第六章-激光过程动力学概要优秀PPT.ppt

P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）主讲老师：陈建新、朱莉莉、陈荣主讲老师：陈建新、朱莉莉、陈荣chenjianxinfjnu.edu chenjianxinfjnu.edu 福建师范高校物理与光电信息科技学福建师范高校物理与光电信息科技学院院P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）第六章第六章 激光过程动力学激光过程动力学在第五章中，我们认为激光的产生是一个稳态在第五章中，我们认为激光的产生是一个稳态的过程；的过程；由于非稳态泵浦、谐振腔的参数及激活介质参由于非稳态泵浦、谐振腔的参数及激活介质参数的可控或不行控的非稳定性、激光器的多数的可控或不行控的非稳定性、激光器的多模运转等可能导致激光器运转呈现非稳态。模运转等可能导致激光器运转呈现非稳态。激光器的稳态运转只不过是志向化达到状态而激光器的稳态运转只不过是志向化达到状态而已，稳态理论只能在某种近似下描述特殊的已，稳态理论只能在某种近似下描述特殊的激光器。激光器。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p激光振荡的建立激光振荡的建立p脉冲激光器的尖峰振荡效应脉冲激光器的尖峰振荡效应p激光器调激光器调Q技术原理技术原理p激光器锁模技术激光器锁模技术p激光器半经典理论概述激光器半经典理论概述第六章第六章 激光过程动力学激光过程动力学为了对激光振荡的基本原理有更深化和精确地描述，为了对激光振荡的基本原理有更深化和精确地描述，必需分析激光器的动力学过程。必需分析激光器的动力学过程。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p激光振荡的建立激光振荡的建立分析将激光器泵浦接通并使激活介质中的集居分析将激光器泵浦接通并使激活介质中的集居数密度反转瞬间达到足够大的数值时，数密度反转瞬间达到足够大的数值时，激光激光器从自发辐射噪声到建立稳态的相干激光振器从自发辐射噪声到建立稳态的相干激光振荡所需的时间；荡所需的时间；激光振荡建立的阈值区域激光振荡建立的阈值区域从自发辐射荧光到激从自发辐射荧光到激光的突变的过程。光的突变的过程。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p激光稳态振荡的建立激光稳态振荡的建立在在t=0时刻，激光器内光子总数的速率方程：时刻，激光器内光子总数的速率方程：表示激光器工作物质中受激跃迁所引起的表示激光器工作物质中受激跃迁所引起的振荡模光子数的瞬时相对增长速率振荡模光子数的瞬时相对增长速率表示腔损耗所导致的振荡模光子数表示腔损耗所导致的振荡模光子数的瞬时相对衰减速率的瞬时相对衰减速率P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p激光稳态振荡的建立激光稳态振荡的建立腔内光强正比于振荡模光子数腔内光强正比于振荡模光子数 ：振荡模光强的变更速率方程：振荡模光强的变更速率方程：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p激光稳态振荡的建立激光稳态振荡的建立稳态激光振荡建立所需的时间稳态激光振荡建立所需的时间：腔内光强从最初腔内光强从最初(t=0)的噪声信号的噪声信号 至达到稳至达到稳态振荡值态振荡值 所需的时间，记为：所需的时间，记为：1。不计饱和相应的分析。不计饱和相应的分析2。考虑到饱和相应的更精确分析。考虑到饱和相应的更精确分析P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）1.1.不计饱和效应的稳态激光振荡建立所需的时间不计饱和效应的稳态激光振荡建立所需的时间 由腔内光强随时间变更的速率方程由腔内光强随时间变更的速率方程激光器介质中的光强较弱，不计介质中的原子激光器介质中的光强较弱，不计介质中的原子集居数密度反转或增益的饱和相应，腔内光强集居数密度反转或增益的饱和相应，腔内光强的增长速率近似为常数，记为：的增长速率近似为常数，记为：得到，腔内光强随时间变更规律：得到，腔内光强随时间变更规律：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）1.1.不计饱和效应的稳态激光振荡建立所需的时间不计饱和效应的稳态激光振荡建立所需的时间 为激光器的泵浦超阈度。为激光器的泵浦超阈度。腔内光强随时间变更规律：腔内光强随时间变更规律：改写为：改写为：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）1.1.不计饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间不计饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间 达到稳态振荡光强达到稳态振荡光强Iss所需的时间可以所需的时间可以由下式近似求得：由下式近似求得：可见，稳态激光振荡建可见，稳态激光振荡建立所需的时间立所需的时间TB与激光与激光器的泵浦超阈度器的泵浦超阈度r有关。