激光技术资料优秀PPT.ppt

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1、激光脉冲技术激光脉冲技术激光脉冲技术激光脉冲技术 一般激光器输出的光脉冲只是一群宽度只有微秒量级、强度不同的小一般激光器输出的光脉冲只是一群宽度只有微秒量级、强度不同的小尖峰脉冲序列。尖峰脉冲序列。激光短脉冲技术包括：激光调激光短脉冲技术包括：激光调Q Q技术和激光锁模技术。技术和激光锁模技术。脉冲激光器的尖峰效应脉冲激光器的尖峰效应 不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光 脉冲的脉冲的宽度大约是宽度大约是msms的数量级。而且这个脉冲并不是平滑的，包含着很多宽度的数量级。而且这个脉冲并不是平滑的，包含着很多宽度更窄的短脉冲序列

2、，其中每一个短脉冲宽度只在微秒量级，而且随着激更窄的短脉冲序列，其中每一个短脉冲宽度只在微秒量级，而且随着激励的增加短脉冲的时间间隔越小。这种现象被人称做弛豫振荡效应或尖励的增加短脉冲的时间间隔越小。这种现象被人称做弛豫振荡效应或尖峰振荡效峰振荡效 一个短脉冲的形成和消逝一个短脉冲的形成和消逝,可以由激光系统反转粒可以由激光系统反转粒子数密度的增减变更来说明子数密度的增减变更来说明.造成系统反转粒子数密造成系统反转粒子数密度增加的因素是光泵的激励，其增加速率在一个短脉度增加的因素是光泵的激励，其增加速率在一个短脉冲的长消过程中可以看成是不变的。使反转粒子数密冲的长消过程中可以看成是不变的。使反

3、转粒子数密度削减的因素是受激辐射，其削减速率则因腔内光子度削减的因素是受激辐射，其削减速率则因腔内光子数密度的多少而变更。数密度的多少而变更。一个短脉冲的生成过程可以分成四个阶段。如图所示一个短脉冲的生成过程可以分成四个阶段。如图所示:第一阶段为 。起始时，光泵激励使反转粒子数密度 增加。在 时，受激辐射尚未起先，所以 的增长速率占优势。当 达到阈值时，起先产生激光，激光器内光子数密度 急剧增加。由于是受激辐射，所以 的削减速率也渐渐变大。只要光泵造成的增加速率还大于受激辐射造成的削减速率时，仍旧在增加，直到 时二速率相等，达到了极值。其次阶段为 。在 以后，此阶段 仍成立。所以激光接着产生，

4、腔内光子数密度 仍急剧增加。受激辐射造成的 削减速率也接着变大，于是就超过了光泵激励造成的增加速率，这时 起先减小。到 时又回到阈值。第三阶段为第三阶段为 。时间过。时间过 之后，又有之后，又有 成立。但成立。但 仍大于零，受激辐射并末停止。这样就造仍大于零，受激辐射并末停止。这样就造成两种后果：一是此时成两种后果：一是此时 ，即增益小于损耗腔，即增益小于损耗腔内光子数密度必急剧削减；二是由于受激辐射的存在，内光子数密度必急剧削减；二是由于受激辐射的存在，将接着削减。此两者综合结果是将接着削减。此两者综合结果是 的削减速率逐惭变的削减速率逐惭变小了。等到小了。等到 时，时，削减速率又等于光泵激

5、励所造成削减速率又等于光泵激励所造成的增加速率。的增加速率。第四阶段为第四阶段为 。时可经。时可经 之后，之后，的增加速的增加速率又占了优率又占了优 势等到势等到 时，时，又达到阂值又达到阂值 之后，其之后，其次个尖脉冲又得以重复。在整个光泵激励时间内，这次个尖脉冲又得以重复。在整个光泵激励时间内，这种过程要多次反复发生，这就形成了一连串的尖峰结种过程要多次反复发生，这就形成了一连串的尖峰结构。且光泵功率越大，尖峰形成就越快，尖峰的时间构。且光泵功率越大，尖峰形成就越快，尖峰的时间间隔就越小。间隔就越小。由上述的尖峰结构可见，脉冲激光输出具有如下几个特点：由上述的尖峰结构可见，脉冲激光输出具有

6、如下几个特点：由上述的尖峰结构可见，脉冲激光输出具有如下几个特点：由上述的尖峰结构可见，脉冲激光输出具有如下几个特点：(1)(1)总在总在总在总在 旁边振荡变更，旁边振荡变更，旁边振荡变更，旁边振荡变更，的总水平不高，因此，增益也的总水平不高，因此，增益也的总水平不高，因此，增益也的总水平不高，因此，增益也就达不到较高的值总输出水平不会太高。就达不到较高的值总输出水平不会太高。就达不到较高的值总输出水平不会太高。就达不到较高的值总输出水平不会太高。(2)(2)在光泵灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间较早，在光泵灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间较早，在光泵灯闪光的整个时间宽度中，激光出

