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度粒子數(shù)密度, c:Q開關(guān)開關(guān)打開后的腔壽命打開后的腔壽命t t n nr tp mtetr nt ne t t n0 2m tr te ttp:光子數(shù)密度達(dá)到光子數(shù)密度達(dá)到m的時(shí)刻的時(shí)刻,相應(yīng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為相應(yīng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為nttr:光子數(shù)密度升到光子數(shù)密度升到m/2的時(shí)的時(shí)刻刻,相應(yīng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為相應(yīng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為nrte:光子數(shù)密度降到光子數(shù)

9、密度降到m/2的時(shí)的時(shí)刻刻,相應(yīng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為相應(yīng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為ne)(2100tttnnnnlnnnn證證ctnn2dtnd)(22100ttctcctnnnnlnnnnndnnndndnndtprttrdtttrnnttcnnnnlnnnnnd)(00epttedttetnnttcnnnnlnnnnnd)(003、脈沖寬度的特點(diǎn)、脈沖寬度的特點(diǎn)(1)增大增大 , 脈沖的前、后沿均減小，其中前沿脈沖的前、后沿均減小，其中前沿比后沿減小的更顯著比后沿減小的更顯著tnn0t0nncetcrtt t 10)(tnn20)(tnnne ne ne 45 光性質(zhì)光性質(zhì)折射率折射率ABBCCDooe

10、enononezy xABCD 45zy xABCD 454 聲光調(diào)聲光調(diào)Q激光器激光器一、聲光效應(yīng)一、聲光效應(yīng)1、定義、定義2、類型、類型介質(zhì)中有超聲波時(shí)介質(zhì)中有超聲波時(shí),其折射率產(chǎn)生一分布其折射率產(chǎn)生一分布,相當(dāng)于位相當(dāng)于位相光柵相光柵,對(duì)入射激光產(chǎn)生衍射作用的現(xiàn)象對(duì)入射激光產(chǎn)生衍射作用的現(xiàn)象衍射光的偏振方向與入射光相同衍射光的偏振方向與入射光相同(因而折射率也相因而折射率也相同同), 一般由超聲縱波引起一般由超聲縱波引起(1)正常聲光效應(yīng)正常聲光效應(yīng) (2)反常聲光效應(yīng)反常聲光效應(yīng)衍射光的偏振方向與入射光不同衍射光的偏振方向與入射光不同(因而折射率也不因而折射率也不同同),一般由超聲切變

11、波引起一般由超聲切變波引起二、聲光器件二、聲光器件1、構(gòu)造、構(gòu)造(1)聲光晶體聲光晶體實(shí)現(xiàn)聲光互作用實(shí)現(xiàn)聲光互作用鉬酸鉛鉬酸鉛(PM):正常器件正常器件氧化碲氧化碲(TeO2):反常器件反常器件(2)壓電換能晶片壓電換能晶片鈮酸鋰鈮酸鋰( LN):Y36切激發(fā)縱波切激發(fā)縱波,X切激發(fā)切變波切激發(fā)切變波利用反壓電效應(yīng)將驅(qū)動(dòng)電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡ɡ梅磯弘娦?yīng)將驅(qū)動(dòng)電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡?、分類、分類(1)按聲光互作用長(zhǎng)度分類按聲光互作用長(zhǎng)度分類聲光互作用區(qū)域短，相聲光互作用區(qū)域短，相當(dāng)于平面光柵，對(duì)入射當(dāng)于平面光柵，對(duì)入射光方向要求不嚴(yán)格，能光方向要求不嚴(yán)格，能產(chǎn)生多級(jí)衍射光。產(chǎn)生多級(jí)衍射光。a)喇曼喇

