調(diào)Q技術(shù) 晶體雙折射

1、調(diào)Q（Q開關(guān)）技術(shù)調(diào)Q技術(shù)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數(shù)量級的一種技術(shù)（一）自發(fā)輻射處于高能級E2的原子自發(fā)地向低能級El躍遷，并發(fā)射出一個頻率等 于v = E2 一 El的光子的過程稱為自發(fā)輻射躍遷自發(fā)輻射躍遷的過程是一種只與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，而與輻射場u （v ）無關(guān)的自發(fā)過程（二）受激輻射處于高能級E2上的原子在頻率為v = （E2 一 E1） / h的輻射場激 勵作用下，或在頻率為v = （E2 一 E1） / h的光子誘發(fā)下，向低能 級E1躍遷并輻射出一個與激勵輻射場光子或誘發(fā)光子的狀態(tài)（包括 頻率、運動方向、偏振方向、相位等）完全相同的

2、光子的過程稱為受 激輻射躍遷受激輻射過程區(qū)別于自發(fā)輻射的地方在于，它是在輻射場的作用下產(chǎn) 生的，因此，其躍遷幾率W21，不僅與原子本身的性質(zhì)有關(guān)，還與 輻射場pv成正比（三）受激吸收處于低能級E1上的一個原子在頻率等于v = （E2 一 E1） / h的輻射場作用下，吸收一個光子后向高能級E2躍遷的過程稱為受激 吸收躍遷激光器弛豫振蕩產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因：當激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級 的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過閾值條件時，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，上能級粒子數(shù)大量被消耗，導(dǎo) 致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，當?shù)陀陂y值時，激光振蕩就停止。這時，由于光 泵的繼續(xù)抽運，上能級

3、粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新積累，當超過閾值時，又產(chǎn)生 第二個脈沖，如此不斷重復(fù)上述過程，直到泵浦停止才結(jié)束。每個尖 峰脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水平較低。增大 泵浦能量也無助于峰值功率的提高，而只會使小尖峰的個數(shù)增加。 弛豫振蕩產(chǎn)生的物理過程，可以用圖2.1-2來描述。它示出了在弛豫 振蕩過程中粒子反轉(zhuǎn)數(shù)乃和腔內(nèi)光子數(shù)切的變化，每個尖峰可以分 為四個階段（在t1時刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)增長， 但尚未到達閾值乃址因而不能形成激光振蕩。）圖2.1-2腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時間的變=0；第一階段（t1 一 t2）：激光振蕩剛開始時，乃=nth， 由于光泵作用，乃繼續(xù)增加，與此同時，

4、腔內(nèi)光子數(shù)密度也開 始增加，由于的增長而使乃減小的速率小于泵浦使乃=0；第二階段(t2 t3) : n到達最大值后開始下降，但仍然大于 nth，因此繼續(xù)增長，而且增長非常迅速，達到最大值。第三階段(t3 t4)： n V nth，增益小于損耗，光子數(shù)密 度減少并急劇下降。第四階段(t4 一 t5)：光子數(shù)減少到一定程度，泵浦又起主要作 用，于是n又開始回升，到t5時刻An又達到閾值nth，于是又 開始產(chǎn)生第二個尖峰脈沖。因為泵浦的抽運過程的持續(xù)時間要比每個 尖峰脈沖寬度大得多，于是上述過程周而復(fù)始，產(chǎn)生一系列尖峰脈沖。 泵浦功率越大，尖峰脈沖形成越快，因而尖峰的時間間隔越小二、調(diào)Q的基本原理通

5、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 子數(shù)達到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒 子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級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不能提高的原 因。既然激光上能級最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制，那 么，要使上能級積累大量的粒子，可以設(shè)法通過改變(增加)激光器 的閾值來實現(xiàn)，就是當激光器開始泵浦初期，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，這樣激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。當反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大時，再突然把閾值調(diào)到很低，此時，積累在 上能級的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級，于是

6、在極短的時間內(nèi)將 能量釋放出來，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粒子數(shù)積累的有效方法。從“激光原理”得知，激光器振蕩的閾值條件可表示為-二（2.1-1）21 c式中，g是模式數(shù)目，421自發(fā)輻射幾率，7 c是光子在腔內(nèi)的壽命，Q而 T c - gtc是腔內(nèi)能量衰減到初始能量的1/e所經(jīng) 歷的時間g2兀u所址-A- 玄以（2.1-2）Q值稱為品質(zhì)因數(shù)，它定義為：Q=2nu 0X （腔內(nèi)存儲的能量/每秒損耗的能量）u 0為激光 的中心頻率。用W表示腔內(nèi)存儲的能量，6表示 光在腔內(nèi)傳播單次能量的損耗率，那么光在一個單程中的能量損耗為 W 6。設(shè)L為諧振腔腔長，n為