7、现的时间较早，在光泵灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间较早，结束较晚，也就是指整个激光脉冲宽度很宽。结束较晚，也就是指整个激光脉冲宽度很宽。结束较晚，也就是指整个激光脉冲宽度很宽。结束较晚，也就是指整个激光脉冲宽度很宽。(3)(3)激光脉冲不够平滑。激光脉冲不够平滑。激光脉冲不够平滑。激光脉冲不够平滑。调Q(Q开关)技术调Q(Q开关)技术两个基本问题：一、调Q技术的基本概念和基本理论二、实现调Q技术的方法：1.电光调Q；2.声光调Q；3.染料调Q；4.色心晶体调Q；5.转镜调Q。概述一、调一、调Q Q技术的目的：技术的目的：n n压缩脉冲宽度，提高峰值功率。压缩脉冲宽度，提高峰值功率。二、

8、一般固体脉冲激光器的输出特性 1.输出的脉冲是系列尖峰振荡 激光器在阈值旁边工作。2.脉宽比较宽，输出功率低 三、调Q原理 1.定义：Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标-品质因数。Q值-定义为在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。式中W-腔内储存的总能量，dW/dt-光子能量的损耗速率，即单位时间内损耗的能量。-激光的中心频率。2调整Q值的途径 一般实行变更腔内损耗的方法来调整腔内的Q值。n n 3 3调调Q Q技术的过程技术的过程 n n (1)(1)能量贮存过程能量贮存过程n n a.a.激活介质贮能激活介质贮能n n 当光泵的能量被激光介质吸取后，使激活当光泵

9、的能量被激光介质吸取后，使激活离子贮存在激活介质的高能态上（该能级有确定离子贮存在激活介质的高能态上（该能级有确定的寿命）。不产生激光辐射从而使反转粒子数的寿命）。不产生激光辐射从而使反转粒子数达到最大值。实现这一过程，满足的条件：达到最大值。实现这一过程，满足的条件：n n 达到最大值，增益达到最大，而达到最大值，增益达到最大，而 很大，很大，使阈值高，满足使阈值高，满足 ，激光不振荡，激光不振荡，Q Q低。低。n n b.b.激活介质谐振腔组合贮能激活介质谐振腔组合贮能n n先是使反转粒子数达到最大值先是使反转粒子数达到最大值,但满足但满足 然后使然后使 产生激光又以光子的形式贮产生激光又

10、以光子的形式贮存在腔内。存在腔内。(2)(2)激光产生与输出过程激光产生与输出过程 条件：条件：,减小到减小到 ,Q ,Q达到最高。达到最高。因为增益最大，所以因为增益最大，所以 小时，激光快速建立，小时，激光快速建立，在极短的时间内，工作物质贮能通过光子的受激在极短的时间内，工作物质贮能通过光子的受激辐射过程释放出来，形成巨脉冲。调辐射过程释放出来，形成巨脉冲。调Q Q的过程：的过程：调整调整 ，相当于，相当于Q Q是一个门，关上门，是一个门，关上门，Q Q低贮低贮能，打开门产生激光。能，打开门产生激光。三、三、Q Q开关激光器的特点开关激光器的特点 1.1.通过变更变更通过变更变更Q Q值

11、值变更阈值，限制激光产生的时间。变更阈值，限制激光产生的时间。2.2.两阶段两阶段 （1 1）储能阶段（延迟时间）储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值。反转粒子数达最大值。（2 2）激光产生输出）激光产生输出 忽视泵浦和自发辐射的影响。忽视泵浦和自发辐射的影响。3.3.开关时间开关时间 从从Q Q值最小变到最大值最小变到最大Q Q值即损耗从最大变到最小须要值即损耗从最大变到最小须要的时间叫开关时间。的时间叫开关时间。开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小分为快、慢两种类型。小分为快、慢两种类型。1 转镜调转镜调Q技术技术将激光器光学谐振腔两

12、个反射镜之一安装在一个旋转轴,使其在每一转动周期中,只有当两个反射镜平行时损耗最小,因而通过限制旋转镜,从而限制光腔的反射损耗-调Q2 电光晶体调电光晶体调Q 电光晶体调电光晶体调Q Q原理原理 利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调整腔内光子的反射损耗。电压，调整腔内光子的反射损耗。例如：接受例如：接受KDPKDP纵向运用方式，即纵向运用方式，即Z Z向加电场，向加电场，Z Z向通光向通光 n n 第一阶段是在晶体上加第一阶段是在晶体上加 。偏振光通过。偏振光通过KDPKDP晶体时分解为沿晶体时分解为沿X X和和Y Y方向振动的振幅相等的方向振动

13、的振幅相等的两束光，两束光的振动方向垂直，频率相同，沿两束光，两束光的振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播时，其合成的规迹由两光的相位差相同方向传播时，其合成的规迹由两光的相位差来确定，当来确定，当 时，两束光合成为一线偏光，时，两束光合成为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原振动方向旋转它的振动方向相对入射光的原振动方向旋转9090度。度。因为因为P1/P2P1/P2，所以，从晶体出来的光不能通过，所以，从晶体出来的光不能通过P2P2，被，被P2P2反射掉。所以光不能在腔内来回传播形成反射掉。所以光不能在腔内来回传播形成振荡。这就相当于腔内光子的损耗很大，振荡。这就相当于腔内光子的损耗很大

