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激光技术第二讲2012

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第2讲激光及激光雷达系统-激光雷达系统2

第2讲激光及激光雷达系统-激光雷达系统2
散射型激光雷达 探测大气中气溶胶或污染分 布 吸收型激光雷达 探测大气成分，臭氧或水蒸 探测大气成分 臭氧或水蒸 汽 激光荧光雷达 进行植被研究或污染物测定

5
激光雷达的分类
按照照使用用目的分类
6
激光雷达的分类
相互作用 反射 检测对象 比激光波长尺寸大 很多的物质 举例 地形测绘 气溶胶 空气分子 空气分子，水蒸气， SO2等污染物质 NO2等污染物质
8
激光成像雷达发展
四个阶段： 四个阶段 ：
激光测距仪 跟踪测角测距雷达 激光成像雷达
9
激光成像雷达
只要发射激光波形具有足够高的波束质量和重复频率， 发射激 波 有 够高的波束质 复频率 接收信号达到一定的信噪比要求，均能通过波束扫描在探 测器的光敏面上得到目标的图像 测器的光敏面上得到目标的图像。

分为外差探测 分为 外差探测， ，零拍探测 零拍探测和 和多频外差探测 多频外差探测等 等
19
激光雷达外差探测原理
一般外差探测激光雷达系统由一台连续工作的激光 一般外差探测 激光雷达系统由一台连续工作的激光 器作为独立辐射源发出参考波 称为本地振荡器 器作为独立辐射源发出参考波，称为本地振荡器 器作为独立辐射源发出参考波，称为 称为本地振荡器 系统接收到的回波 信号与来自本地振 荡器的参考信号混 合之后，由混频器 输出的光束聚焦到 探测器上然后再进 行信号处理。
29
激光遥感观测系统
飞机 激光扫描仪 航摄相机 CCNS4导航控制系统 AEROControl IId 高 精度位置姿态测量系统 (IMU/DGPS) IMU与相机连接架 机载DGPS天线 地面DGPS基站接收机
激光遥感集成系统

激光技术课件

激光技术课件

激光技术课件激光技术课件激光技术是一种高度精密的技术，广泛应用于各个领域，如医学、通信、制造等。

本文将探讨激光技术的原理、应用以及未来发展趋势。

一、激光技术的原理激光技术是利用激光器产生的激光束进行各种操作的技术。

激光器的核心部件是激光介质，如气体、固体或液体。

当激光介质受到外界能量激发时，原子或分子的能级发生跃迁，释放出能量，形成激光光束。

激光技术的原理主要包括受激辐射、波长选择和光放大。

受激辐射是指激光介质中的原子或分子受到外界激发后，与另一个处于低能级的原子或分子发生碰撞，使其也跃迁到高能级，达到激发态，然后在外界光的作用下，从高能级返回到低能级，释放出一束与外界光同相干的激光。

