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第二章 调 Q(Q 开关 ) 技术

第二章 调 Q(Q 开关 ) 技术. 周一主楼东 101 周三二教 206 第二大节 wphsci@uestc.edu.cn. 主要内容： 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 。. 2.1 概述 一、什么是调 Q ？ Q 值？ 二、调 Q 技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率 。 三 ﹑ 调 Q 激光（短脉冲）的应用 强相干光与物质的相互作用 短脉冲的应用.

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  1. 第二章 调Q(Q开关)技术 周一主楼东101周三二教206第二大节wphsci@uestc.edu.cn

  2. 主要内容： 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 。

  3. 2.1 概述 一、什么是调Q？Q值？ 二、调Q技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 三﹑调Q激光（短脉冲）的应用 强相干光与物质的相互作用 短脉冲的应用

  4. 2.2.1 一般固体脉冲激光器的输出特性 • 输出的脉冲是系列尖峰振荡 驰豫振荡 脉冲激光器输出的尖峰结构

  5. 驰豫振荡产生的物理过程 • 第一阶段 • 第二阶段 • 第三阶段 • 第四阶段 • 普通激光器峰值功率不能提高的原因 • 获得巨脉冲激光输出的方法 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化

  6. 2.1.2 调Q的基本原理 • 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。

  7. 调节Q值的途径 一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。

  8. 稳定调Q脉冲的建立过程

  9. 实现调Q对激光器的基本要求 • 工作物质抗损伤阈值要高,同时有较长的能级寿命 • 泵浦速度必须快于激光上能级的自发辐射速率 • 谐振腔的Q值改变要快,一般应与谐振腔建立激光振荡的时间相比拟.

  10. 2.2 调Q激光器的基本理论 • 调Q的速率方程

  11. 速率方程的求解

  12. 调Q脉冲的峰值功率 • 调Q脉冲的能量及能量利用率

  13. 调Q脉冲的时间特性

  14. 非理想阶跃式Q开关函数的情况 • 腔内损耗与时间呈线性函数（左图） • 稳变非线性(抛物线)开关函数（中图） • 峰值光子数密度φm随脉冲半宽度Δt及脉冲建立的延迟时间tD的变化（右图）

  15. Q开关激光器的特点 1. 通过改变改变Q值——改变阈值，控制激光产生的时间。 2. 两阶段 （1）储能阶段（延迟时间） 反转粒子数达最大值 。 （2）激光产生输出 忽略泵浦和自发辐射的影响。 3. 开关时间 从Q值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要的时间叫开关时间。 开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小分为快、慢两种类型。

  16. 2.3 电光晶体调Q • 电光Q开关： 利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。 2.3.1 带偏振器的电光调Q器件 带偏转器的电光调Q装置

  17. 调Q工作程序示意图 • 对偏转器的要求 • 对调制晶体的要求 电光调Q工作程序示意图

  18. 2.3.2 单块双45°电光Q开关 带偏振器的Q开关激光器需加偏振器，使腔内元件增多，因而增加了腔内损耗，降低了调Q效率。把晶体做成双45°的形式，使晶体起着偏振、Q开关两个作用，克服了上述Q开关激光器的缺点。 • Q开关原理 单块双45°电光调Q激光器

  19. 工作原理 • 未加电压时的情况 • 加电压时的情况 Vx=0时的光路图 Vx≠0时的光路图

  20. LN晶体Q开关： （1）双45°晶体等效于在两个偏转器之间夹一块调制晶体 （2）晶体在加工时造成的误差。45° 不够准确，光轴有些偏离。入射的光束不能严格地垂直入射面等。入射光有一定的发散角，因此相当于有一部分光束不是垂直入射面入射。 （3）o、e光走的路程不同，因此当 时，o、e光并非完全旋转90°,解决办法预偏置. 双45°晶体实际出射光斑情况

  21. 单块单 45°电光开关 原理 ：以LN横向运用退压式结构为例，分析原理和一般Q开关相同。 也是分两个阶段讨论其工作原理：粒子数积累阶段和脉冲形成阶段。结论：单 45°Q开关相当于带一个偏振器的Q开关。

  22. 2.3.3 脉冲透射式Q开关激光器 • 原理： 反射式Q开关激光器：由于激光的形成和输出同时进行，因此脉冲宽度的压缩受了限制。脉冲透射式Q开关打破了这种限制，把激光形成和激光的输出分成两阶段。共三个阶段： a． 、 ，激光不能振荡，积累阶段（透射损耗大） b． 、 ，激光形成但不输出（透射损耗近似为零） c．激光输出阶段（透射损耗大） 具有以上特点的激光器为透射式Q开关激光器。

  23. 透射式原理不同于反射式，结构做了改进： Q开关的三个阶段：1)不加 ,2）加压 ,3）退压 PTM调Q激光器 PTM式电光Q开关

  24. 单块双45°电光PTM式调Q开关 • PTM式调Q的优点 • 效率比PRM式高 • 脉宽窄 单块双45°电光PTM式调Q开关 Q开关的工作程序

  25. 2.3.4 Q调制技术的其他功能 • 1.选横模的功能 • 2.选单纵模的功能 • 3.锁模 削波等功能

  26. 2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题 • 调制晶体材料的选择 • 消光比要高 • 透过率要高 • 半波电压要低 • 抗破坏阈值要高 • 晶体防潮 • 调制晶体的电极结构 • 对激光工作物质的要求 • 对光泵浦灯的要求 • 对Q开关控制电路的要求