14、，Q Q值很值很高，称为高，称为“关门关门”状态。状态。n n （2）其次阶段：脉冲形成阶段Q开关完全打开 在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值 时，突然退去晶体上的电压，这时晶体又复原了原来的状态，光在腔内形成振荡。（3 3）激光器的时序关系）激光器的时序关系 电光电光Q Q开关的过程由晶体上加一阶跃式电压来完成的。开关的过程由晶体上加一阶跃式电压来完成的。是快开关，因此时序关系同阶跃式是快开关，因此时序关系同阶跃式Q Q开关。开关。（4 4）电光晶体）电光晶体Q Q开关的电路开关的电路 要获得一高峰值功率的窄脉冲，对同步电路的要求要获得一高峰值功率的窄脉冲，对同步电路的要求是：是：a

15、a 给出牢靠的触发信号去点燃氙灯。给出牢靠的触发信号去点燃氙灯。b b在点燃氙灯的同时，给出一脉冲信号经过一段延迟时在点燃氙灯的同时，给出一脉冲信号经过一段延迟时间后，退去晶体上的电压，打开间后，退去晶体上的电压，打开Q Q开关。延迟时间牢靠、开关。延迟时间牢靠、精确、可调。精确、可调。c c退电压要快退电压要快开关速度快。开关速度快。d d晶体上加晶体上加 电压，要求稳定可调。电压，要求稳定可调。e e保证保证Q Q开关关的刚好。开关关的刚好。n n2 2简化的结构：简化的结构：n n 前面的结构在晶体上加前面的结构在晶体上加 ，对于，对于KDPKDP来来说说=10000V=10000V，给

16、电路带来不便。腔内插入两个偏，给电路带来不便。腔内插入两个偏振片，增加插入损耗，改进结构。晶体上加振片，增加插入损耗，改进结构。晶体上加 ：从从YAGYAG来的光通过来的光通过P P变成变成x(y)x(y)方向振动的光，通过方向振动的光，通过KDPKDP时，分成时，分成x(y)x(y)方向振动的光，加方向振动的光，加 ，两束光，两束光的相位差的相位差 。出射晶体以后，合成为圆偏光。出射晶体以后，合成为圆偏光（偏振面旋转（偏振面旋转4545度），这束圆偏光通过全反射后度），这束圆偏光通过全反射后其次次通过其次次通过KDPKDP，o o、e e光又得到光又得到 相位差相位差合成为线偏光。线偏光的偏

17、振方向和入射光的偏合成为线偏光。线偏光的偏振方向和入射光的偏振方向成振方向成9090度，或者说光通过度，或者说光通过KDPKDP两次，两次，o o、e e光光的相位差的相位差 ，和前面的结构实际是一样的。，和前面的结构实际是一样的。3 声光调声光调Q 一、声光调Q原理：1.声光调Q：声光介质在超声波的作用下，折射率发生周期性变更，使介质变成正弦相位光栅，当光通过这样的介质时，发生衍射。二、声光二、声光Q Q开关的结构开关的结构声光声光Q Q开关的结构开关的结构:换能器、声光介质、吸取器三个换能器、声光介质、吸取器三个部分组成，部分组成，三、声光三、声光Q Q开关的应用开关的应用 由于声光由于声

18、光Q Q开关须要的调制电压很低，一般小于开关须要的调制电压很低，一般小于200V200V，声光，声光Q Q开关最大优点是用于高重复频率的开关最大优点是用于高重复频率的Q Q开关激光器。开关激光器。在连续激光器中加入声光在连续激光器中加入声光Q Q开关，可以得到高重复频率的开关，可以得到高重复频率的调调Q Q脉冲。脉冲。特点：特点：优点：声光优点：声光Q Q开关是快开关，可以获得开关是快开关，可以获得10001000次次/秒以上的高重秒以上的高重复率的激光脉冲，而且脉冲的重复性很好。复率的激光脉冲，而且脉冲的重复性很好。缺点：只用于低增益的连续激光器，对于高增益的激光器，缺点：只用于低增益的连续

19、激光器，对于高增益的激光器，开关实力差，简洁开关实力差，简洁“关不死门关不死门”。脉宽比较宽，开关速度。脉宽比较宽，开关速度比电光比电光Q Q开关慢。开关慢。5 被动式可饱和吸取调被动式可饱和吸取调Q 一、可饱和吸取染料调一、可饱和吸取染料调Q Q的基本原理的基本原理 利用一种可饱和吸取体做为利用一种可饱和吸取体做为Q Q开关，这种可开关，这种可饱和吸取染料是一种非线性吸取物质，把它放在饱和吸取染料是一种非线性吸取物质，把它放在谐振腔内，利用它对光的可饱和吸取特性来变更谐振腔内，利用它对光的可饱和吸取特性来变更谐振腔内的吸取损耗，起到谐振腔内的吸取损耗，起到Q Q开关的作用。开关的作用。1.1