有关。即：即：稳态激光振荡建立的过程示意图稳态激光振荡建立的过程示意图P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）2.2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间腔内振荡模光强的增长速率可以表示为：腔内振荡模光强的增长速率可以表示为：代入腔内光强随时间变更的速率方程代入腔内光强随时间变更的速率方程得到，腔内光强随时间变更规律：得到，腔内光强随时间变更规律：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）2.2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间激光器振荡模光强的未饱和净增长速率激光器振荡模光强的未饱和净增长速率饱和系数饱和系数腔内光强随时间变更规律：腔内光强随时间变更规律：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）2.2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间振荡模的稳态腔内光强振荡模的稳态腔内光强令令 得到：得到：解方程得到解方程得到令令腔内光强达到稳态值的腔内光强达到稳态值的K倍所需的时间为倍所需的时间为P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）2.2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间这就意味着，由于饱和效应的存在腔内光强要经这就意味着，由于饱和效应的存在腔内光强要经过过很长时间很长时间才能达到其稳态值。才能达到其稳态值。腔内光强达到稳态值的腔内光强达到稳态值的K倍所需的时间为倍所需的时间为当当 ，即，即 时，时，。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）2.2.考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间考虑饱和效应稳态激光振荡建立所需的时间将将 所需的时间视为激光振荡建立所需的时间所需的时间视为激光振荡建立所需的时间求解求解得到得到P352给出典型的氦氖激光器稳态振荡建立过程的试验曲线给出典型的氦氖激光器稳态振荡建立过程的试验曲线P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p激光振荡的建立激光振荡的建立分析将激光器泵浦接通并使激活介质中的集居分析将激光器泵浦接通并使激活介质中的集居数密度反转瞬间达到足够大的数值时，数密度反转瞬间达到足够大的数值时，激光激光器从自发辐射噪声到建立稳态的相干激光振器从自发辐射噪声到建立稳态的相干激光振荡所需的时间；荡所需的时间；激光振荡建立的阈值区域激光振荡建立的阈值区域从自发辐射荧光到激从自发辐射荧光到激光的突变的过程。光的突变的过程。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）下面将对考虑到自发辐射后下面将对考虑到自发辐射后激光器阈值区域激光器阈值区域的特的特性作进一步的分析。通过性作进一步的分析。通过激光器振荡模腔内光子数对激光器振荡模腔内光子数对泵浦速率的变化泵浦速率的变化说明激光器在阈值区域激光形成时从说明激光器在阈值区域激光形成时从自发辐射荧光到激光的突变过程自发辐射荧光到激光的突变过程p激光振荡的建立激光振荡的建立P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）采用如下的激光系统模型：采用如下的激光系统模型：单模均匀加宽激光器，二单模均匀加宽激光器，二能级系统，腔内光子总数为能级系统，腔内光子总数为 ，上能级原子总数为，上能级原子总数为N2（t），平均寿命为），平均寿命为 ，能级衰减率为，能级衰减率为 ，并具有稳定可调的泵浦速率并具有稳定可调的泵浦速率 RP，原子离开下能级的弛，原子离开下能级的弛豫速率很快，使得该能级的总原子数豫速率很快，使得该能级的总原子数 ，介质中，介质中总的粒子数反转数总的粒子数反转数 ，谐振腔损耗所致，谐振腔损耗所致 的衰减速率为的衰减速率为 。该系统的速率方程可简单表示成该系统的速率方程可简单表示成p激光振荡的建立激光振荡的建立P为激光腔体和跃迁线宽内的自发辐射总模数为激光腔体和跃迁线宽内的自发辐射总模数P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）令令 ，可求得速率方程的稳态解可求得速率方程的稳态解1.低于阈值时的稳态解低于阈值时的稳态解2.高于阈值时的稳态解高于阈值时的稳态解P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）1.