激光調(diào)Q技術(shù)（課堂PPT）

1、15.4 5.4 激光調(diào)激光調(diào) Q 技術(shù)技術(shù) 普通的脈沖激光器普通的脈沖激光器,光脈沖的寬度約在光脈沖的寬度約在ms級(jí)級(jí),峰值功率峰值功率也只有幾十也只有幾十kW. 調(diào)調(diào) Q 激光器激光器, ,光脈沖的寬度可以壓到光脈沖的寬度可以壓到ns級(jí)級(jí),峰值功率也峰值功率也已達(dá)到已達(dá)到MW. 調(diào)調(diào)Q Q技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個(gè)重要突破，它技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個(gè)重要突破，它是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)。功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)。調(diào)調(diào)Q技術(shù)的目的：技術(shù)的目的：

2、 壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。2一、激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)一、激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q Q值是評(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)值是評(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)。 1.Q值定義：值定義：每振蕩周期損耗的能量諧振腔內(nèi)儲(chǔ)存的能量2Q2.品質(zhì)因子品質(zhì)因子Q與諧振腔的單程總損耗的關(guān)系與諧振腔的單程總損耗的關(guān)系光強(qiáng)I0在諧振腔傳播z距離后會(huì)減弱為 00exp()expa cIIa zIt總總上式可以改寫為光子數(shù)密度的形式 00( )expexpca ctN tNtN總chtNtI0)()(而 體積為V的腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量為： 0)( VhtNW 每振蕩周期

3、損耗的能量為： caVhtNWPc總)(0總aPWQ22調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Q值的途徑值的途徑 一般采取改變腔內(nèi)損耗的辦法來(lái)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的一般采取改變腔內(nèi)損耗的辦法來(lái)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的Q值。值。3 將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進(jìn)行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其波將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進(jìn)行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其波形并非一個(gè)平滑的光脈沖，而是由許多形并非一個(gè)平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機(jī)變化的尖峰脈振幅、脈寬和間隔作隨機(jī)變化的尖峰脈沖組成的沖組成的，如圖，如圖(a)所示。每個(gè)尖峰的寬度約為所示。每個(gè)尖峰的寬度約為0.11s，間隔為數(shù)微秒，脈沖，間隔為數(shù)微秒，脈沖序列的長(zhǎng)度大致與閃光燈泵浦持續(xù)

4、時(shí)間相等。圖序列的長(zhǎng)度大致與閃光燈泵浦持續(xù)時(shí)間相等。圖(b)所示為觀察到的紅寶石激光所示為觀察到的紅寶石激光器輸出的尖峰。這種現(xiàn)象稱為器輸出的尖峰。這種現(xiàn)象稱為激光器弛豫振蕩激光器弛豫振蕩。1. 脈沖固體激光器的輸出特性脈沖固體激光器的輸出特性二、調(diào)二、調(diào) Q原理原理4 產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因：產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因：當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級(jí)的粒子反當(dāng)激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級(jí)的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過(guò)閾值條件時(shí)，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光。轉(zhuǎn)數(shù)超過(guò)閾值條件時(shí)，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光。隨著激光的發(fā)射，上能級(jí)粒子數(shù)大量被消耗，導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，

5、當(dāng)?shù)陀陂y隨著激光的發(fā)射，上能級(jí)粒子數(shù)大量被消耗，導(dǎo)致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，當(dāng)?shù)陀陂y值時(shí)，激光振蕩就停止。這時(shí)，由于光泵的繼續(xù)抽運(yùn)，上能級(jí)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新值時(shí)，激光振蕩就停止。這時(shí)，由于光泵的繼續(xù)抽運(yùn)，上能級(jí)粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新積累，積累，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，又產(chǎn)生第二個(gè)脈沖，當(dāng)超過(guò)閾值時(shí)，又產(chǎn)生第二個(gè)脈沖，如此不斷重復(fù)上述過(guò)程，直到泵浦停如此不斷重復(fù)上述過(guò)程，直到泵浦停止才結(jié)束。止才結(jié)束。每個(gè)尖峰脈沖都是在閾值每個(gè)尖峰脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水平較低。增大泵浦能量也無(wú)助于峰值平較低。增大泵浦能量也無(wú)助于峰值功率的提高，而只會(huì)使小尖峰的個(gè)數(shù)功率的提高，而只會(huì)使小尖