20、.可饱和吸取体的吸取特性。可饱和吸取体的吸取特性。可饱和吸取体是一种非线性吸取物质。假设可饱和吸取体是一种非线性吸取物质。假设一束光通过吸取物质时，吸取系数为一束光通过吸取物质时，吸取系数为 ，透过率，透过率 ，吸取率为，吸取率为 ，则，则 则则 n n2 2饱和吸取原理饱和吸取原理n n 染料具有饱和吸取的原理可以用能级跃迁染料具有饱和吸取的原理可以用能级跃迁的量子理论来说明。吸取物质初始状态：染料分的量子理论来说明。吸取物质初始状态：染料分子处于基态，子处于基态，-二能级系统。二能级系统。N N吸取物质总粒子密度；吸取物质总粒子密度；n1 n1、n2n2分别是高能态，基分别是高能态，基态粒

21、子密度。态粒子密度。n n 染料从基态到高能态吸取光子，故初始染料从基态到高能态吸取光子，故初始 大。当染料吸取光强从基态到高能态时，则大。当染料吸取光强从基态到高能态时，则n1n1减减小，小，n2 n2增加。染料的吸取存在两过程增加。染料的吸取存在两过程 n n 吸取体对入射光强的变更应是这两个过程吸取体对入射光强的变更应是这两个过程的综合过程。高能态粒子越多，则吸取光强越少。的综合过程。高能态粒子越多，则吸取光强越少。即即n2n2增加，增加，下降。当高能态粒子数下降。当高能态粒子数n2n2和基态粒和基态粒子数子数n1n1相等时，这时从低能态到高能态的受激跃相等时，这时从低能态到高能态的受激

22、跃迁的粒子数和从高能态到基态放出光子的粒子数迁的粒子数和从高能态到基态放出光子的粒子数相等。即吸取的和放出的光子相等。达到饱和。相等。即吸取的和放出的光子相等。达到饱和。二、染料调二、染料调Q Q激光器激光器 1.1.染料染料Q Q开关激光器型式开关激光器型式 两种，染料盒和全反射镜合为一体，利用两种，染料盒和全反射镜合为一体，利用染料盒的后壁做全反镜。在锁模中用。染料盒的后壁做全反镜。在锁模中用。染料盒单独放在腔内，这种机构留意避开染染料盒单独放在腔内，这种机构留意避开染料盒的表面和反射镜之间形成寄生振荡。一般染料盒的表面和反射镜之间形成寄生振荡。一般染料盒倾斜一个小角度料盒倾斜一个小角度

23、，也可以倾斜布儒，也可以倾斜布儒斯特角。斯特角。n n2.2.染料染料Q Q开关的工作过程开关的工作过程n n （1 1）、阶段，阶段，积累积累n n a.a.初始态，氙灯未点燃，腔内初始态，氙灯未点燃，腔内u u0 0，染料，染料 很大，很大，染料分子处于基态；染料分子处于基态；b b氙灯点燃，工作物质起先积累，氙灯点燃，工作物质起先积累，这时工作物质的上能级自发辐射产生的荧光被染料分子吸这时工作物质的上能级自发辐射产生的荧光被染料分子吸取，取，但但u u小，都被染料吸取，损耗很大。低小，都被染料吸取，损耗很大。低Q Q高高损耗，激光不能形成振荡。损耗，激光不能形成振荡。n n （2 2）激

24、光形成与输出阶段）激光形成与输出阶段n n a.a.随着荧光的不断被染料吸取，则随着荧光的不断被染料吸取，则 ，即腔内即腔内的损耗不断下降，当下降到的损耗不断下降，当下降到 时，激光到达阈值，起时，激光到达阈值，起先振荡先振荡Q Q开关打开。开关打开。n n b.b.激光达到激光达到 阈值起先振荡，因此腔内激光密度阈值起先振荡，因此腔内激光密度u u很强，很强，染料很快达到饱和，染料很快达到饱和，染料无吸取损耗，染料无吸取损耗，Q Q开关完全开关完全打开输出一巨脉冲。打开输出一巨脉冲。三、影响调三、影响调Q Q的效果的因素的效果的因素 主要探讨吸取体、输入能量、吸取体浓度对调主要探讨吸取体、输

25、入能量、吸取体浓度对调Q Q效果效果的影响。的影响。1.1.染料吸取体染料吸取体 吸取体是染料吸取体是染料Q Q开关的核心，它对调开关的核心，它对调Q Q的效果影响最的效果影响最大。因此合理的选择染料很重要，并不是什么样的染料都大。因此合理的选择染料很重要，并不是什么样的染料都可以做调可以做调Q Q开关，而且不同的工作物质所须要的染料不同。开关，而且不同的工作物质所须要的染料不同。染料需满足下面条件：染料需满足下面条件：（1 1）吸取体的吸取峰和激光器的中心波长对应）吸取体的吸取峰和激光器的中心波长对应 （2 2）染料配成溶液要具有确定的稳定性。）染料配成溶液要具有确定的稳定性。（3 3）选择