低于阈值时的稳态解低于阈值时的稳态解式中式中 表示不计自发辐射贡献时激光器的阈值集居数反转表示不计自发辐射贡献时激光器的阈值集居数反转P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）从以上两式可看出：从以上两式可看出：（1）当低于阈值，即）当低于阈值，即 时，时，值通常很小值通常很小约为零；约为零；（2）当低于阈值，只要）当低于阈值，只要 ，式中饱和项可忽视，式中饱和项可忽视，就正比于泵浦速率就正比于泵浦速率RP，即，即P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）2.高于阈值时的稳态解高于阈值时的稳态解p激光振荡的建立激光振荡的建立P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）由以上两式可知：由以上两式可知：（1）高于阈值，即）高于阈值，即 时，时，（或精确地（或精确地说是略低于说是略低于 ）。）。（2）高于阈值，即）高于阈值，即 且且 时，腔内稳态时，腔内稳态总光子数总光子数可见，可见，值随高于阈值的泵浦速率线性增大，并且与值随高于阈值的泵浦速率线性增大，并且与腔内总的自发辐射模数腔内总的自发辐射模数P具有同一数量级，即约为具有同一数量级，即约为 量级。量级。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）3.阈值区域的精确结果阈值区域的精确结果为简化计而假设为简化计而假设 ，其结果为，其结果为P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）单模激光器在阈值区域具有以下特点：单模激光器在阈值区域具有以下特点：1.振荡模的腔内光子数突然大幅度提高并达到自发辐振荡模的腔内光子数突然大幅度提高并达到自发辐射总模数数量级。射总模数数量级。2.激活介质内激光跃迁上、下能级间的原子集居数先激活介质内激光跃迁上、下能级间的原子集居数先随泵浦强度线性增大，直至被限制于阈值水平。随泵浦强度线性增大，直至被限制于阈值水平。3.光谱快速变窄，使输出信号的频宽突然从宽带的自光谱快速变窄，使输出信号的频宽突然从宽带的自发辐射频宽压缩到一个（或几个）激光模的单色辐发辐射频宽压缩到一个（或几个）激光模的单色辐射。射。4.输出光束的空间方向性突然改善。输出光束的空间方向性突然改善。5.输出光束统计特性的变更：从基本上是高斯无规则输出光束统计特性的变更：从基本上是高斯无规则噪声到相干振幅稳定的振荡。噪声到相干振幅稳定的振荡。总之，在泵浦的阈值区域，激光器腔内光场经验了从自发辐射荧总之，在泵浦的阈值区域，激光器腔内光场经验了从自发辐射荧光到相干激光振荡的急剧变更光到相干激光振荡的急剧变更P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p脉冲激光器的尖峰振荡效应脉冲激光器的尖峰振荡效应“尖峰尖峰”现象现象利用快速响应的光电检测器和脉冲示波器，可利用快速响应的光电检测器和脉冲示波器，可以发觉典型的脉冲红宝石激光器自由振荡的以发觉典型的脉冲红宝石激光器自由振荡的输出脉冲是由一系列无规则尖峰组成的；输出脉冲是由一系列无规则尖峰组成的；四能级系统的激光器也存在类似的尖峰开启特四能级系统的激光器也存在类似的尖峰开启特性。性。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p脉冲激光器的尖峰振荡效应脉冲激光器的尖峰振荡效应激光器刚开启时所发生的不激光器刚开启时所发生的不连续，尖锐的、大振幅脉冲连续，尖锐的、大振幅脉冲为为“尖峰尖峰”激光连续运转时发生在稳态激光连续运转时发生在稳态振荡旁边的小振幅、准正弦振荡旁边的小振幅、准正弦阻尼振荡为阻尼振荡为“弛豫振荡弛豫振荡”“尖峰尖峰”现象的初步描述现象的初步描述P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）激光尖峰形成的物理过程的初步描述激光尖峰形成的物理过程的初步描述可以分以下几个阶段：可以分以下几个阶段：泵浦起先工作，反转粒子数密度起先泵浦起先工作，反转粒子数密度起先增加，但未到达阈值反转粒子数没有增加，但未到达阈值反转粒子数没有光输出，腔内光子数目可以忽视；光输出，腔内光子数目可以忽视；0 0在在 时刻，时刻，达到阈值，产生激达到阈值，产生激光，光子数目急剧增大；同时，反光，光子数目急剧增大；同时，反转粒子数密度的增加速率开始减小，转粒子数密度的增加速率开始减小，但反转粒子数密度仍在增加；但反转粒子数密度仍在增加；P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）直到直到 时刻，反转粒子数密度饱时刻，反转粒子数密度饱和效应开始，反转粒子数密度开始和效应开始，反转粒子数密度开始衰减，但仍大于阈值，因此光子数衰减，但仍大于阈值，因此光子数目继续增加；在目继续增加；在 时刻，时刻，光子数目达到最大值；，光子数目达到最大值；由于由于 ，增益小于损耗，光子，增益小于损耗，光子数目开始急剧减少；数目开始急剧减少；继续下降；继续下降；在在 时刻，受激辐射使时刻，受激辐射使 减小的减小的速率等于激励使速率等于激励使 增加的速率；增加的速率；P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）开始增加，由于但未到达阈值开始增加，由于但未到达阈值反转粒子数，光子数目仍在下降，反转粒子数，光子数目仍在下降，在在 时刻达到阈值。