7、介質(zhì)折射率，c為光速，則光在腔內(nèi) 走一單程所需的時間為nL/c。由此，光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為：_w& nL / c nL這樣，Q值可表示為八 cW2丸nL-兀V 0 W ac / nL 也一（2.30式中，A 0為真空中激光中心波長?？梢姡斎?和L 一定時，Q值 與諧振腔的損耗成反比，要改變激光器的閾值，可以通過突變諧振腔 的Q值（或損耗5）來實現(xiàn)。調(diào)Q技術(shù)就是通過某種方法使腔的Q值隨時間按一定程序 變化的技術(shù)?；蛘哒f使腔的損耗隨時間按一定程序變化的技術(shù)。激光脈沖的建立過m參量隨時間的變化情況，調(diào)Q圖2.1-3激光脈沖的建立過m參量隨時間的變化情況，調(diào)Q圖2.1-3所示。圖(a)表示泵浦

8、速率Wp隨時間的變化；圖(b)表示腔的Q值是時間的階躍函數(shù)(藍虛線);圖(c)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)的變化；圖(d)表示腔內(nèi)光子數(shù)隨時間的變化。在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低Q值(Qo)狀態(tài)，故閾值很 高不能起振，從而激光上能級的粒子數(shù)不斷積累，直至t0時刻，粒 子數(shù)反轉(zhuǎn)達到最大值無，在這一時刻，Q值突然升高(損耗下降)， 振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于此尻/(閾 值粒子反轉(zhuǎn)數(shù))，因此受激輻射增強非常迅速，激光介質(zhì)存儲的能量 在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱龅哪芰浚Y(jié)果產(chǎn)生了一個峰值功率 很高的窄脈沖。，光子數(shù)。增長十分緩慢，如，在t=to，光子數(shù)。增長十分緩慢，如，在t=to振蕩

9、圖2.1-4所示，其值始終很小( -0i)，受激輻射幾率很小，此時仍 是自發(fā)輻射占優(yōu)勢。只有振蕩持續(xù)到t=tD時，增長到了0D，雪崩 過程才形成，0才迅速增大，受激輻射才迅速超過自發(fā)輻射而占優(yōu)勢。因此，調(diào)Q脈沖從振蕩開始建立到娜如激光形成需要一定的延遲 時間，（也就是Q開關(guān)開啟的持續(xù)時間）。光子數(shù)的迅速增長，使 ni迅速減少，到t=tp時刻，4ni= nt，光子數(shù)達到最大值m之 后，由 n n,， 因此受激輻射增強非常迅速，激光介質(zhì)存儲的能量在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ?射場的能量，結(jié)果產(chǎn)生了一個峰值功率很高的窄脈沖輸出。隨后諧振腔內(nèi)的光場 迅速減弱，Cr4+：YAG晶體重新變得不透明，起到將Q

10、開關(guān)關(guān)閉的作用，從而為 產(chǎn)生下一個巨脈沖積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)做準備。這就是一個完整的Cr4+：YAG晶體調(diào) Q過程，如圖3.2所示。ni氣nni氣ntt圖3.2 Cr4+：YAG品體的調(diào)Q過程由于采用Cr4+被動調(diào)Q技術(shù)的微片激光器，在連續(xù)抽運或脈沖抽運條件下， 存在對輸出脈沖序列的重復(fù)頻率不可控等缺點3。，31。于是有人利用連續(xù)抽運時疊 加脈沖抽運的預(yù)抽運技術(shù)，實現(xiàn)了對Cr4+被動調(diào)Q微片激光器脈沖重復(fù)頻率的 可控輸出36。其具體方法為：先用LD對激光器進行連續(xù)抽運，其中連續(xù)抽運功 率需接近激光閾值，這樣增益介質(zhì)中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)將接近閾值水平，而且又不能 形成激光振蕩。然后再在連續(xù)抽運基礎(chǔ)上疊加一脈