波长选择是通过光学元件对激光进行波长选择，使其具有特定的波长。

光放大是指激光在激光介质中传播时，通过光学元件的反射和折射，使激光光束逐渐增强。

二、激光技术的应用激光技术在医学领域有广泛的应用。

例如，激光手术可以用于眼科手术，如激光近视矫正术和激光白内障手术。

激光手术具有高精度和无创伤的特点，可以减少手术风险和恢复时间。

激光技术在通信领域也有重要的应用。

光纤通信是一种基于激光光束传输信息的技术。

激光光束在光纤中传播时，可以保持较高的能量和信息传输速度，使得通信更加快速和稳定。

此外，激光技术在制造业中也发挥着重要作用。

激光切割和激光焊接是常见的制造工艺。

激光切割可以精确地切割各种材料，如金属、塑料和陶瓷。

激光焊接可以实现高强度的连接，广泛应用于汽车制造和电子设备制造。

三、激光技术的未来发展趋势随着科技的不断进步，激光技术也在不断发展。

未来，激光技术有望在更多领域得到应用。

首先，激光技术在医学领域的应用将进一步扩大。

随着人口老龄化的加剧，激光技术在癌症治疗和疾病诊断方面的应用将变得更加重要。

激光技术可以精确地破坏肿瘤细胞，减少对正常组织的伤害。

同时，激光技术也可以用于检测和诊断疾病，提高诊断的准确性和效率。

其次，激光技术在能源领域的应用也将得到进一步发展。

2012激光

2012激光

2012 1、什么是光学模式，请解释横模和纵模的物理含义。

2、当粒子反转数大于零时，在激光谐振腔中能够产生自激振荡吗？
3、什么是增益饱和，他在均匀加宽激光器和非均匀加宽激光器的作用是什么？
4、简述的兰姆凹陷形成过程，它有什么应用？
5、为什么连续激光器能实现稳定的激光输出？
6、一束激光它的波长为6.328um,它的束腰半径为mm，位于谐振腔的出射镜面上，透镜离镜面的距离为500mm，光束经透镜后的腰斑直径为2a=5um（1）求谐振腔的参数f；（2）求光束经聚焦透镜后的聚焦位置；
7、一非稳定虚共焦腔，它的腔长为2米，谐振腔中凸面镜的球面半径为R2为—1米，线度a2为0.5
（1）求凹面镜的线度a1；
（2）求非稳腔的能量损耗；
8、在连续激光器中，有v1和v2，vo为中心频率，当vo<v1<v2时，激光器中激光的输出是怎样的？
9、在一谐振腔中，谐振腔内的传输矩阵为ABCD，腔镜的球面波半径为R1和R2，
证明:0<g1g2<1
g1=A-D/R1；g2=B-C/R2。

第二讲激光原理与选模

第二讲激光原理与选模
方向性很好的光.
选频--- 反射镜镀上多层膜,膜厚度λ/4, 使反射最强,形成稳定振荡并不断加强,
得到单色性好的激光
第23页，此课件共41页哦
典型的激光器镜面的安装
谐振腔的种类：
平行平面腔 同心球面腔 共焦谐振腔 长半径球面腔 半球型谐振腔 平凹稳定腔 非稳定腔
原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命。
E3
E2
hv
E1
图1-2 自发辐射示意图
第10页，此课件共41页哦
自发辐射的特点： 这种过程与外界作用无关。各原子的辐射都是独立地进行。因
而所发光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同。不同光波 列是不相干的。例如霓虹灯管内充有低压惰性气体，在管两端加上 高电压来激发气体原子，当它们从激发态跃迁返回基态时，便放出 五颜六色的光彩。其频率成分极为复杂，发光方向各向都有，初位 相也各不相同。这正是普通光源的自发辐射。
E1
第8页，此课件共41页哦
原子吸收 E3
E3
E2
E2
hv
E1
E1
图1-1 原子吸收示意图
如图1-1所示，有一个原子开始时处于基态E1，若不存在任何外来影响
，它将保持状态不变。如果有一个外来光子，能量为hv，与该原子发生相
互态作—用—。激且发态。则原子就有可，能其吸中收：h 这E2为一v 原光E 子子2 的， 某而E 一被1 较激高发的到能高量能状态
第5页，此课件共41页哦
该领域的有关诺贝尔奖
❖ 1964: Townes, Basov, 微波激射器和激光器的发明 ❖ 1971: Dennis Gabor, 激光全息术
❖ 1981: 洛.布隆姆贝根, 激光光谱学 ❖ 1997: 朱隶文等三人, 激光冷却和陷俘原子

激光技术基础-第二讲

激光技术基础-第二讲
1、腔内存在着有普朗克公式表示的热平衡黑体辐射
8h 3 c3 1
h k bT
e 1 2、腔内物质原子数按能级分布服从热平衡状态下的玻 E E 耳兹曼分布 2 1 n2 f2 e k bT n1 f1
f1, f2—分别为能级E1和E2的统计权重
3、热平衡下，n2(或n1）应保持不变，于是：
相干面积：
R
杨氏双缝干涉
2 2 2
R 2 2 Ac Lx x L 4 4 x x

R
物理意义： 若要求传播方向张角内的光波相干，则光源的面积必须小于(/)2。 也就是说光源相干面积是(/)2。 相干体积
相干强度决定于具有相干性光子的数目（或同态光子的数目） 处于同一光子态的光子数称为光子简并度n 光子简并度： 同态光子数 同一模式内的光子数 处于相干体积内的光子数 处于同一相格内的光子数
1.2 光的受激辐射基本概念
激光器的物理基础：
光与物质的共振相互作用，特别是其中的受激辐射过程
1917年，爱因斯坦在波尔的原子中电子运动状态量子化假设（1913年提 出）的基础上，从光量子概念出发，重新推导了黑体辐射的普朗克公式 （1900年提出），并在推导中提出了两个极为重要的概念：受激辐射和 自发辐射。 40年后，受激辐射概念在激光技术中得到应用
实现方法：
技术思想的重大突破 ：封闭腔
轴向模 F-P 光谐振腔
开放式光谐振腔
核心思想：
•光谐振腔选模：开放式光谐振腔由两块平行平面反射镜（ Fabry-Perot干涉滤波）完成，使特定（轴向）模式的增 加, 其它模 式(非轴向) 逸出腔外；光谐振腔有选模作用，是 构成激光器的主要部分。