6、峰的個(gè)數(shù)增加。增加。E1E25弛豫振蕩產(chǎn)生的物理過(guò)程，可以用圖弛豫振蕩產(chǎn)生的物理過(guò)程，可以用圖2來(lái)描述。它示出了在弛豫振來(lái)描述。它示出了在弛豫振蕩過(guò)程中粒子反轉(zhuǎn)數(shù)蕩過(guò)程中粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n 和腔內(nèi)光子數(shù)和腔內(nèi)光子數(shù)的變化，每個(gè)尖峰可以分的變化，每個(gè)尖峰可以分為四個(gè)階段為四個(gè)階段 (在在t1時(shí)刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n增長(zhǎng)，增長(zhǎng)，但尚未到達(dá)閾值但尚未到達(dá)閾值n閾閾因而不能形成激光振蕩。因而不能形成激光振蕩。)圖2 腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化6第一階段第一階段(t1一一t2)：激光振蕩剛開(kāi)始時(shí)，：激光振蕩剛開(kāi)始時(shí)，n n閾閾， 0；由于；由于光泵作用，光

7、泵作用， n繼續(xù)增加，與此同時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)密度繼續(xù)增加，與此同時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)密度也開(kāi)始增也開(kāi)始增加，由于加，由于的增長(zhǎng)而使的增長(zhǎng)而使n減小的速率小于泵浦使減小的速率小于泵浦使n 增加的速率，增加的速率，因此因此n一直增加到最大值。一直增加到最大值。 圖2 腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化第二階段第二階段(t2一一t3) ： n到達(dá)最大值后開(kāi)始下降，到達(dá)最大值后開(kāi)始下降，但仍然大于但仍然大于n閾閾 ，因此，因此 繼續(xù)增長(zhǎng)，而且增長(zhǎng)繼續(xù)增長(zhǎng)，而且增長(zhǎng)非常迅速，達(dá)到最大值。非常迅速，達(dá)到最大值。7 第四階段第四階段(t4一一t5)：光子數(shù)減少到一定程度，泵浦又起主要作用，：光子數(shù)減少到一定程度，泵

8、浦又起主要作用，于是于是n又開(kāi)始回升，到又開(kāi)始回升，到t5時(shí)刻時(shí)刻n又達(dá)到閾值又達(dá)到閾值n閾閾 ，于是又開(kāi)始產(chǎn)，于是又開(kāi)始產(chǎn)生第二個(gè)尖峰脈沖。因?yàn)楸闷值某檫\(yùn)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間要比每個(gè)尖峰生第二個(gè)尖峰脈沖。因?yàn)楸闷值某檫\(yùn)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間要比每個(gè)尖峰脈沖寬度大得多，于是上述過(guò)程周而復(fù)始，產(chǎn)生一系列尖峰脈沖。脈沖寬度大得多，于是上述過(guò)程周而復(fù)始，產(chǎn)生一系列尖峰脈沖。泵浦功率越大泵浦功率越大,尖峰脈沖形成越快尖峰脈沖形成越快,因而尖峰的時(shí)間間隔越小因而尖峰的時(shí)間間隔越小 第三階段第三階段(t3一一t4)： n n閾閾 ，增益小，增益小于損耗，光子數(shù)密度于損耗，光子數(shù)密度減少并急劇下降。減少并急劇下降。82.

9、調(diào)調(diào)的基本原理的基本原理 通常的激光器諧振腔的損耗是不變的通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到或略超過(guò)閾值時(shí)，激光器便開(kāi)始振蕩，于是激光上能級(jí)子數(shù)達(dá)到或略超過(guò)閾值時(shí)，激光器便開(kāi)始振蕩，于是激光上能級(jí)的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級(jí)不能積累很多的反轉(zhuǎn)粒的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級(jí)不能積累很多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。這是普通激光器峰值功率子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。這是普通激光器峰值功率(一般為幾十千瓦數(shù)量級(jí)一般為幾十千瓦數(shù)量級(jí)) )。不能提高的原因。不能提高的原因。 既然激光上能級(jí)最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制，