11、沖抽運，在此脈沖抽運下，增 益介質(zhì)中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)將迅速超過閾值，腔內(nèi)光強將迅速增大，可飽和吸收體將 由于吸收熒光跳到激發(fā)態(tài)而對激光變得透明，于是腔內(nèi)損耗驟降，諧振腔內(nèi)光子 數(shù)密度猛增并瞬間形成激光振蕩而輸出激光巨脈沖。通過調(diào)節(jié)脈沖抽運速率和脈 沖抽運寬度可以使單個抽運脈沖內(nèi)只輸出一個激光脈沖，這樣激光脈沖的重復(fù)頻 率就等于抽運脈沖的頻率了。根據(jù)上面的分析，為獲得穩(wěn)定可控的脈沖輸出，需采用預(yù)抽運技術(shù)來抽運激 光器。用Cr4+,Nd3+:YAG雙摻雜品體同時來作為激光增益介質(zhì)和可飽和吸收體。 Cr4+,Nd3+:YAG晶體是在YAG基質(zhì)中同時摻入Cr4+、Nd3+兩種離子生長而成。 它既具有激活離

12、子Nd3+的特性，又具有可飽和吸收離子Cr4+的可飽和吸收特性 非常適合用于被動調(diào)Q微片激光器。用808nm LD來抽運Cr4+,Nd3+:YAG晶體產(chǎn)生被動調(diào)Q1064nm脈沖激光輸 出是非常合適的。從圖中可以看出，每個激光脈沖發(fā)射之前，可飽和吸收體的基態(tài)粒子數(shù)密度很高， 即腔內(nèi)損耗很大，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度不斷積累；當反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度超過閾值時，可 飽和吸收體由于吸收熒光而跳到激發(fā)態(tài)，基態(tài)粒子數(shù)密度驟降，即腔內(nèi)損耗降低， 光子數(shù)密度猛增，從而發(fā)射一個激光巨脈沖曠E)*幕山米-?曠E)*幕山米-?E)*幕山禁髀原 榔燃篥照11111111111111111 100.20.401.60.811.21.

13、41.61.82時間閭x1x 1024iiiiiii11111111-可以看出，在疊加脈沖抽運之前，連續(xù)抽運將反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度維持在閾值附 近。當疊加脈沖抽運之后，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度迅速增加，當超過閾值時，激光器就 產(chǎn)生一個調(diào)Q脈沖輸出。所以只要控制好抽運脈沖的寬度和幅度，可以使單個 抽運脈沖內(nèi)只產(chǎn)生一個激光脈沖，這樣激光器輸出脈沖的重復(fù)頻率就等于抽運脈 沖的頻率。同時，由于每個調(diào)Q脈沖輸出之前，初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度都在相近 的水平，所以輸出脈沖在能量、寬度以及輸出時間上都會很穩(wěn)定。因此，采用預(yù) 抽運技術(shù)可以實現(xiàn)激光脈沖的穩(wěn)定可控輸出。微片激光器是指諧振腔長度在毫米量級的微小型固體激光器。典型的微片激

14、 光器是直接在增益介質(zhì)兩端鍍膜，從而形成一體化的微型諧振腔。微片激光增益 介質(zhì)的厚度大都在1mm以下，這就使得縱模間隔很有可能超過增益帶寬，從而 比較容易獲得高質(zhì)量單頻激光輸出。微片激光器可以在連續(xù)或脈沖狀況下運行， 其脈沖輸出模式主要采用被動調(diào)Q機制和增益開關(guān)機制來實現(xiàn)。目前，對于連 續(xù)輸出LD抽運微片激光器的研究主要集中在頻率調(diào)諧特性和獲得高功率連續(xù)激 光輸出上；對于脈沖輸出的微片激光器的研究則主要集中在如何獲得脈寬更窄、 峰值功率更高和輸出脈沖頻率可控的脈沖輸出上。益開關(guān)技術(shù)在LD抽運的微片激光器中，除了被動調(diào)Q以外，增益開關(guān)技術(shù)也可獲得高 峰值功率、高重頻的窄脈沖。增益開關(guān)技術(shù)的原理為