激光原理及技术课件2

激光原理及技术课件2

确制导武器的一种重要制导方式。
2014-10-16
14
激光制导的种类
激光制导的种类主要有：半主动回波 式制导、全主动回波式制导和波束式制导。 目前应用较为普遍的是半主动回波式制导。
2014-10-16
15
1 、激光驾束制导：激光接收器臵于导弹上，导弹发射时
激光器对着目标照射，发射后的导弹在激光波束内飞行。当
2、对激光接收器干扰， 如果你的spy侦察到敌方使用的激 光的特定波长，利用同类型激光照射其他物体，把激光制导 导弹引向假目标。 3、利用“复合式假目标”装臵， 使用一种粉末状激光作
用物质。这种物质在燃烧过程中，可产生照射敌激光工作频
率段的电磁波，或者燃烧后游离于燃烧区外，在冷却过程中 产生所需波段的电磁波，从而干扰来袭的激光寻找目标。
导弹偏离激光波束轴线时，接收器敏感偏离的大小和方位并 形成误差信号，按导引规律形成控制指令来修正导弹的飞行。 2 、激光半主动式自动导引：使用位于载机或地面上的激 光器照射目标，导弹上的激光导引头接收从目标反射的激光
从而跟踪目标并把导弹导向目标。
3、激光主动式自动导引：激光照射器装在导引头上。这 种激光制导的自动化程度高，但实际上还没有应用到反坦克 导弹上。
2014-10-16 17
激光制导的详细说明
常见的激光波束制导，是由激光照射器发射激光波束 对准并跟踪目标，并使导弹发射时就位于激光波束的中心。 导弹在飞向目标的过程中。一旦导弹偏离光束的中心，安 装在导弹尾部的激光接收器便会发出偏差信号，然后通过 控制系统纠正弹道偏差，很显然，激光波束制导要求地面
上的激光发射器发射的激光束与导弹的发射方向严格配合，
因此技术要求高。但整个激光波束制导系统小巧轻便，适 合单兵使用。

第二讲 光的波动性和粒子性


• 变式3．发光功率为P的点光源，向外辐射波长为λ的单色光， 均匀投射到以光源为球心、半径为R的球面上．已知普朗 克常量为h，光速为C，则在球面上面积为S的部分，每秒 钟有_______个光子射入．
NS 2 4R hc
变式4.康普顿效应证实了光子不仅具有能量，也有动量， 下图给出了光子与静止电子碰撞后，电子的运动方向，则碰 后光子可能沿方向 运动，并且波长 （填“不 变”“变小”或“变长”）.
变式1.纳米技术是跨世纪的新技术，将激光束的宽度集中 到纳米范围内，可修复人体已损坏的器官，对DNA分子进行 超微型基因修复，把诸如癌症等彻底根除。在上述技术中， 人们主要利用了激光的（ ） A.单色性 B.单向性 C.亮度高 D.粒子性
考点5.能量的量子化
• 问题5.下列叙述正确的是 ( ) • A．一切物体都在辐射电磁波 • B．一般物体辐射电磁波的情况只与温度有关 • C．黑体辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体温度 有关 • D．黑体能够完全吸收入射的各种波长的电磁波
左
（左；水平；不变化；彩色条纹）
右
变式 4. 劈尖干涉是一种薄膜干涉，其装置如图所示，将一 块待检工件N放置在透明标准板 M之上，在一端夹入两张纸 片，使M和N间形成一楔形空气薄层,当光垂直入射后，从上 往下看的干涉条纹如图所示，干涉条纹有如下特点：a.任意 一条明纹或暗纹所在位置下面的薄膜厚度相等 b.任意相邻明 纹或暗纹所对应的薄膜厚度恒定。则：
• 变式1.电子衍射实验证明电子具有波动性,这种波可称为( ) • A.电磁波 • B.几率波 • C.德布罗意波 • D.物质波
由爱因斯坦的质能方程和光子说推导德布罗意波波长公式
• 变式2.在宏观世界中相互对立的波动性和粒子性,在光的本 性研究中却得到了统一,即所谓光具有波粒二象性,下列关于 光的波粒二象性的叙述中正确的是 • A．大量光子产生的效果显示出波动性.个别光子产生的效 果展示出粒子性 • B．光在传播时表现出波动性,而在跟物质作用时表现出粒 子性 • C．频率大的光较频率小的光的粒子性强,但波动性弱 • D．频率大的光较频率小的光的粒子性及波动性都强