10、那既然激光上能級(jí)最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制，那么，么，要使上能級(jí)積累大量的粒子，可以設(shè)法通過(guò)改變（增加）激要使上能級(jí)積累大量的粒子，可以設(shè)法通過(guò)改變（增加）激光器的閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)光器的閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)，就是當(dāng)激光器開(kāi)始泵浦初期，設(shè)法將激光器，就是當(dāng)激光器開(kāi)始泵浦初期，設(shè)法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級(jí)的的振蕩閾值調(diào)得很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。QvAgn 221閾總aPWQ229當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大時(shí)，再突然把閾值調(diào)到很低，此時(shí)，積累在上能級(jí)的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級(jí)，于是在極短的時(shí)間內(nèi)將能

11、量釋放出來(lái)，就獲得峰值功率極高的巨脈沖激光輸出。 改變激光器的閾值是提高激光上能級(jí)粒子數(shù)積累的有效方法改變激光器的閾值是提高激光上能級(jí)粒子數(shù)積累的有效方法?？俛PWQ22Q值與諧振腔的損耗成反比值與諧振腔的損耗成反比，要改變激光器的閾值，可以通過(guò)突要改變激光器的閾值，可以通過(guò)突變諧振腔的變諧振腔的Q值值(或損耗或損耗a總總)來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 調(diào)調(diào)Q技術(shù)就是通過(guò)某種方法使腔的技術(shù)就是通過(guò)某種方法使腔的Q值隨時(shí)間按一定程序變化值隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)的技術(shù)。或者說(shuō)使腔的使腔的損耗損耗隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)。10 調(diào)調(diào)Q激光脈沖的建立過(guò)程，激光脈沖的建立過(guò)程，各參量隨

12、時(shí)間的變化情況，如各參量隨時(shí)間的變化情況，如右圖所示。右圖所示。圖圖(a)表示泵浦速率表示泵浦速率Wp隨時(shí)間的隨時(shí)間的變化；變化；圖圖(b)表示腔的表示腔的Q值是時(shí)間的階值是時(shí)間的階躍函數(shù)躍函數(shù)(藍(lán)虛線藍(lán)虛線)；圖圖(c)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n的變的變化；化；圖圖(d)表示腔內(nèi)光子數(shù)表示腔內(nèi)光子數(shù)隨時(shí)間隨時(shí)間的變化的變化。3.Q開(kāi)關(guān)激光器的特點(diǎn)開(kāi)關(guān)激光器的特點(diǎn) （1） 通過(guò)改變通過(guò)改變Q值值改變閾改變閾值，控制激光產(chǎn)生的時(shí)間。值，控制激光產(chǎn)生的時(shí)間。11在泵浦過(guò)程的大部分時(shí)間里諧振在泵浦過(guò)程的大部分時(shí)間里諧振腔處于低腔處于低Q值狀態(tài)，故閾值很高值狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級(jí)

13、的粒不能起振，從而激光上能級(jí)的粒子數(shù)不斷積累，直至子數(shù)不斷積累，直至 t0時(shí)刻，粒時(shí)刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值ni，在這，在這一時(shí)刻，一時(shí)刻，Q值突然升高值突然升高(損耗下?lián)p耗下降降)，振蕩閾值隨之降低，于是，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開(kāi)始建立。由于此激光振蕩開(kāi)始建立。由于此ni nt(閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù)閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù))，因此，因此受激輻射增強(qiáng)非常迅速，激光介受激輻射增強(qiáng)非常迅速，激光介質(zhì)存儲(chǔ)的能量在極短的時(shí)間質(zhì)存儲(chǔ)的能量在極短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱?chǎng)的能量，內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱?chǎng)的能量，結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)峰值功率很結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)峰值功率很高的窄脈沖。高的窄脈沖。12 調(diào)調(diào)Q脈沖的建立

14、有個(gè)過(guò)程，當(dāng)脈沖的建立有個(gè)過(guò)程，當(dāng)Q值階躍上升時(shí)開(kāi)始振蕩，在值階躍上升時(shí)開(kāi)始振蕩，在t=t0振蕩開(kāi)始建立振蕩開(kāi)始建立至以后一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程中，光子數(shù)至以后一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程中，光子數(shù)增長(zhǎng)十分緩慢，如圖增長(zhǎng)十分緩慢，如圖3所示，其值始終所示，其值始終很小，受激輻射幾率很小，此時(shí)仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢(shì)。很小，受激輻射幾率很小，此時(shí)仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢(shì)。 圖圖3 從開(kāi)始振蕩到脈沖形成的過(guò)程從開(kāi)始振蕩到脈沖形成的過(guò)程只有振蕩持續(xù)到只有振蕩持續(xù)到ttD時(shí)，增長(zhǎng)時(shí)，增長(zhǎng)到了到了D ，雪崩過(guò)程才形成，雪崩過(guò)程才形成， 才迅速增大，受激輻射才迅才迅速增大，受激輻射才迅速超過(guò)自發(fā)輻射而占優(yōu)勢(shì)。速超過(guò)自發(fā)輻射而占優(yōu)勢(shì)