开始第二个时刻达到阈值。开始第二个尖峰。尖峰。缺点：缺点：1 1 增大输入能量时，尖峰脉冲数目增大输入能量时，尖峰脉冲数目增加，不能有效地提高峰值功率水增加，不能有效地提高峰值功率水平平2 2 激光输出的时间特性很差。为得激光输出的时间特性很差。为得到高峰值功率和较窄的单个脉冲，到高峰值功率和较窄的单个脉冲，接受调接受调Q Q技术技术P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）激光尖峰的相平面描述激光尖峰的相平面描述 分别以分别以 及及 为横、纵坐标建立一坐标平为横、纵坐标建立一坐标平面，激光器的状态都可用该坐标平面上的某点来代表，面，激光器的状态都可用该坐标平面上的某点来代表，通常称该坐标平面为所给激光动力学系统的通常称该坐标平面为所给激光动力学系统的相平面相平面，相平面上代表点的运动轨迹称为相平面上代表点的运动轨迹称为相轨道相轨道，相轨道簇构，相轨道簇构成了所给系统的成了所给系统的相图相图。利用相图可描述激光器尖峰特。利用相图可描述激光器尖峰特性。性。该式给出了该式给出了 曲线，即相轨道通过相平面内任曲线，即相轨道通过相平面内任一点的斜率。一点的斜率。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）典型自由振荡激光器的相轨道典型自由振荡激光器的相轨道激光尖峰的相平面描述激光尖峰的相平面描述P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）1.曲线最终将向着曲线最终将向着S点，即稳态值点，即稳态值 收敛。收敛。2.相轨道从相轨道从A点起先，它对应激光器泵浦起先之后第点起先，它对应激光器泵浦起先之后第一次达到集居数反转阈值，即第一个尖峰振荡起先一次达到集居数反转阈值，即第一个尖峰振荡起先时刻，此时的光子总数由自发辐射噪声所确定。时刻，此时的光子总数由自发辐射噪声所确定。3.随着代表点沿相轨道从随着代表点沿相轨道从A经过经过B移到移到C，腔内光子数，腔内光子数快速增大，在快速增大，在C处达到最大值。处达到最大值。4.E之后其次个尖峰起先，相图中的每圈螺旋线都向之后其次个尖峰起先，相图中的每圈螺旋线都向着着S点趋近，说明激光尖峰行为最终将衰减为稳态点趋近，说明激光尖峰行为最终将衰减为稳态值旁边的驰豫振荡。值旁边的驰豫振荡。激光尖峰的相平面描述激光尖峰的相平面描述P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）弛豫振荡的线性近似分析弛豫振荡的线性近似分析 对速率方程组作线性化的小信号微扰分析可给出激对速率方程组作线性化的小信号微扰分析可给出激光器弛豫振荡现象的近似解析解。光器弛豫振荡现象的近似解析解。速率方程的稳态解为：速率方程的稳态解为：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）在弛豫振荡的范围内，瞬态值偏离稳态值不大，可将它们表示成在弛豫振荡的范围内，瞬态值偏离稳态值不大，可将它们表示成式中微扰小量式中微扰小量 ，。将该式代入速率方程组，并忽略二阶小量，同时假设将该式代入速率方程组，并忽略二阶小量，同时假设微扰小量微扰小量 、按按 规律变化，最后可得弛规律变化，最后可得弛豫振荡的指数衰减速率和振荡频率为：豫振荡的指数衰减速率和振荡频率为：弛豫振荡的线性近似分析弛豫振荡的线性近似分析P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）据激光器参数的取值以上两个根分别对应两种不同状况。据激光器参数的取值以上两个根分别对应两种不同状况。1.无尖峰激光器无尖峰激光器若若 与与 具有相同数量级，且具有相同数量级，且 相当小，同时泵浦相当小，同时泵浦超阈度超阈度r不太大，则激光器参数满足条件：不太大，则激光器参数满足条件：则则上式表明激光器呈现过阻尼而无振荡的工作状态，此时上式表明激光器呈现过阻尼而无振荡的工作状态，此时开启激光器将视察不到明显的尖峰和弛豫振荡现象。开启激光器将视察不到明显的尖峰和弛豫振荡现象。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）2.强尖峰激光器强尖峰激光器若原子衰减常数远小于谐振腔的衰减常数，即若原子衰减常数远小于谐振腔的衰减常数，即可得：可得：可见，激光器弛豫振荡阻尼衰减速率为可见，激光器弛豫振荡阻尼衰减速率为 ，弛豫，弛豫振荡的角频率为振荡的角频率为 ，因而输出激光脉冲多呈现尖，因而输出激光脉冲多呈现尖峰振荡。峰振荡。