Q调技术-激光原理-课件-北京工业大学-09解析.ppt
3、特点、特点(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率加峰值功率(1)峰值功率不高，只在阈值附近峰值功率不高，只在阈值附近4、原因、原因激光器的阈值始终保持不变激光器的阈值始终保持不变二、调二、调Q基本概念基本概念泵浦时令腔损耗很大泵浦时令腔损耗很大(Q很小很小),突然减小损耗突然减小损耗(增大增大Q),使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射,形成光脉冲形成光脉冲三、工作原理三、工作原理2、阈值反转粒子数、阈值反转粒子数(1)t0: nt( n t nt)LSnt211、腔损耗、腔损耗(1)t0(Q开关打开后开关打开后): ( )LSnt213、泵浦速率、泵浦速率(1)t0: W小小4、反转粒子数、反转粒子数 n(1)t0: n减小减小,t=tp时为时为 n= nt( nt n0 n t)5、腔内光子数密度、腔内光子数密度 (1)0t nt而增强而增强(2)ttp:因因 n0: 振荡结束时残余反转粒子数为振荡结束时残余反转粒子数为 n= nf四、调四、调Q激光器速率方程激光器速率方程(三能级、固体、均匀加宽三能级、固体、均匀加宽)1、非调、非调QE1E2E3W13S32A21W21W12ctnn2dtndct)1nn(dtd2、调、调Q(忽略泵浦与自发辐射忽略泵浦与自发辐射:w13=0,A21=0)212323212AnSn)(gmAndtdn3231313SnWndtdnc21)(gmAndtd n n1 1+n+n2 2+n+n3 3=n=n 证证)(gmAndtdn2122nnn20)(gmAnc21t n n1 1+n+n2 2=n=n n n2 2-n-n1 1= = n n dtnd21dtdn2 nt为为 达最大时达最大时,即即 时的时的 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、腔内光子数密度五、腔内光子数密度) 1nnnn(n21t0t0tmln证证ctnn2dtndct)1nn(dtd由由 和和 消消t)1nn(21nddtnd)1nn(21dtnn00)1(21ndnndt)(212121210000ttttnnnnlnnnnnnnnlnn当当 n= nt时光子数密度达最大值时光子数密度达最大值)(2100tttnnnnlnnnn六、最大光子数密度六、最大光子数密度t0nntmn21e0e-2e2)388. 7,718. 2(2eee2-3七、峰值功率七、峰值功率1、计算公式、计算公式Pm=h0mvSTv:腔内光速腔内光速S:腔截面积腔截面积T:输出镜透过率输出镜透过率2、提高、提高Pm的措施的措施(1)提高提高Q开关打开前、后的腔损耗之比开关打开前、后的腔损耗之比 / LSSGn2121ttttnnttnn越大越大,则则 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 达到达到 水平水平)0ntn八、脉冲能量八、脉冲能量VnnhEEEff)(2100每产生一个光子，消耗个反转粒子数每产生一个光子，消耗个反转粒子数九、能量利用率九、能量利用率0EE1、定义、定义VnhE0021E0(储能储能):储藏在工作物质中能转变为激光的初储藏在工作物质中能转变为激光的初始能量始能量VnhEff21Ef(剩余能剩余能):巨脉冲结束后工作物质中的剩余能巨脉冲结束后工作物质中的剩余能量，通过自发辐射消耗掉量，通过自发辐射消耗掉2、计算公式、计算公式0)(21)(210000tfftttttnnnnlnnnnnnnnlnnnn证证0000011nnEEEEEEEfff光子数密度光子数密度 =0时时, n达到达到 nf令令000tfftnnnnlnnn)1ln(0tnn10nnf00000tfftnnnnnnlnnn0)1 ()1 (00ttnnlnnn)1 (0lnnnt)1ln(0tnn3、计算曲线、计算曲线111)1 (00limlnlim tnn0010.10.50.90.9931.0541.3862.5585tnn0500.9932.560.90.51.34)1ln(0tnn十、脉冲的时间特性十、脉冲的时间特性1、脉冲宽度定义、脉冲宽度定义erttt tr:上升时间上升时间(光子数密度由光子数密度由 m/2升至升至 m所用时间所用时间) te:下降时间下降时间(光子数密度由光子数密度由 m降至降至 m/2所用时间所用时间)2、脉冲宽度计算方法、脉冲宽度计算方法trnntttcrnnnnnnnndt)ln(0etnntttcennnnnnnndt)ln(0 nr、 ne:分别为光子分别为光子数密度升、降至数密度升、降至 m/2时所对应的反转粒子时所对应的反转粒子数密度数密度, c:Q开关打开开关打开后的腔寿命后的腔寿命t t n nr tp mtetr nt ne t t n0 2m tr te ttp:光子数密度达到光子数密度达到 m的时刻的时刻,相相应反转粒子数密度为应反转粒子数密度为 nttr:光子数密度升到光子数密度升到 m/2的时刻的时刻,相应反转粒子数密度为相应反转粒子数密度为 