15、。（2） 兩階段兩階段 儲(chǔ)能階段（延遲時(shí)間）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)最大值儲(chǔ)能階段（延遲時(shí)間）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)最大值 。 iD13因此，調(diào)因此，調(diào)Q脈沖從振蕩開(kāi)始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時(shí)間脈沖從振蕩開(kāi)始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時(shí)間t (也也就是就是Q開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的持續(xù)時(shí)間開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的持續(xù)時(shí)間)。光子數(shù)的迅速增長(zhǎng)，使。光子數(shù)的迅速增長(zhǎng)，使ni迅速減少，到迅速減少，到t=tp時(shí)刻，時(shí)刻， ni= nt，光子數(shù)達(dá)到最大值，光子數(shù)達(dá)到最大值m之后，由之后，由n nt ，則，則 迅速減少，此時(shí)迅速減少，此時(shí)n = nf ，為振蕩終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)。可見(jiàn)，調(diào)，為振蕩終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)。

16、可見(jiàn)，調(diào)Q脈沖的峰值脈沖的峰值是發(fā)生在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)是發(fā)生在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)(ni= nt)的時(shí)刻。的時(shí)刻。iD激光產(chǎn)生輸出激光產(chǎn)生輸出 忽略泵浦和自發(fā)輻射的影響。忽略泵浦和自發(fā)輻射的影響。14（3） 開(kāi)關(guān)時(shí)間開(kāi)關(guān)時(shí)間 從從Q值最小變到最大值最小變到最大Q值即損耗從最大變到最小需要的值即損耗從最大變到最小需要的時(shí)間叫開(kāi)關(guān)時(shí)間。時(shí)間叫開(kāi)關(guān)時(shí)間。 開(kāi)關(guān)時(shí)間對(duì)激光脈沖的影響很大，按開(kāi)關(guān)時(shí)間的大小開(kāi)關(guān)時(shí)間對(duì)激光脈沖的影響很大，按開(kāi)關(guān)時(shí)間的大小分為快、慢兩種類型。分為快、慢兩種類型。 15諧振腔的諧振腔的Q值與損耗值與損耗a總總成反比，如果按照一定的規(guī)律改變諧振腔的成反比，如果

17、按照一定的規(guī)律改變諧振腔的a總總值，就值，就可以使可以使Q值發(fā)生相應(yīng)的變化。諧振腔的損耗一般包括有：值發(fā)生相應(yīng)的變化。諧振腔的損耗一般包括有：反射損耗、衍射損反射損耗、衍射損耗、吸收損耗耗、吸收損耗等。那么，我們用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可等。那么，我們用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可以形成不同的調(diào)以形成不同的調(diào)Q技術(shù)。有技術(shù)。有機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)電光調(diào)Q技術(shù)，聲光調(diào)技術(shù)，聲光調(diào)Q技術(shù)，染技術(shù)，染料調(diào)料調(diào)Q技術(shù)技術(shù)等。等。三、三、Q調(diào)制方法調(diào)制方法四、調(diào)四、調(diào)Q技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵 動(dòng)態(tài)損耗：動(dòng)態(tài)損耗：Q 開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，諧振腔應(yīng)具有最大的損耗，以開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀

