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,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,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,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,
2、腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,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。,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。,稳定调Q脉冲的建立过程,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.,2.2 调Q激光器的基本理论调Q的速率方程,速率方程的求解,调Q脉冲的峰值功率,调Q脉冲的能量及能量利用率,调Q脉冲的时间特性,非理想阶跃式Q开关
3、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m随脉冲半宽度t及脉冲建立的延迟时间tD的变化（右图）,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。,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
4、偏振器的电光调Q器件,带偏转器的电光调Q装置,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,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,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,Vx0时的光路图,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
5、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,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 45Q开关相当于带一个偏振器的Q开关。,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
6、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。,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,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,Q开关的工作程序,单块双45电光PTM式调Q开关,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,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
7、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,2.5 声光调Q2.5.1 基本原理声光调制原理声光调Q,声光调Q激光器示意图,连续激光器高重复率调Q过程,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,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
8、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。,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,声光器件结构形式,声光器件的工作方式,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,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,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
9、激光功率密度的关系,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,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,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,液层厚度对输出特性的影响,染料盒的结构,染料Q开关的特点： 优点：1.简
10、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
11、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。,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,2.6.5 二极管泵浦被动调Q激光器,2）Nd:YVO4/Cr:YAG结构被动调Q红外激光器,1）Nd:YVO4/Cr:YAG/KTP结构被动调Q绿光激光器,调Q脉冲激光的远场光斑照片,稳定绿光脉冲波形图,3）Nd:YVO4/Cr:YAG/LBO结构被动调Q绿光激光器,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,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,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45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,