12、曼-奈斯聲光器件奈斯聲光器件零級(jí)光零級(jí)光+1級(jí)衍射光級(jí)衍射光+2級(jí)衍射光級(jí)衍射光+3級(jí)衍射光級(jí)衍射光-1級(jí)衍射光級(jí)衍射光-3級(jí)衍射光級(jí)衍射光-2級(jí)衍射光級(jí)衍射光入射光入射光b)布拉格聲光器件布拉格聲光器件聲光互作用區(qū)域長(zhǎng)聲光互作用區(qū)域長(zhǎng),相相當(dāng)于體光柵當(dāng)于體光柵,對(duì)入射光對(duì)入射光方向要求嚴(yán)格方向要求嚴(yán)格,只有一只有一級(jí)衍射光。級(jí)衍射光。零級(jí)光零級(jí)光+1級(jí)衍射光級(jí)衍射光入射光入射光(2)按用途分類按用途分類a)聲光偏轉(zhuǎn)器聲光偏轉(zhuǎn)器(正常布拉格器件正常布拉格器件)fV偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)角 :光在真空中的波長(zhǎng)，光在真空中的波長(zhǎng)，f: 聲頻率聲頻率(即驅(qū)動(dòng)換即驅(qū)動(dòng)換能器的電信號(hào)頻率能器的電信號(hào)頻率)V: 聲速

13、聲速零級(jí)光零級(jí)光+1級(jí)衍射光級(jí)衍射光入射光入射光 0 ikdkK B 0ki、kd:入射、衍射光波矢，入射、衍射光波矢，K:聲波矢聲波矢,fnVnkK0fVn 0b)聲光調(diào)制器聲光調(diào)制器(正常布拉格器件正常布拉格器件)aPHLM2222 衍射效率衍射效率Pa:聲功率聲功率(與驅(qū)動(dòng)電功率成正比與驅(qū)動(dòng)電功率成正比)M2:聲光優(yōu)值聲光優(yōu)值(反映晶體聲光效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)反映晶體聲光效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù))L、H:換能器長(zhǎng)、寬度換能器長(zhǎng)、寬度三、聲光調(diào)三、聲光調(diào)Q工作原理工作原理激光介質(zhì)激光介質(zhì)聲光器件聲光器件全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡激光介質(zhì)激光介質(zhì)聲光器件聲光器件 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡1、Q開關(guān)開啟

14、開關(guān)開啟2、Q開關(guān)關(guān)閉開關(guān)關(guān)閉5 染料調(diào)染料調(diào)Q激光器激光器一、染料的可飽和吸收系數(shù)一、染料的可飽和吸收系數(shù)sII10 0:光強(qiáng)很小時(shí)的吸收系數(shù)光強(qiáng)很小時(shí)的吸收系數(shù)Is:染料的吸收飽和光強(qiáng)參數(shù)染料的吸收飽和光強(qiáng)參數(shù)(與染料種類及濃與染料種類及濃度有關(guān)度有關(guān))二、染料吸收特性二、染料吸收特性光強(qiáng)很小時(shí)，吸收系數(shù)很大，光強(qiáng)很小時(shí)，吸收系數(shù)很大，I=0時(shí)時(shí),=0光強(qiáng)很大時(shí)，吸收系數(shù)很小，光強(qiáng)很大時(shí)，吸收系數(shù)很小，IIs時(shí)時(shí), =0I/IsT三、染料調(diào)三、染料調(diào)Q激光器激光器(1)開始泵浦開始泵浦腔內(nèi)熒光弱腔內(nèi)熒光弱吸收系數(shù)大吸收系數(shù)大Q值低值低不能形成激光不能形成激光(2)繼續(xù)泵浦繼續(xù)泵浦腔內(nèi)熒光變強(qiáng)腔內(nèi)熒光變強(qiáng)吸收系數(shù)變小吸收系數(shù)變小熒光達(dá)到一定值時(shí)，吸收系數(shù)飽和熒光達(dá)到一定值時(shí)，吸收系數(shù)飽和燃料被漂燃料被漂白白 Q值突增，形成激光脈沖值突增，形成激光脈沖泵浦結(jié)束泵浦結(jié)束激光介質(zhì)激光介質(zhì)染料盒染料盒 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡氙燈氙燈1、裝置、裝置2、工作過程、工作過程3、飽和吸收體要求、飽和吸收體要求(1)吸收中心頻率與激光介質(zhì)增益中心頻率一致吸收