26、的染料必需有高的开关效率。）选择的染料必需有高的开关效率。n n2.2.染料浓度的影响染料浓度的影响n n （1 1）染料浓度）染料浓度N N大大n n 基态基态n1n1大，初大，初 始大，当染料饱和时始大，当染料饱和时n1=n2n1=n2，从基态的粒子激发到高能态达到饱和时吸取的光强多从基态的粒子激发到高能态达到饱和时吸取的光强多饱和光强大，因此染料从初态到饱和须要的时间长饱和光强大，因此染料从初态到饱和须要的时间长延延迟时间长。迟时间长。n n 假如假如N N过大，饱和光强大，腔内的光强不能使染料过大，饱和光强大，腔内的光强不能使染料达到饱和，这时染料起不到达到饱和，这时染料起不到Q Q开

27、关的作用。开关的作用。n n （2 2）染料的浓度小）染料的浓度小n n N N小，小，小，延迟时间短小，延迟时间短 小，输出功率小。小，输出功率小。由于由于Q Q开关打开的时间早，简洁出现多脉冲。假如开关打开的时间早，简洁出现多脉冲。假如N N过小，过小，则事实上是尖峰振荡。则事实上是尖峰振荡。n n 结论：在确定的输入能量下，存在一个最佳浓度，延迟结论：在确定的输入能量下，存在一个最佳浓度，延迟时间正好使时间正好使 达到最大值。此时激光器输出单脉冲，峰达到最大值。此时激光器输出单脉冲，峰值功率最高。值功率最高。n n3.3.输入能量输入能量n n 确定的输入能量对应一个最佳浓度。输入能量变

28、确定的输入能量对应一个最佳浓度。输入能量变更，最佳浓度变，当输入能量增加时，最佳浓度向着浓的更，最佳浓度变，当输入能量增加时，最佳浓度向着浓的方向移动。因为输入能量的变更，相当于腔内光强变更，方向移动。因为输入能量的变更，相当于腔内光强变更，延迟时间变更，延迟时间变更，变。变。n n4.4.染料盒的影响染料盒的影响n n，n n 若若l l（盒的厚度）变，则（盒的厚度）变，则 确定时（确定时（确定），最佳确定），最佳浓度浓度N N变，变，l l 小，小，N N大，对于稳定的脉冲输出是有利的。溶大，对于稳定的脉冲输出是有利的。溶剂的比例小，因此溶剂的吸取损耗小。一般尽量选薄一些剂的比例小，因此溶

29、剂的吸取损耗小。一般尽量选薄一些的染料盒（的染料盒（1mm1mm左右）。左右）。n n5.5.输出镜反射率的影响输出镜反射率的影响n n 反射率反射率R R大，腔内大，腔内u u高；高；R R小，腔内小，腔内u u小（在相同输小（在相同输入能量下，入能量下，R R大延迟时间短）。大延迟时间短）。R R对延迟时间有影响。对延迟时间有影响。R R比比静态激光器低，使延迟时间更长，利于静态激光器低，使延迟时间更长，利于 的积累。的积累。四、染料四、染料Q Q开关的特点开关的特点 优点：优点：1.1.简洁便利。这种简洁便利。这种Q Q开关只要配好溶开关只要配好溶液放在染料盒内，或做成染料片成品。放谐振

30、腔液放在染料盒内，或做成染料片成品。放谐振腔中即可。而电光调中即可。而电光调Q Q中还须要一套电路系统限制中还须要一套电路系统限制Q Q开关。开关。2.2.速度快。染料速度快。染料Q Q开关属于快开关。一般开关属于快开关。一般10-9nS10-9nS量级。量级。3.3.自动实现开关和增益的调谐。自动实现开关和增益的调谐。4.4.具有选模的作用。在中心频率旁边的模式，增益具有选模的作用。在中心频率旁边的模式，增益高，先振荡，消耗；而增益低的模式被抑止（在高，先振荡，消耗；而增益低的模式被抑止（在漂白前）。漂白后，其他模能够振荡。漂白前）。漂白后，其他模能够振荡。缺点：缺点：1.1.同步精度差。不

31、须要同步装置同步精度差。不须要同步装置简简洁，但要得到很好的调洁，但要得到很好的调Q Q效果须要经过反复试验。效果须要经过反复试验。而实际要求和而实际要求和Q Q开关激光器同步，染料开关激光器同步，染料Q Q开关不能开关不能运用。运用。2.2.稳定性差。染料的溶液不稳定，影响输稳定性差。染料的溶液不稳定，影响输出的功率不稳定。出的功率不稳定。3.3.输出功率不能很大。因为染输出功率不能很大。因为染料调料调Q Q激光器事实上在阈值旁边工作。因此染料激光器事实上在阈值旁边工作。因此染料Q Q开关激光器适用于同步精度要求不高，稳定性要开关激光器适用于同步精度要求不高，稳定性要求不高的实际应用。求不高