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p激光器调激光器调Q Q技术技术自由振荡状况下的尖峰振荡效应会造成激光输出峰值功自由振荡状况下的尖峰振荡效应会造成激光输出峰值功率低、时间特性差的缺点。接受调率低、时间特性差的缺点。接受调Q技术获得短而强技术获得短而强的激光巨脉冲输出。的激光巨脉冲输出。“调调Q”就是接受确定的技术和装置来限制激光器谐振腔就是接受确定的技术和装置来限制激光器谐振腔的的Q值依据确定的程序和规律变更，从而达到改善激值依据确定的程序和规律变更，从而达到改善激光脉冲的功率和时间特性的目的。光脉冲的功率和时间特性的目的。激光器调激光器调Q通过对谐振腔损耗的调制来实现。通过对谐振腔损耗的调制来实现。Q开关：使光学谐振腔的开关：使光学谐振腔的Q值发生快速变更的装置。值发生快速变更的装置。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）在泵浦起先激励时，使光腔具有在泵浦起先激励时，使光腔具有高损耗值，高能级上的粒子积累高损耗值，高能级上的粒子积累到较高的水平，即：使反转粒子到较高的水平，即：使反转粒子数密度达到确定的值；数密度达到确定的值；在适当的时刻，使腔的损耗突在适当的时刻，使腔的损耗突 然降低，阈值随之突然下降，然降低，阈值随之突然下降，此时反转粒子数密度大大超过此时反转粒子数密度大大超过阈值，受激辐射快速增加；阈值，受激辐射快速增加；在极短的时间内，强的激光巨脉在极短的时间内，强的激光巨脉冲输出。冲输出。p激光器调激光器调Q Q技术原理技术原理P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）三能级系统三能级系统反转粒子数密度和光子密度的速率方程：反转粒子数密度和光子密度的速率方程：调调Q Q激光器脉冲的持续时间约为几十纳秒，在这样短的激光器脉冲的持续时间约为几十纳秒，在这样短的时间内自发辐射及泵浦激励的影响忽视不计时间内自发辐射及泵浦激励的影响忽视不计调调Q Q激光器的速率方程激光器的速率方程P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）依据激光器的阈值振荡条件，可得到：依据激光器的阈值振荡条件，可得到：消去时间变量消去时间变量t调调Q Q脉冲特性分析脉冲特性分析P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）对该式积分：对该式积分：Q Q开关打开时的反开关打开时的反转粒子数密度转粒子数密度Q Q开关打开时的开关打开时的光子密度光子密度调调Q Q脉冲特性分析脉冲特性分析积分结果：积分结果：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）当当 时，时，达到最大值达到最大值 ，并忽略由，并忽略由自发产生的初始光子密度，得到：自发产生的初始光子密度，得到：调调Q Q脉冲特性分析脉冲峰值功率脉冲特性分析脉冲峰值功率P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）从而输出功率最大值为：从而输出功率最大值为：即：即：越大，越大，越大，越大，则则 越大；要获得高的峰越大；要获得高的峰值功率应该设法提高值功率应该设法提高 r r 值值影响影响 的因素：的因素：1 Q开关关闭时的 越高，越大；Q开关打开时的 越低，则 越低，因此 越大；2 泵浦功率越高，越大；3 相同泵源功率下，激光上能级寿命越长，越大；P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）调调Q Q脉冲特性分析调脉冲特性分析调Q Q脉冲能量脉冲能量设激光脉冲结束时集居数反转为设激光脉冲结束时集居数反转为 在巨脉冲持续过程中激活介质放射光子总数应为在巨脉冲持续过程中激活介质放射光子总数应为腔内巨脉冲的能量为：腔内巨脉冲的能量为：输出巨脉冲的能量为：输出巨脉冲的能量为：若激光器谐振腔的效率为：若激光器谐振腔的效率为：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）调调Q Q脉冲特性分析调脉冲特性分析调Q Q脉冲能量脉冲能量输出巨脉冲的能量为：输出巨脉冲的能量为：定义定义 表示表示Q开关打开前介质内的储能开关打开前介质内的储能 表示激光器腔内储能的光能利用率表示激光器腔内储能的光能利用率则，输出巨脉冲的能量为：则，输出巨脉冲的能量为：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）调调Q Q脉冲特性分析调脉冲特性分析调Q Q脉冲脉宽脉冲脉宽调调Q Q脉冲的形成从时间上脉冲的形成从时间上可以分成四个阶段：可以分成四个阶段：1 1。储能阶段；。储能阶段；2 2。脉冲上升阶段；。脉冲上升阶段；3 3。脉冲下降阶段；。脉冲下降阶段；4 4。脉冲熄灭阶段。脉冲熄灭阶段。