18、態(tài)時(shí)，諧振腔應(yīng)具有最大的損耗，以保證保證Q 開(kāi)關(guān)打開(kāi)之前沒(méi)有激光產(chǎn)生；開(kāi)關(guān)打開(kāi)之前沒(méi)有激光產(chǎn)生； 插入損耗插入損耗：Q 開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，由開(kāi)關(guān)本身引起的損耗應(yīng)最開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，由開(kāi)關(guān)本身引起的損耗應(yīng)最 小，小，一般會(huì)引入反射及散射損耗；一般會(huì)引入反射及散射損耗； 開(kāi)關(guān)時(shí)間，開(kāi)關(guān)時(shí)間，Q 開(kāi)關(guān)應(yīng)有優(yōu)異的開(kāi)、關(guān)轉(zhuǎn)換性能，快的開(kāi)關(guān)時(shí)間，開(kāi)關(guān)應(yīng)有優(yōu)異的開(kāi)、關(guān)轉(zhuǎn)換性能，快的開(kāi)關(guān)時(shí)間， 將將產(chǎn)生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開(kāi)關(guān)時(shí)間會(huì)使所存儲(chǔ)的能量在產(chǎn)生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開(kāi)關(guān)時(shí)間會(huì)使所存儲(chǔ)的能量在開(kāi)關(guān)完全打開(kāi)之間迅速衰竭；開(kāi)關(guān)完全打開(kāi)之間迅速衰竭； 同步性能，同步性能， Q 開(kāi)關(guān)應(yīng)能夠精確

19、地控制，與外界信號(hào)保持同步。開(kāi)關(guān)應(yīng)能夠精確地控制，與外界信號(hào)保持同步。 16電光調(diào)電光調(diào) Q一、電光晶體調(diào)一、電光晶體調(diào)Q原理原理 1. 電光電光Q開(kāi)關(guān)原理。開(kāi)關(guān)原理。 利用晶體的電光效應(yīng)，在晶體上加一階躍式電壓，調(diào)利用晶體的電光效應(yīng)，在晶體上加一階躍式電壓，調(diào)節(jié)腔內(nèi)光子的反射損耗。節(jié)腔內(nèi)光子的反射損耗。 圖4-27 電光調(diào)Q裝置示意圖 （1）第一階段：積累階段）第一階段：積累階段 電光調(diào)電光調(diào)Q激光器如圖所示。未加電場(chǎng)前晶體的折射率主軸為激光器如圖所示。未加電場(chǎng)前晶體的折射率主軸為z、y、z。沿晶沿晶體光軸方向體光軸方向z施加一外電場(chǎng)施加一外電場(chǎng)E , ,由于由于普克爾效應(yīng)普克爾效應(yīng), ,主

20、軸變?yōu)橹鬏S變?yōu)閤x、y,zy,z。令光束。令光束沿沿z z軸方向傳播軸方向傳播, ,經(jīng)偏振器后變?yōu)槠叫杏诮?jīng)偏振器后變?yōu)槠叫杏趚軸的線偏振光軸的線偏振光, ,入射到晶體表面時(shí)分解為入射到晶體表面時(shí)分解為等幅的等幅的xx和和yy方向的偏振光方向的偏振光, ,在晶體中二者具有不同的折射率在晶體中二者具有不同的折射率x x和和y y。經(jīng)。經(jīng)過(guò)晶體長(zhǎng)度過(guò)晶體長(zhǎng)度d d距離后距離后, ,二偏振分量產(chǎn)生了相位差二偏振分量產(chǎn)生了相位差17VcvEdcvcvdxy633063302 2)(2圖4-27 電光調(diào)Q裝置示意圖 式中式中為晶體尋常光折射率為晶體尋常光折射率;6363是晶體的電光系數(shù)是晶體的電光系數(shù);V

21、;V是加在晶體兩端的是加在晶體兩端的電壓，電壓，d d為晶體在為晶體在z z軸方向的長(zhǎng)度。當(dāng)軸方向的長(zhǎng)度。當(dāng)=/2=/2時(shí)時(shí), ,所需電壓稱作四分之一波電所需電壓稱作四分之一波電壓壓, ,記作記作V/4.圖中電光晶體上施以電壓圖中電光晶體上施以電壓V V/4/4時(shí)時(shí), ,從偏振器出射的線偏振光經(jīng)電從偏振器出射的線偏振光經(jīng)電光晶體后光晶體后, ,沿沿xx和和yy方向的偏振分量產(chǎn)生了方向的偏振分量產(chǎn)生了/2/2位相延遲位相延遲, ,經(jīng)全反射鏡反射經(jīng)全反射鏡反射后再次通過(guò)電光晶體后又將產(chǎn)生后再次通過(guò)電光晶體后又將產(chǎn)生/2/2延遲延遲, ,合成后雖仍是線偏振光合成后雖仍是線偏振光, ,但偏振方但偏振方