32、的实际应用。LiFLiF可饱和吸取晶体可饱和吸取晶体Q Q开关开关 1.1.工作原理：工作原理：LiFLiF晶体是无色透亮晶体，不能做晶体是无色透亮晶体，不能做Q Q开关晶体开关晶体用，但当它经过射线辐射后就可以产生色心，起先变为棕用，但当它经过射线辐射后就可以产生色心，起先变为棕红色。随着辐射剂量的大小不同，其着色的深浅也不同，红色。随着辐射剂量的大小不同，其着色的深浅也不同，产生不同的色心产生不同的色心FF，F2F2，心等。由于色心不同，心等。由于色心不同，吸取谱产生了明显的变更。吸取谱产生了明显的变更。利用利用LiFLiF色心晶体在色心晶体在NdNd：YAGYAG激光器及红宝石激光器中实

33、现调激光器及红宝石激光器中实现调Q Q。n n2.2.特点特点n n （1 1）被动式）被动式Q Q开关，利用开关，利用LiFLiF色心晶体可饱和吸色心晶体可饱和吸取的特点。取的特点。n n （2 2）作为）作为Q Q开关，晶体相对于染料长期稳定性好，开关，晶体相对于染料长期稳定性好，光学质量好，抗光损伤阈值高。光学质量好，抗光损伤阈值高。一、调一、调Q Q技术的基本概念和基本理论技术的基本概念和基本理论 实现调实现调Q Q的方法的方法机、电、声、染料机、电、声、染料 1.1.调调Q Q 的目的，的目的，Q Q的物理意义，如何实现调的物理意义，如何实现调Q Q 调调Q Q的目的：压缩脉冲宽度。

34、的目的：压缩脉冲宽度。调调Q Q激光器用于很多方面：阴影照相，测量高速激光器用于很多方面：阴影照相，测量高速运动的物体速度运动的物体速度;全息照相，对运动物体拍照全息照相，对运动物体拍照 2.2.基本理论基本理论 （1 1）能利用速率方程分析调）能利用速率方程分析调Q Q的过程的过程 （2 2）峰值功率和脉冲宽度）峰值功率和脉冲宽度 （3 3）开关效率）开关效率二、实现调二、实现调Q Q的方法的方法 1.1.电光晶体调电光晶体调Q Q (1)(1)反射式反射式Q Q开关原理，利用晶体的电光效应，在晶体上开关原理，利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，变更加一阶跃式电压，变更Q Q值。值。

35、(2)(2)透射式透射式Q Q开关，三阶段：开关，三阶段：a.a.粒子积累，粒子积累，b.b.激光产生，激光产生，c.c.激光输出。激光输出。2.2.声光调声光调Q Q：利用布拉格衍射，行波。：利用布拉格衍射，行波。3.3.可饱和吸取体调可饱和吸取体调Q Q (1)(1)染料可饱和吸取特性染料可饱和吸取特性 染料吸取率是光强的函数，初时的吸取率很大，光染料吸取率是光强的函数，初时的吸取率很大，光强增大，吸取率削减，吸取率为强增大，吸取率削减，吸取率为0 0，染料饱和。，染料饱和。(2)(2)染料染料Q Q开关激光器开关激光器n n (3)(3)影响的因素影响的因素n n a.a.染料的选择：中

36、心波长、稳定、提高开关染料的选择：中心波长、稳定、提高开关效率等效率等n n b.b.染料的浓度，最佳浓度。染料的浓度，最佳浓度。n n c.c.输入能量，确定的输入能量对应一最佳浓输入能量，确定的输入能量对应一最佳浓度。度。n n d.d.染料合，薄。染料合，薄。n n e.e.镜的反射率。镜的反射率。n n 4.LiF 4.LiF色心晶体色心晶体Q Q开关开关n n 5.5.转镜调转镜调Q Q模式选择技术模式选择技术l l横模选择原理和方法横模选择原理和方法l l纵模选择原理和方法纵模选择原理和方法l l模式的测量方法模式的测量方法 l l目的：削减激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性

37、。目的：削减激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。目的：削减激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。目的：削减激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。l l模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。模式：在腔内可能存在的稳定光场的本征态，包括纵模和横模。l l纵纵纵纵模模模模：沿沿沿沿腔腔腔腔轴轴轴轴线线线线方方方方向向向向电电电电磁磁磁磁场场场场的的的的本本本本征征征征态态态态。纵纵纵纵模模模模数数数数表表表表示示示示激激激激光光光光振振振振荡荡荡荡频频频频率

38、数，纵模数多，单色性差。单一纵模单色性最好。率数，纵模数多，单色性差。单一纵模单色性最好。率数，纵模数多，单色性差。单一纵模单色性最好。率数，纵模数多，单色性差。单一纵模单色性最好。l l横横横横模模模模：在在在在腔腔腔腔中中中中垂垂垂垂直直直直腔腔腔腔轴轴轴轴方方方方向向向向的的的的电电电电磁磁磁磁场场场场的的的的本本本本征征征征态态态态。不不不不同同同同的的的的横横横横模模模模，光光光光场场场场分分分分布布布布不不不不同同同同，光光光光束束束束的的的的发发发发散散散散角角角角不不不不同同同同。基基基基横横横横模模模模光光光光强强强强是是是是高高高高斯斯斯斯形形形形，光光光光场场场场分分分分