调调Q脉冲脉宽为：脉冲脉宽为：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）调调Q Q脉冲特性分析调脉冲特性分析调Q Q脉冲脉宽脉冲脉宽通常将调通常将调Q脉冲脉宽脉冲脉宽近似表示成调近似表示成调Q脉冲脉冲的总能量除以峰值的总能量除以峰值功率为：功率为：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）调调Q Q技术关键技术关键动态损耗：动态损耗：Q 开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证的损耗，以保证Q 开关打开之前没有激光产生；开关打开之前没有激光产生；插入损耗：插入损耗：Q 开关处于打开状态时，由开关本身引起的开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最损耗应最 小，一般会引入反射及散射损耗；小，一般会引入反射及散射损耗；开关时间，开关时间，Q 开关应有优异的开、关转换性能，快的开开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间，关时间，将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间快速衰关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间快速衰竭；竭；同步性能，同步性能，Q 开关应能够精确地限制，与外界信号保持开关应能够精确地限制，与外界信号保持同步。同步。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）调调Q Q激光器结构示意图激光器结构示意图P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）机械调机械调Q技术技术转镜调转镜调Q技术主动式技术主动式Q开关开关电光调电光调Q技术技术 主动式主动式Q开关开关声光调声光调Q技术技术 主动式主动式Q开关开关染料调染料调Q技术技术 被动式被动式Q开关开关 能够使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作能够使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作Q开关开关实现实现Q开关的方法开关的方法P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）转镜调转镜调Q激光器示意图激光器示意图旋转镜面的角度，以变更旋转镜面的角度，以变更Q值。当旋转镜面与谐振腔的另值。当旋转镜面与谐振腔的另一端面平行时，一端面平行时，Q 值最大，产生激光脉冲输出。旋转速度：值最大，产生激光脉冲输出。旋转速度：每秒每秒10,000-60,000 转，相当与每秒转，相当与每秒166-1,000 个脉冲。个脉冲。转镜调转镜调Q技术原理技术原理P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）机械调机械调Q Q技术适用于连续式激光器的调技术适用于连续式激光器的调Q Q机械调机械调Q技术的劣势：技术的劣势：较低的开关转换率，即开关时间过长；较低的开关转换率，即开关时间过长；机械调机械调Q技术的优势：技术的优势：开关元件本身无损耗；开关关闭时可以达到的开关元件本身无损耗；开关关闭时可以达到的最大损耗；简洁的运行机制；较高的牢靠性；最大损耗；简洁的运行机制；较高的牢靠性；机械调机械调Q技术的优缺点技术的优缺点P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）利用晶体的电光效应实现利用晶体的电光效应实现Q的突变的突变一般来讲，电光调一般来讲，电光调Q激光器的激光器的Q开关由起偏器和一个电光晶体组成：开关由起偏器和一个电光晶体组成：电光调电光调Q技术技术P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）Q开关开状态：开关开状态：若在某一时刻突然撤去电光晶体两端的电压，此时，谐振腔若在某一时刻突然撤去电光晶体两端的电压，此时，谐振腔的损耗很低，处于高的损耗很低，处于高Q状态，形成巨脉冲；状态，形成巨脉冲；Q开关开关关状态关状态：激光器产生的激光，经过起偏器后，变成线偏振光，若给电光激光器产生的激光，经过起偏器后，变成线偏振光，若给电光晶体一适当电压，分之一波电压，则经反射镜反射回的偏振晶体一适当电压，分之一波电压，则经反射镜反射回的偏振光将垂直偏振器的偏振方向，无法通过偏振器，此时，谐振腔光将垂直偏振器的偏振方向，无法通过偏振器，此时，谐振腔的损耗很大，处于低的损耗很大，处于低Q状态，激光器不振荡；状态，激光器不振荡；电光调电光调Q技术原理技术原理P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）有较高的动态损耗（）和插入损耗（）有较高的动态损耗（）和插入损耗（）开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到秒开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到秒，典型的，典型的Nd:YAGNd:YAG电光调电光调Q Q激光器的输出光脉冲宽度激光器的输出光脉冲宽度约为约为 nsns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器电光调电光调Q技术特点技术特点P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）声光调声光调Q技术原理图技术原理图声光调声光调Q技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调调Q任务。