nrte:光子数密度降到光子数密度降到 m/2的时刻的时刻,相应反转粒子数密度为相应反转粒子数密度为 ne)(2100tttnnnnlnnnn证证ctnn2dtnd)(22100ttctcctnnnnlnnnnndnnndndnndtprttrdtttrnnttcnnnnlnnnnnd)(00epttedttetnnttcnnnnlnnnnnd)(003、脉冲宽度的特点、脉冲宽度的特点(1)增大增大 , 脉冲的前、后沿均减小，其中前沿脉冲的前、后沿均减小，其中前沿比后沿减小的更显著比后沿减小的更显著tnn0t0nncetcrtt t 10)(tnn20)(tnnne ne ne 45 光性质光性质折射率折射率ABBCCDooeenononezy xABCD 45 zy xABCD 45 4 声光声光调调Q激光器激光器一、声光效应一、声光效应1、定义、定义2、类型、类型介质中有超声波时介质中有超声波时,其折射率产生一分布其折射率产生一分布,相当于位相当于位相光栅相光栅,对入射激光产生衍射作用的现象对入射激光产生衍射作用的现象衍射光的偏振方向与入射光相同衍射光的偏振方向与入射光相同(因而折射率也相因而折射率也相同同), 一般由超声纵波引起一般由超声纵波引起(1)正常声光效应正常声光效应 (2)反常声光效应反常声光效应衍射光的偏振方向与入射光不同衍射光的偏振方向与入射光不同(因而折射率也不因而折射率也不同同),一般由超声切变波引起一般由超声切变波引起二、声光器件二、声光器件1、结构、结构(1)声光晶体声光晶体实现声光互作用实现声光互作用钼酸铅钼酸铅(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)压电换能晶片压电换能晶片铌酸锂铌酸锂( LN):Y36 切激发纵波切激发纵波,X切激发切变波切激发切变波利用反压电效应将驱动电信号转变为超声波利用反压电效应将驱动电信号转变为超声波2、分类、分类(1)按声光互作用长度分类按声光互作用长度分类声光互作用区域短，相声光互作用区域短，相当于平面光栅，对入射当于平面光栅，对入射光方向要求不严格，能光方向要求不严格，能产生多级衍射光。产生多级衍射光。a)喇曼喇曼-奈斯声光器件奈斯声光器件零级光零级光+1级衍射光级衍射光+2级衍射光级衍射光+3级衍射光级衍射光-1级衍射光级衍射光-3级衍射光级衍射光-2级衍射光级衍射光入射光入射光b)布拉格声光器件布拉格声光器件声光互作用区域长声光互作用区域长,相相当于体光栅当于体光栅,对入射光对入射光方向要求严格方向要求严格,只有一只有一级衍射光。级衍射光。零级光零级光+1级衍射光级衍射光入射光入射光(2)按用途分类按用途分类a)声光偏转器声光偏转器(正常布拉格器件正常布拉格器件)fV偏转角偏转角 :光在真空中的波长，光在真空中的波长，f: 声频率声频率(即驱动换即驱动换能器的电信号频率能器的电信号频率)V: 声速声速零级光零级光+1级衍射光级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:声波矢声波矢,fnVnkK0fVn 0b)声光调制器声光调制器(正常布拉格器件正常布拉格器件)aPHLM2222 衍射效率衍射效率Pa:声功率声功率( (与驱动电功率成正比与驱动电功率成正比) )M2:声光优值声光优值(反映晶体声光效应强弱的参数反映晶体声光效应强弱的参数)L、H:换能器长换能器长、宽度宽度三、声光调三、声光调Q工作原理工作原理激光介质激光介质声光器件声光器件全反镜全反镜输出镜输出镜激光介质激光介质声光器件声光器件 激光激光全反镜全反镜输出镜输出镜1、Q开关开启开关开启2、Q开关关闭开关关闭5 染料染料调调Q激光器激光器一、染料的可饱和吸收系数一、染料的可饱和吸收系数sII10 0:光强很小时的吸收系数光强很小时的吸收系数I s:染料的吸收饱和光强参数染料的吸收饱和光强参数(与染料种类及浓度与染料种类及浓度有关有关)二、染料吸收特性二、染料吸收特性光强很小时，吸收系数很大，光强很小时，吸收系数很大，I=0时时, = 0光强很大时，吸收系数很小，光强很大时，吸收系数很小，IIs时时, =0I/I sT三、染料调三、染料调Q激光器激光器(1)开始泵浦开始泵浦腔内荧光弱腔内荧光弱吸收系数大吸收系数大Q值低值低不能形成激光不能形成激光(2)继续泵浦继续泵浦腔内荧光变强腔内荧光变强吸收系数变小吸收系数变小荧光达到一定值时，吸收系数饱和荧光达到一定值时，吸收系数饱和燃料被漂燃料被漂白白 Q值突增，形成激光脉冲值突增，形成激光脉冲泵浦结束泵浦结束激光介质激光介质染料盒染料盒 激光激光全反镜全反镜输出镜输出镜氙灯氙灯1、装置、装置2、工作过程、工作过程3、饱和吸收体要求、饱和吸收体要求(1)吸收中心频率与激光介质增益中心频率一致吸收中心频率与激光介质增益中心频率一致(2)产生巨脉冲的必要条件是吸收饱和光强参产生巨脉冲的必要条件是吸收饱和光强参数小于介质的增益饱和光强参数数小于介质的增益饱和光强参数,I sIs(3)吸收饱和光强参数吸收饱和光强参数I s的大小的大小要适当要适当I s太大，开关速度慢，影响调太大，开关速度慢，影响调Q效果效果I s太小太小,很弱的光即可使其透明，导致工作介很弱的光即可使其透明，导致工作介质的反转粒子数不能充分积累质的反转粒子数不能充分积累