39、布布布布匀匀匀匀整整整整，发发发发散散散散角角角角最最最最小小小小。随随随随着着着着横横横横模模模模序序序序数数数数的的的的增增增增加加加加，光光光光场场场场的的的的范范范范围围围围加加加加大大大大，分分分分布布布布不不不不匀匀匀匀整整整整，发发发发散散散散角角角角越越越越来来来来越越越越大大大大。一一一一般般般般激激激激光光光光器器器器中中中中有有有有很很很很多多多多模模模模式式式式振振振振荡荡荡荡，实实实实际际际际的的的的光光光光场场场场分分分分布布布布是是是是复复复复合合合合模模模模。为为为为了了了了改改改改善善善善激激激激光光光光的的的的方方方方向向向向性性性性，必需选出基横模。必需选

40、出基横模。必需选出基横模。必需选出基横模。l l改善激光的方向性，提高单色性是实际应用的要求。改善激光的方向性，提高单色性是实际应用的要求。改善激光的方向性，提高单色性是实际应用的要求。改善激光的方向性，提高单色性是实际应用的要求。l l 激光打孔。激光打孔。激光打孔。激光打孔。激光全息、精密干涉计量要求单色性好。激光全息、精密干涉计量要求单色性好。激光全息、精密干涉计量要求单色性好。激光全息、精密干涉计量要求单色性好。横模选择技术横模选择技术 n n有关理论有关理论:n n在稳定腔中，接受衍射理论选在稳定腔中，接受衍射理论选 模模 n n1.1.两条原则两条原则 n n 模的衍射损耗模的衍射

41、损耗 要小。要小。n n必需尽量增大必需尽量增大 和和 模衍射损耗的比值模衍射损耗的比值 n n。n n总之：原则上是实行确定的方法加大基模和高阶横总之：原则上是实行确定的方法加大基模和高阶横模衍射损耗的差别，使高阶横模的损耗大于增益不能模衍射损耗的差别，使高阶横模的损耗大于增益不能振荡，而基模满足阈值条件，保存下来，达到选出基振荡，而基模满足阈值条件，保存下来，达到选出基横模的目的。横模的目的。2.2.影响衍射损耗的因素影响衍射损耗的因素与腔型和与腔型和g g参数有关，不同的腔型和参数有关，不同的腔型和g g，衍射损耗不同。，衍射损耗不同。同一种腔型，不同横模，衍射损耗不同。同一种腔型，不同

42、横模，衍射损耗不同。模模 最小，随着模序数增加，最小，随着模序数增加，越来越大。越来越大。同一种腔型，菲涅尔数同一种腔型，菲涅尔数 不同，衍射损耗不同。不同，衍射损耗不同。在不同N，g下，和 模的衍射损耗曲线，这是选模的设计依据。3.3.基模体积基模体积模体积表示某一模式在腔内所扩展的空间范围。一个模模体积表示某一模式在腔内所扩展的空间范围。一个模式体积的大小表示了对该模的振荡有贡献的反转粒子数式体积的大小表示了对该模的振荡有贡献的反转粒子数的多少，因而输出功率大小。为了使选出的基模获得大的多少，因而输出功率大小。为了使选出的基模获得大的输出功率，必需考虑基模体积和哪些因素有关。的输出功率，必

43、需考虑基模体积和哪些因素有关。基模体积和腔型有关：基模体积和腔型有关：增大腔镜的曲率半径，基模体积增大增大腔镜的曲率半径，基模体积增大(R(R增大增大 大大)。当当R R确定时，确定时，L L有最佳值，有最佳值，R=LR=L时，模体积最大。时，模体积最大。在选模中，不但选出单一基模，而且应尽可能使选择的在选模中，不但选出单一基模，而且应尽可能使选择的腔型增大模体积输出功率增大。腔型增大模体积输出功率增大。n n横模选择方法横模选择方法1.1.稳定腔中的模式选择稳定腔中的模式选择(1)(1)腔参数腔参数g g、N N选择法选择法-利用衍射损耗来进行选模。利用衍射损耗来进行选模。(2)(2)元件选

44、模法元件选模法 小孔光栏法小孔光栏法-在腔中加一小孔光栏使在腔中加一小孔光栏使 来实现选模。来实现选模。聚焦光栏法聚焦光栏法-加入聚焦透镜，在焦点处放小孔光栏。加入聚焦透镜，在焦点处放小孔光栏。(3)(3)长腔法长腔法-增加腔长增加腔长(适当的增加适当的增加)，能改善激光的模式。，能改善激光的模式。2.2.介稳腔的选模介稳腔的选模 平行平面腔平行平面腔-模的光束沿轴向传播，无偏折损耗，只有透射损模的光束沿轴向传播，无偏折损耗，只有透射损耗耗；而高阶模偏离轴向传播，有偏折损耗和透射而高阶模偏离轴向传播，有偏折损耗和透射 损耗。损耗。为为偏折损耗和透射损耗之比，它大则偏折损耗大即偏折损耗和透射损耗