  27. 2.5 声光调Q 2.5.1 基本原理 • 声光调制原理 • 声光调Q 声光调Q激光器示意图

  28. 声光调Q激光器的特点 • 开关时间与脉宽 • 声光Q开关的缺点 • 声光Q开关与重复频率 • 连续激光器声光调Q运转方式 连续激光器高重复率调Q过程

  29. 2.5.2 声光Q开关的结构与设计 • 声光Q开关的结构和声光调制器完全相同。换能器、声光介质、吸收器三个部分组成，且材料、尺寸相同 • 不同点：声光调制器：有驻波和行波两种结构。 声光Q开关：只有行波结构。 1、材料的选择: 对声光介质材料的选择应综合考虑如下要求；介质的品质因数M2要大；对光的吸收要小(即对光的透过率要高)；对超声波的吸收要小；有良好的热稳定性；介质在光学上是均匀的，且有足够大的尺寸。对功率大的调Q器件，还要考虑采用激光损伤阈值高的材料。

  30. 2、器件的设计 • 声光器件设计的关键是合理地确定超声柱的尺寸 • 换能器与声光介质的粘结工艺也是十分重要的问题 超声场尺寸 声光器件的工作方式 声光器件结构形式

  31. 3、器件的结构形式 声光调Q器件典型结构 4、驱动声功率的确定

  32. 2.5.4 声光腔倒空激光器 • 声光腔倒空激光器原理 • 优点 • 要求 声光腔倒空激光器

  33. 2.6 被动式可饱和吸收调Q 2.6.1 可饱和吸收染料的调Q原理 • 可饱和吸收体的吸收特性 • 可饱和吸收染料的调Q原理 2.6.2 饱和吸收的速率方程 染料透过率与激光功率密度的关系

  34. 2.6.3 染料调Q激光器及其输出特性 • 染料Q开关激光器形式 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。 染料盒单独放在腔内，这种机构注意避免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1 °~ 2°，也可以倾斜布儒斯特角。 染料调Q激光器

  35. 1、对染料选择的要求 • 染料的吸收峰应与激光波长基本吻合 • 染料要有适当的饱和光强值 • 染料溶液要有一定的稳定性 几种染料的吸收谱线

  36. 2、影响染料调Q输出特性的因素 • 染料浓度的影响 • 输入能量 • 染料盒的影响 • 输出镜反射率的影响 染料调Q输出特性曲线 染料盒的结构 液层厚度对输出特性的影响

  37. 染料Q开关的特点： 优点：1.简单方便。这种Q开关只要配好溶液放在染料盒内，或做成染料片成品。放谐振腔中即可。而电光调Q中还需要一套电路系统控制Q开关。 2.速度快。染料Q开关属于快开关。一般10-9nS量级。3.自动实现开关和增益的调谐。4.具有选模的作用。在中心频率附近的模式，增益高，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。 缺点：1.同步精度差。不需要同步装置—简单，但要得到很好的调Q效果需要经过反复实验。而实际要求和Q开关激光器同步，染料Q开关不能使用。 2.稳定性差。染料的溶液不稳定，影响输出的功率不稳定。 3.输出功率不能很大。因为染料调Q激光器实际上在阈值附近工作。因此染料Q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。

  38. 2.6.4 LiF可饱和吸收晶体Q开关 工作原理：LiF晶体是无色透明晶体，不能做Q开关晶体用，但当它经过射线辐射后就可以产生色心，开始变为棕红色。随着辐射剂量的大小不同，其着色的深浅也不同，产生不同的色心——F，F2， ， 心等。由于色心不同，吸收谱产生了明显的变化。 F2-心的吸收谱线 在1.06微米激光作用下F2-心的透过率

  39. 2.6.5 二极管泵浦被动调Q激光器 1）Nd:YVO4/Cr:YAG/KTP结构被动调Q绿光激光器 2）Nd:YVO4/Cr:YAG结构被动调Q红外激光器 调Q脉冲激光的远场光斑照片

  40. 3）Nd:YVO4/Cr:YAG/LBO结构被动调Q绿光激光器 稳定绿光脉冲波形图

  41. 2.7 转镜调Q • 转镜调Q的工作原理 • 转镜调Q的运转过程 转镜调Q激光器示意图 转镜调Q运转过程

  42. 关键的问题之一是准确地控制延迟时间 延迟原理 转镜调Q的特点 延迟装置示意图

  43. 本章小结 • 要掌握的知识要点 调Q原理、电光晶体调Q、单块双45º电光Q开关、声光调Q、可饱和吸收染料调Q • 要熟悉的知识要点 调Q的速率方程、晶体电光调Q原理 • 要求了解的知识点 声光调Q器件的结构与设计、LiF可饱和吸收晶体Q开关 • 作业：3、5、6

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