22、向垂直于偏振器的偏振方向向垂直于偏振器的偏振方向, ,因此不能通過(guò)偏振器。這種情況下諧振腔的損因此不能通過(guò)偏振器。這種情況下諧振腔的損耗很大耗很大, ,處于低處于低Q值狀態(tài)值狀態(tài), ,激光器不能振蕩激光器不能振蕩, ,激光上能級(jí)不斷積累粒子（激光上能級(jí)不斷積累粒子（這一狀這一狀態(tài)相當(dāng)于光開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)）態(tài)相當(dāng)于光開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)）。（2）第二階段：脈沖形成階段）第二階段：脈沖形成階段Q開(kāi)關(guān)完全打開(kāi)開(kāi)關(guān)完全打開(kāi) 在某一特等時(shí)刻在某一特等時(shí)刻, ,突然撤去電光晶體兩端的電壓突然撤去電光晶體兩端的電壓, ,則偏振光的振動(dòng)方向不再被則偏振光的振動(dòng)方向不再被旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)900，相當(dāng)于光開(kāi)關(guān)被打開(kāi)，相當(dāng)于光

23、開(kāi)關(guān)被打開(kāi)，則諧振腔突變至低損耗、高則諧振腔突變至低損耗、高Q值狀態(tài)值狀態(tài), ,于是于是形成巨脈沖激光。（形成巨脈沖激光。（這一狀態(tài)相當(dāng)于光開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)）這一狀態(tài)相當(dāng)于光開(kāi)關(guān)處于打開(kāi)狀態(tài)）。181.1.有較高的動(dòng)態(tài)損耗（）和插入損耗（）有較高的動(dòng)態(tài)損耗（）和插入損耗（） 2.2.開(kāi)關(guān)速度快，同步性能好。開(kāi)關(guān)時(shí)間可以達(dá)到秒開(kāi)關(guān)速度快，同步性能好。開(kāi)關(guān)時(shí)間可以達(dá)到秒 ，3.3.典型的典型的Nd:YAGNd:YAG電光調(diào)電光調(diào)Q激光器的輸出光脈沖寬度激光器的輸出光脈沖寬度 約為約為-20-20nsns，峰值功率達(dá)到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦，峰值功率達(dá)到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦 4.4.適用于脈沖式泵浦激光器，由

24、于該技術(shù)較高的插入損適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術(shù)較高的插入損 耗使激光器無(wú)法振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器耗使激光器無(wú)法振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器910二、電光調(diào)二、電光調(diào)Q技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)特點(diǎn)19聲光調(diào)聲光調(diào) Q一、聲光一、聲光Q開(kāi)關(guān)器件的結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)器件的結(jié)構(gòu)腔內(nèi)插入的聲光調(diào)腔內(nèi)插入的聲光調(diào)Q器件由聲光互器件由聲光互作用介質(zhì)作用介質(zhì)( (如熔融石英如熔融石英) )和鍵合于其上的換能器所構(gòu)成的。和鍵合于其上的換能器所構(gòu)成的。 圖4-28 聲光調(diào)Q裝置示意圖二二. .聲光調(diào)聲光調(diào)Q原理：原理： 當(dāng)聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí)當(dāng)聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí), ,該介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生與聲波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空該介質(zhì)會(huì)

25、產(chǎn)生與聲波信號(hào)相應(yīng)的、隨時(shí)間和空間周期變化的彈性形變間周期變化的彈性形變, ,從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期變化從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率的周期變化, ,形成等效的形成等效的位相光柵位相光柵, ,其光柵常數(shù)等于聲波波長(zhǎng)其光柵常數(shù)等于聲波波長(zhǎng)s s. .光束射經(jīng)此介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射光束射經(jīng)此介質(zhì)時(shí)發(fā)生衍射, ,一部分光偏離原來(lái)方一部分光偏離原來(lái)方向。當(dāng)聲波頻率較高向。當(dāng)聲波頻率較高. .聲光作用長(zhǎng)度聲光作用長(zhǎng)度d d足夠大足夠大, ,滿足滿足2sd 時(shí)時(shí)(s s與與分別為聲波與光波波長(zhǎng)分別為聲波與光波波長(zhǎng)),),如果如果射光與聲波波面的夾角射光與聲波波面的夾角滿足滿足s2sin20 則透射光束分裂為零級(jí)與則透射光