15、：在激光器運轉(zhuǎn)過程中，諧 振腔的損耗保持不變，通過調(diào)制抽運光強來實現(xiàn)激光腔內(nèi)增益的突變，以達到壓 縮脈沖寬度和提高峰值功率的目的。增益開關(guān)技術(shù)是通過控制腔內(nèi)增益突變，而不改變腔內(nèi)Q值來實現(xiàn)激光巨 脈沖輸出的。對于應(yīng)用增益開關(guān)技術(shù)的固體激光器，其原理可以描述為：通過采用抽運速 率足夠高的光脈沖對激光器進行抽運，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在抽運脈沖持續(xù)時間內(nèi)快速 積累，這個期間，激光器諧振腔的損耗保持不變，閾值也保持不變。當反轉(zhuǎn)粒子 數(shù)超過閾值，獲得高增益時，諧振腔內(nèi)將迅速建立激光弛豫振蕩光場，從而實現(xiàn) 巨脈沖激光輸出。在這個過程中只要控制好抽運光脈沖的幅度和寬度，可以使激 光器在一個抽運光脈沖內(nèi)只實現(xiàn)一個巨脈

16、沖輸出。在LD抽運的固體激光器中運用增益開關(guān)技術(shù)時，一般采用預(yù)增益機制，它 是連續(xù)抽運和脈沖抽運的結(jié)合體。其過程為：在疊加脈沖抽運之前，先用連續(xù)抽 運將腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)抽運并保持在接近閾值的水平，然后再疊加一個脈沖抽運， 此時激光增益介質(zhì)內(nèi)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)將瞬間超過閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，從而迅速形成激 光振蕩發(fā)射激光脈沖。在這個過程中，如果脈沖抽運速率過小或脈沖寬度太窄 將出現(xiàn)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)還未及超過閾值，抽運速率就下降到閾值抽運速率以下的情 況，此時激光器是不會發(fā)出激光的。如果脈沖抽運速率過大或脈沖寬度過大，則 會出現(xiàn)輸出一個激光脈沖以后，還有足夠的抽運時間使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)再次超過閾值 的情況，那么這將導(dǎo)致激光

17、器在一個抽運脈沖持續(xù)時間內(nèi)輸出多個脈沖。所以控 制好抽運脈沖的幅度和寬度，可以使激光器在一個抽運脈沖內(nèi)只發(fā)射一個脈沖。 如此重復(fù)，激光器將以抽運脈沖的重復(fù)頻率輸出激光脈沖。Nd3+:YVO4晶體的激光特性摻釹粒子的釩酸釔品體（Nd3+:YVO4）屬于四方晶系，鋯英石（ZrSiO4）型 結(jié)構(gòu)，是正單軸品體。由于YVO4基質(zhì)對Nd離子具有敏化作用，所以該晶體激 活離子的吸收能力比較強。同時Nd3+:YVO4也是一種雙折射特性很強的晶體（在 1.064 pm處，氣=1.958，為=2.168），容易產(chǎn)生偏振激光輸出。摻釹粒子的釩酸釔品體在1.06pm處有很強的增益，它的有效受激發(fā)射截面 大約為25x

18、10-i9cm2，是Nd3+:YAG的45倍，在808nm附近的吸收帶寬約為20 nm且有很大的吸收截面，因而它有著高的能量轉(zhuǎn)換效率和低的激光閾值，是非 常適合LD抽運的高效激光晶體79。同時由于其具有大的吸收截面，在縱向抽運 下僅需要很小的晶體長度就可以吸收大部分抽運光，所以很薄的Nd3+:YVO4晶 體就可以用來當做固體激光器的增益介質(zhì)，有助于實現(xiàn)固體激光器的小型化。圖4.1為預(yù)抽運單脈沖輸出時，增益開關(guān)Nd3+:YVO4微片激光器動態(tài)特性的 數(shù)值仿真圖，其抽運脈沖寬度為4s從圖中可以看出，疊加脈沖抽運之前，歸 一化反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度被維持在0.8,在疊加脈沖抽運后（在T=0時刻疊加脈沖抽 運

19、），反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度快速增加，當其超過激光閾值時，增益開關(guān)就打開，腔內(nèi) 光子數(shù)就開始快速增加。這時反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度并沒有減小，而是繼續(xù)增加到一個 最大值，當達到最大值以后，其將會由于光子的大量消耗而下降，在其下降到剛 好低于閾值時，增益開關(guān)就會關(guān)閉，此時腔內(nèi)光子數(shù)密度達到最大。若此時抽運 脈沖結(jié)束，則腔內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度將會繼續(xù)減少，于是腔內(nèi)光子數(shù)密度將迅速減 少，從而激光器將發(fā)出一個峰值功率比較高的窄脈沖。若激光器在發(fā)出一個脈沖 后，抽運并沒有結(jié)束，那么反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度將會再次被抽運而增加，一旦超過閾 值，就又會發(fā)出一個脈沖。以此下去，激光器便可以在一個抽運脈沖下輸出多個 脈沖。 TOC o 1-5