在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，任务。在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔具此时，腔具 有很低的有很低的Q值，值，Q开关处于关状态；在开关处于关状态；在某一特定时间，撤去某一特定时间，撤去 超声，光束则顺当通过匀整的超声，光束则顺当通过匀整的声光介质，声光介质，此时此时Q开关处于开关处于 开状态；开状态；声光调声光调Q技术原理技术原理P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）有低的动态损耗和低的插入损耗有低的动态损耗和低的插入损耗同步性能好；开关速度较慢，开关时间在同步性能好；开关速度较慢，开关时间在ns以上以上可以实现重复连续的激光脉冲输出；可以实现重复连续的激光脉冲输出；声光调声光调Q技术特点技术特点P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）利用有机材料对光的吸取系数会随着光强变更的特性利用有机材料对光的吸取系数会随着光强变更的特性来达到调来达到调Q的目的。的目的。染料调染料调Q技术原理图技术原理图染料调染料调Q技术原理技术原理P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）有极高的动态损耗（有极高的动态损耗（）和插入损耗）和插入损耗与外界信号无同步特性，属被动调与外界信号无同步特性，属被动调Q；染料调染料调Q技术的特点技术的特点P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p激光器的锁模技术激光器的锁模技术调调Q技术是压缩激光脉宽、供应峰值功率的有效技术是压缩激光脉宽、供应峰值功率的有效方法，但是受到光子平均驻腔寿命的限，利用方法，但是受到光子平均驻腔寿命的限，利用调调Q技术只能获得脉宽为毫微秒量级的激光脉冲；技术只能获得脉宽为毫微秒量级的激光脉冲；利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光利用锁模技术可以获得皮秒和飞秒量级的激光脉冲。脉冲。P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p激光器的锁模技术激光器的锁模技术无锁模激光器的输出功率与频率无锁模激光器的输出功率与频率锁锁模模技技术术的的基基本本原原理理P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）瞬时输出功率是这些模式无规则的叠加，输出功率随瞬时输出功率是这些模式无规则的叠加，输出功率随时间无规则起伏。时间无规则起伏。无锁模激光器的输出功率与时间无锁模激光器的输出功率与时间p激光器的锁模技术激光器的锁模技术P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔保持确定，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔确定的超短脉冲，这种技术称为锁模技术。p激光器的锁模技术激光器的锁模技术P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）假设在某位置（假设在某位置（z z）处，第）处，第q q个纵模的输出光场：个纵模的输出光场：锁模的基本原理锁模的基本原理通常状况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个模式的通常状况下，激光器内有多个纵模同时起振，各个模式的振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是互不相干的。振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是互不相干的。由于各纵模间是不相干，输出平均光强可表示为诸模光强由于各纵模间是不相干，输出平均光强可表示为诸模光强的简洁和的简洁和P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）假如各振荡纵模的相位被锁定，即振荡模的频率间隔保持假如各振荡纵模的相位被锁定，即振荡模的频率间隔保持确定，初始相位关系亦保持确定，那么激光器的输出光强确定，初始相位关系亦保持确定，那么激光器的输出光强由于诸模相干叠加的结果将发生很大的变更。