26、束分裂為零級(jí)與+1+1級(jí)或級(jí)或-1-1級(jí)級(jí)( (視入射方向視入射方向而定而定) )衍射光衍射光,+1,+1級(jí)或級(jí)或-1-1級(jí)衍射光與聲波波面的夾角亦級(jí)衍射光與聲波波面的夾角亦為為,如圖所示。這種現(xiàn)象稱作布喇格衍射如圖所示。這種現(xiàn)象稱作布喇格衍射, ,一級(jí)衍射一級(jí)衍射光先強(qiáng)光先強(qiáng)I1(或或I-1) )與入射光光強(qiáng)與入射光光強(qiáng)Ii 之比為之比為 聲光布喇格衍射衍射示聲光布喇格衍射衍射示意圖意圖)2(sin21iII式中式中是經(jīng)長(zhǎng)度為是經(jīng)長(zhǎng)度為d的位相光柵后光波相位變化的幅度。的位相光柵后光波相位變化的幅度。2)2(2MPHdd 式中式中是介質(zhì)折射率變化的幅值是介質(zhì)折射率變化的幅值;d與與H分別為換

27、能器的長(zhǎng)度與寬度分別為換能器的長(zhǎng)度與寬度;M是聲光是聲光介質(zhì)的品質(zhì)因素介質(zhì)的品質(zhì)因素;P是超聲驅(qū)動(dòng)功率。提高超聲驅(qū)動(dòng)功率可得到較高的衍射效率。是超聲驅(qū)動(dòng)功率。提高超聲驅(qū)動(dòng)功率可得到較高的衍射效率。聲光調(diào)聲光調(diào)Q技術(shù)技術(shù)利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調(diào)利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調(diào)Q任務(wù)。任務(wù)。在聲光器件工作時(shí)產(chǎn)生很高的衍射損耗，此時(shí)，腔具在聲光器件工作時(shí)產(chǎn)生很高的衍射損耗，此時(shí)，腔具 有很低有很低的的Q值，值，Q開(kāi)關(guān)處于關(guān)狀態(tài)；在某一特定時(shí)間，撤去開(kāi)關(guān)處于關(guān)狀態(tài)；在某一特定時(shí)間，撤去 超聲，超聲，光束則順利通過(guò)均勻的聲光介質(zhì)，光束則順利通過(guò)均勻的聲光介質(zhì)， 此時(shí)此時(shí)Q開(kāi)關(guān)處于開(kāi)關(guān)處于 開(kāi)

28、狀態(tài)；開(kāi)狀態(tài)； 21 聲光聲光Q開(kāi)關(guān)由一塊對(duì)激光波長(zhǎng)透明的聲光介質(zhì)及換能器組成開(kāi)關(guān)由一塊對(duì)激光波長(zhǎng)透明的聲光介質(zhì)及換能器組成, ,常用的聲光介常用的聲光介質(zhì)有熔融石英、錮酸鉛及重火石玻璃等。聲光介質(zhì)表面粘接有由銀酸鯉、石英等質(zhì)有熔融石英、錮酸鉛及重火石玻璃等。聲光介質(zhì)表面粘接有由銀酸鯉、石英等壓電材料薄片制成的換能器壓電材料薄片制成的換能器, ,換能器的作用是將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波。聲光開(kāi)換能器的作用是將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波。聲光開(kāi)關(guān)置于激光器中關(guān)置于激光器中, ,在超聲場(chǎng)作用下發(fā)生衍射在超聲場(chǎng)作用下發(fā)生衍射, ,由于一級(jí)衍射光偏離諧振腔而導(dǎo)致?lián)p由于一級(jí)衍射光偏離諧振腔而導(dǎo)致?lián)p耗增加耗增加,