20、 h z 0.8 11111-10123456時間x甘雙頻激光器是指能同時輸出兩個頻率的激光的激光器。雙頻微片激光器大多 是基于雙折射效應(yīng)產(chǎn)生的雙頻輸出光外差技術(shù)的原理最為簡單而且有效，其原理就是將兩列相十光投射到具有 電場平方率檢測特性的光電探測器上進行外差產(chǎn)生毫米波，毫米波的頻率等于相 十光的頻率差。由于光外差技術(shù)對兩列激光的相干性要求很高，所以目前主要采 用雙頻激光器來拍頻產(chǎn)生毫米波。(a)閾值附近抽運(b) 2倍閾值抽運圖5.1微片激光器的縱模示意圖圖5.1(a)表示閾值附近微片激光器輸出縱模示意圖；圖5.1(b)表示抽運功率 為2倍閾值的微片激光器輸出縱模示意圖?？梢钥闯鲈陂撝蹈浇?/p>

21、時候，微片激 光器容易實現(xiàn)單縱模振蕩；隨著抽運功率的增加激光器的縱模數(shù)隨之增加。對于 本章中所用到的微片激光器，即使在較大抽運功率下也最多輸出兩個縱模。由于 雙縱模輸出微片激光器的一個縱模對應(yīng)一個波長，所以雙縱模輸出的微片激光器 也可以叫做單縱模雙波長微片激光器光學儀器的分辨本領(lǐng)透鏡的分辯本領(lǐng)瑞利判據(jù):對于兩個等光強的非相干物點，如果一個像斑中心恰好 落在另一像斑的邊緣（第一暗紋處），則此兩像被認為是剛好能分辨。此 時兩像斑中心角距離為最小分辨角(5 =中牝 1.22中0自然光可用兩個相互獨立、沒有固定相位關(guān)系（不相干）、等振幅 且振動方向相互垂直的線偏振光表示。自然光反射和折射后產(chǎn)生部分 偏

22、振光部分偏振光可用兩個相互獨立、沒有固定相位關(guān)系、不等振幅且 振動方向相互垂直的線偏振光表示。偏振度=I +1n pIP = P 十偏振度=I +1n pIP = P 十tIPI + Ip n線偏振光可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、相干的線 偏振光。馬呂斯定律尸=I C0S2 口光矢量（E）只在一個固定平面內(nèi)沿單一方向振動的光叫線偏 振光，或平面偏振光。光振動方向與傳播方向決定的平面稱為振動面。由自然光獲得偏振光的光學器件叫“起偏器”。用偏振器件分析、檢驗光束的偏振狀態(tài)稱“檢偏”。二.布儒斯特定律ib+Y =90o時，反射光為線偏振光（反射光中只有垂直入射面 的分量。強度為垂直振動的1

23、5%左右）要提高反射線偏振光的強度， 可利用玻璃片堆的多次反射ib 布儒斯特角或起偏角n sin i = n sin y = n cos i1b22btani =n2 = nbn 21i玻璃片堆（反射光是完全線偏振光強度幾乎50%）（透射光接近完全線偏振光強度幾乎50%）部分偏振光3.品體的光軸當光在品體內(nèi)沿某個特殊方向傳播時不發(fā)生雙折射，該方向稱為 晶體的光軸。光軸是一特殊的方向，凡平行于此方向的直線均為光軸。單軸品體：只有一個光軸的晶體雙軸品體：有兩個光軸的晶體對于各向異性品體，一束光射入晶體后，可以觀察到有 兩束折射光的現(xiàn)象。一條遵守通常的折射定律(nlsini =n2sinr)，折射光線在入射面內(nèi)， 這條光線稱為尋常光線(ordinary rays)，簡稱o光。另一條光線不遵守通常的折射定律，它不一定在入射面內(nèi)，這條光線稱為非常光線(extraordinary rays)，簡稱e光。產(chǎn)生雙折射的原因:o光和e光的傳播速度不同。o光在晶體中各個方向的傳播速度相同，因而折射率no=c/uo二恒量。e光在晶體中的傳播速度