由于诸模相干叠加的结果将发生很大的变更。q q个模式合成的电场强度为：个模式合成的电场强度为：设每个模式的振幅相等，得到各个纵模被锁定时的合成光场设每个模式的振幅相等，得到各个纵模被锁定时的合成光场振幅为：振幅为：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）当当 时，峰值平均光强为：时，峰值平均光强为：合成光场的光强为：合成光场的光强为：锁模的基本原理锁模的基本原理P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）1.激光器在给定空间点处的光场为振幅受到调制的、频率激光器在给定空间点处的光场为振幅受到调制的、频率为为 的单色正弦波。的单色正弦波。2.2.当当 时，为光强最大值：时，为光强最大值：可见锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的提高了可见锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的提高了N倍。倍。纵模锁定激光器的输出特性分析纵模锁定激光器的输出特性分析P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）3.3.两个主脉冲之间的时间间隔为单个脉冲在腔内来回一次的两个主脉冲之间的时间间隔为单个脉冲在腔内来回一次的时间：时间：4.两个锁模主脉冲之间有（两个锁模主脉冲之间有（N-1)个零点，（个零点，（N-2)个次极大个次极大值。主脉冲宽度为：值。主脉冲宽度为：P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）主动锁模主动锁模 振幅调制锁模振幅调制锁模 位相调制锁模位相调制锁模被动锁模被动锁模同步泵浦锁模同步泵浦锁模注入锁模注入锁模对撞锁模对撞锁模实现锁模的方法实现锁模的方法P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）如图所示，在激光器谐振腔内安置一振幅或相位调制器，如图所示，在激光器谐振腔内安置一振幅或相位调制器，适当限制调制频率和调制深度可以实现激光器的纵模锁适当限制调制频率和调制深度可以实现激光器的纵模锁定。定。主动锁模主动锁模P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）在腔内安置振幅调制器使腔损耗发生角频率为在腔内安置振幅调制器使腔损耗发生角频率为 的正弦的正弦周期变更，其目的有二：周期变更，其目的有二：1.从频域角度来看，腔损耗的正弦调制使频率为从频域角度来看，腔损耗的正弦调制使频率为 的纵模的纵模又产生频率为又产生频率为 、初始相位不变的两个边频带，继、初始相位不变的两个边频带，继而这两个边频又产生新的频率为而这两个边频又产生新的频率为 的纵模振荡。如此的纵模振荡。如此下去，全部可振荡的纵模皆有相同的初始相位，彼此间又下去，全部可振荡的纵模皆有相同的初始相位，彼此间又保持频率差保持频率差 ，它们相干的结果使激光器得到锁模序列光，它们相干的结果使激光器得到锁模序列光脉冲输出。脉冲输出。2.调制器可等效为一个调制器可等效为一个“光闸光闸”，每隔，每隔T时间打开一次，使激时间打开一次，使激光器输出周期正好等于调制周期光器输出周期正好等于调制周期T的锁模脉冲序列。的锁模脉冲序列。主动锁模的工作原理主动锁模的工作原理P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）p激光器半经典理论概述激光器半经典理论概述*半经典理论的基本思想：半经典理论的基本思想：激光腔内光场的运动用经典电动力学的麦克斯激光腔内光场的运动用经典电动力学的麦克斯韦方程组描写，激活介质原子的运动用量子力学的韦方程组描写，激活介质原子的运动用量子力学的薛定锷方程描写。场对介质的作用表现为薛定锷方薛定锷方程描写。场对介质的作用表现为薛定锷方程中的微扰哈密顿量，场的扰动使原子的运动状态程中的微扰哈密顿量，场的扰动使原子的运动状态发生变更，在宏观上就表现为介质的感应电极化效发生变更，在宏观上就表现为介质的感应电极化效应；介质对光场的作用则归结为麦克斯韦方程组中应；介质对光场的作用则归结为麦克斯韦方程组中的感应电极化强项，极化作为场源或增益源而使场的感应电极化强项，极化作为场源或增益源而使场发生变更。在激光器内，光场与介质相互作用反复发生变更。在激光器内，光场与介质相互作用反复进行并在腔内形成自洽场，此时介质极化强度产生进行并在腔内形成自洽场，此时介质极化强度产生的场等于产生极化强度的场。的场等于产生极化强度的场。本节以自学为主，见课本本节以自学为主，见课本P390-410P物理与光电信息科技学院激光原理与技术(第六章）第六章）1.说说调说说调Q激光器的速率方程。激光器的速率方程。2.由三能级激光系统的速率方程导出激光器弛豫振荡频由三能级激光系统的速率方程导出激光器弛豫振荡频率和阻尼衰减速率与激光器参数的