29、,從而使激光振蕩難以形成從而使激光振蕩難以形成, ,激光高能級(jí)大量積累粒子。若這時(shí)突然撤除超激光高能級(jí)大量積累粒子。若這時(shí)突然撤除超聲場(chǎng)聲場(chǎng), ,則衍射效應(yīng)即刻消失則衍射效應(yīng)即刻消失, ,諧振腔損耗突然下降諧振腔損耗突然下降, ,激光巨脈沖遂即形成。激光巨脈沖遂即形成。圖4-28 聲光調(diào)Q裝置示意圖 聲光調(diào)聲光調(diào)Q Q開(kāi)關(guān)時(shí)間一般小于光脈沖建立時(shí)間開(kāi)關(guān)時(shí)間一般小于光脈沖建立時(shí)間, ,屬快開(kāi)關(guān)類型。由于開(kāi)關(guān)的調(diào)屬快開(kāi)關(guān)類型。由于開(kāi)關(guān)的調(diào)制電壓只需制電壓只需100100多伏多伏, ,所以可用于低增益的連續(xù)激光器所以可用于低增益的連續(xù)激光器, ,可獲得峰值功率幾百千瓦、可獲得峰值功率幾百千瓦、脈寬約

30、為幾十納秒的高重復(fù)率巨脈沖。但是脈寬約為幾十納秒的高重復(fù)率巨脈沖。但是, ,聲光開(kāi)關(guān)對(duì)高能量激光器的開(kāi)關(guān)能聲光開(kāi)關(guān)對(duì)高能量激光器的開(kāi)關(guān)能力差力差, ,不宜用于高能調(diào)不宜用于高能調(diào)Q激。激。22染料調(diào)染料調(diào)Q 前面介紹的都是主動(dòng)式調(diào)Q方法，即是人為地利用某些物理效應(yīng)來(lái)控制激光諧振腔的損耗，從而達(dá)到Q值的突變。本節(jié)介紹被動(dòng)式Q開(kāi)關(guān)，即利用某些可飽和吸收體本身特性，能自動(dòng)地改變Q值的一種方法。一、可飽和吸收染料的調(diào)一、可飽和吸收染料的調(diào)Q原理原理 利用有機(jī)材料對(duì)光的吸收系數(shù)會(huì)隨著光強(qiáng)變化的特性來(lái)達(dá)到調(diào)利用有機(jī)材料對(duì)光的吸收系數(shù)會(huì)隨著光強(qiáng)變化的特性來(lái)達(dá)到調(diào)Q的目的。的目的。 圖就是染料調(diào)圖就是染料調(diào)Q

31、激光器的示意圖。它是在一個(gè)激光器的示意圖。它是在一個(gè)固體激光器的腔內(nèi)插入一個(gè)染料盒構(gòu)成的。固體激光器的腔內(nèi)插入一個(gè)染料盒構(gòu)成的。 圖(染料調(diào)Q裝置示意圖某些有機(jī)染料是一種非線性吸收介質(zhì)，即其吸收系數(shù)某些有機(jī)染料是一種非線性吸收介質(zhì)，即其吸收系數(shù)并不是常數(shù)，當(dāng)在較強(qiáng)激光作用下，其吸收系數(shù)隨光并不是常數(shù)，當(dāng)在較強(qiáng)激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減小直至飽和，對(duì)光呈現(xiàn)透明的特性，這強(qiáng)的增加而減小直至飽和，對(duì)光呈現(xiàn)透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數(shù)種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數(shù)可以表示為：可以表示為： 011sII式中式中0是中心頻率小信號(hào)吸收系數(shù)是中心頻率小信號(hào)吸收系數(shù); I 和和 Is 分別為人射光強(qiáng)和飽和光強(qiáng)。分別為人射光強(qiáng)和飽和光強(qiáng)。23011sII 可見(jiàn)可見(jiàn), ,吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減少吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減少, ,當(dāng)光強(qiáng)很當(dāng)光強(qiáng)很大時(shí)大時(shí), ,吸收系數(shù)為零吸收系數(shù)為零, ,入射光幾乎全部透過(guò)。飽和入射光幾乎全部透過(guò)。飽和吸收體的透過(guò)率隨光強(qiáng)的變化如下圖所示。吸收體的透過(guò)率隨光強(qiáng)的變化如下圖所示。 Is為染料的飽和吸收光強(qiáng)，其大小與染料的種類和濃度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，為染料的飽和吸收光強(qiáng)，其大小與染料的種類和濃度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，染料的濃度增加，染料的濃度增加， Is值也增加；值也增加；I為入射光強(qiáng)。由上式可以看出，為入射光強(qiáng)。由上式可以看