45、之比，它大则偏折损耗大即 高阶模的高阶模的损耗大，对选模有利。在平平腔中利用提高损耗大，对选模有利。在平平腔中利用提高 的方法进行选模。的方法进行选模。3.3.非稳腔的横模选择非稳腔的横模选择(几何光学方法分析几何光学方法分析)非非稳稳腔腔中中任任何何傍傍轴轴光光线线经经过过有有限限次次来来回回传传播播必必将将逸逸出出腔腔外外。因因为为非非稳稳腔腔N N大大，衍衍射射损损耗耗小小可可以以忽忽视视，主主要要表表现现横横向向逸逸出出腔腔外外；各各模模的的光光束束在在腔腔内内是是不不稳稳定定的的，因因此此光光束束偏折损耗比介稳腔大。它是高损耗腔，是一种选模方法。偏折损耗比介稳腔大。它是高损耗腔，是一

46、种选模方法。4.4.可饱和染料选模可饱和染料选模在腔中放入有机染料，利用它的可饱和吸取特性选模。在腔中放入有机染料，利用它的可饱和吸取特性选模。模模功功率率密密度度高高，染染料料易易于于饱饱和和,损损耗耗小小，能能振振荡荡。高阶模功率密度低，染料不能饱和高阶模功率密度低，染料不能饱和,损耗大，不能振荡。损耗大，不能振荡。.纵模选择技术纵模选择技术 选选单单纵纵模模即即是是选选出出单单一一的的频频率率，单单色色性性好好。在在多多横横模模的的腔腔中中，光光的的频频率率很很困困难难，各各频频率率间间隔隔小小，在在增增益益线线宽宽中中振振荡荡的的频频率率多多，从从中中选选出出单单个个频频率率很很困困难

47、难，因因此此在选纵模之前先选横模在选纵模之前先选横模-基模。基模。纵模选择方法纵模选择方法1.1.色散腔粗选频率色散腔粗选频率 激激光光介介质质的的谱谱线线常常常常不不止止一一条条，在在选选单单一一频频率率之之前前，假如先使激光处在单一的谱线上假如先使激光处在单一的谱线上,对选纵模有利。对选纵模有利。原原理理：在在腔腔中中加加入入一一色色散散元元件件，使使不不同同波波长长的的光光发发生生分分别别，其其中中只只有有较较窄窄波波长长范范围围的的光光振振荡荡，其其他他波波长长的的光偏离腔外。选出一条谱线光偏离腔外。选出一条谱线,谱线的宽度可以达到谱线的宽度可以达到10nm10nm。色散元件色散元件:

48、棱镜，光栅棱镜，光栅棱棱镜镜:光光通通过过棱棱镜镜时时，不不同同的的光光出出射射角角不不同同，则则损损耗耗不不同同，能能够振荡的光只有一范围够振荡的光只有一范围 。角色散率角色散率 最大偏离角最大偏离角 光栅光栅利用炫耀光栅方程：利用炫耀光栅方程：满满足足上上式式的的光光才才能能在在腔腔中中振振荡荡(入入射射光光线线和和反反射射光光线线重重合合)。偏偏离离此此式式的的光光损损耗耗大大，偏偏离离的的多多，光光不不能能振振荡荡。光光沿沿槽槽法法线线方方向向入射，出射光沿此方向。入射，出射光沿此方向。特特点点：上上述述两两种种色色散散腔腔粗粗选选法法只只能能选选出出具具有有确确定定宽宽度度的的谱谱线

49、线，不能选出单一的频率。不能选出单一的频率。2.2.短腔法选纵模短腔法选纵模 原理原理:利用削减腔长的方法增加纵模频率间隔当利用削减腔长的方法增加纵模频率间隔当 时，实现单模时，实现单模振荡。振荡。特点：特点：结构简洁，无插入损耗，只需缩短腔长即可实现单模。结构简洁，无插入损耗，只需缩短腔长即可实现单模。输出功率减小，输出功率减小，L L小，工作物质尺寸小，模体积小，输出功率小，工作物质尺寸小，模体积小，输出功率小。小。只适用于增益介质线宽只适用于增益介质线宽 窄的气体激光器中。窄的气体激光器中。3.3.法布里珀罗标准具选纵模法布里珀罗标准具选纵模把法布里珀罗标准具放到腔内选纵模把法布里珀罗标

50、准具放到腔内选纵模,是目前应用最广的方法。是目前应用最广的方法。(1)(1)法布里珀罗标准具法布里珀罗标准具(F-P)(F-P)F-PF-P原原理理：由由两两块块平平行行板板玻玻璃璃组组成成，它它是是利利用用多多光光束束的的干干涉涉原原理理做成的。它对光的透过率和反射率均是频率的周期函数。做成的。它对光的透过率和反射率均是频率的周期函数。-标准具的反射精细度标准具的反射精细度,-,-标准具的自由光谱区标准具的自由光谱区,-标准具的带宽标准具的带宽 具有最大透过率的相邻二频率的间隔具有最大透过率的相邻二频率的间隔 (自由光谱区自由光谱区)(2)(2)选模原理选模原理当把标准具放在腔内时，除了处于