激光2

（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外， 还要设法减少下能级的粒子数）
正好Ne的5S，4S是亚稳态，下能级 4P， 3P 的寿命比上能级5S，4S要短得多， 这样就可以形成粒子数的反转。
放电管做得比较细（毛细管），可使原子 与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3 S态 的Ne原子可以将能量交给管壁发生 “无辐射跃迁”而回到基态， 以及时减少3S态的Ne原子数， 有利于激光下能级4P与3P态的抽空。

N2
写成等式

dN 21 dt
自发

A21 N 2
Ａ21 自发辐射系数，单个原子在单位
时间内发生自发辐射过程的概率。
各原子自发辐射的光是独立的、 无关的 非相干光 。
2．受激辐射 :
E2 N2
h
E1 N1
全同光子
设 （、Ｔ）……温度为Ｔ时, 频率为 = (E2 - E1) / h附近，单位频率间隔的
激光测长、激光干涉、激光测流速、激光全息照象、 --------激光相干性极好 激光通讯、数据处理、--------超短脉冲激光
激光信息储存和光计算机：光计算机的运算速度可高达每 秒百亿次.
三、激光的种类： 按工作物质分 固体（如红宝石Al2O3） 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs） 按工作方式分

dN 21 dt
受激

B21
,T
N2

W21 N 2

dN12 dt
吸收

B12

,T
N1

W12 N1
产生激光必须
dN21 dN12 dt 受激 dt 吸收
因 B21=B12 W21=W12 必须 N2 > N1（ 粒子数反转）。

激光专题讲座1-2

激光原理与技术1960年梅曼根据肖洛的受激辐射光量子放大理论研制出一台红宝石激光器，同年末研制出He-Ne 气体激光器，1962年又公布了砷化镓半导体激光器运转的报导。

我国于1961年研制成功红宝石激光器，1966年试制出Nd:YAG 激光器。

到70年代末，各种激光器都已发展到相当成熟，并得到应用。

激光与普通光源不同之处在于它具有高的单色亮度，好的单色性和相干性及定向性。

激光的出现推动了一些新学科的发展，比如薄膜光学、非线性光学、全息术等。

50多年来，激光在工业加工、医疗诊断、印刷照排、计量检测等方面获得广泛用途。

军事上，激光测距、激光制导、激光通信在战场上亦付诸使用，激光战术雷达已有成功报导，激光战术武器在不久的将来也将研制成功。

第一专题 激光的基本原理激光的产生涉及光与物质的相互作用，为了深入了解激光的产生机理，必须首先了解光辐射理论。

处理光辐射问题，可以从光的波动理论说明也可以从光的量子理论解决光辐射的波动理论，在光学原理教程或物理光学中有详细的讲解，其理论体系是从麦克斯韦方程组引入磁矢势和电标势，从而推导出关于磁矢势和电标势的达朗伯方程。

解方程发现如果运动的点电荷产生加速度便可产生辐射场。

对于束缚电荷来说，可以认为负电子相对于正电荷产生振动，以平衡态为基准的电子振动必然产生加速度，同时可产生光辐射，这就是洛仑兹的辐射理论。

辐射的量子理论是把电磁场的一个模式看成一个光量子，原子与光的相互作用看成是原子和一群光量子的相互作用，量子理论要用到量子力学和量子电动力学知识。

在本讲义中介绍的激光理论，考虑光的本性时，认为具有波粒二象性，为了讨论方便，有时利用波动概念，引入频率和波长来描述，有时利用粒子概念，引入粒子能量和动量。

§1.1 光的模式和光的量子状态光具有波粒二象性，从光的波动观点，其运动规律由麦克斯韦方程组来决定。

当解方程时可得到很多特解，这些解的线性组合也满足麦克斯韦方程组。

每一个特解，代表存在于此空间的一种电磁场分布，或者说是电磁场的一种本征振动状态，我们把每一种场的本征状态称为光的一种模式(mode)。

激光原理与技术第一章第二部分通俗讲解课件2


（2）非均匀加宽工作物质的饱和作用弱；
当1
0，I1
I
时
s
GH
0,
Is
1 2
GH0
0
Gi 0 , Is
1 2
Gi0
0
（3）非均匀加宽工作物质的增益曲线是局部饱和。
烧孔效应：反转粒子数的烧孔效应
n0 0 '
n0 1
n 1
0'
0
1
0
烧孔效应：存在于非均匀加宽气体激光器中
增益烧孔：增益曲线的烧孔效应
Gi ( , I1 )
Gi0 ( )
0
1
0
烧孔效应：反转粒子数按速度的分布曲线
n(vz )
v(z) v(z) 0 v(z)
常用激光增益介质谱线线宽的比较
教材表1.3 几种气体激光增益介质谱线的自然线宽
常用激光增益介质谱线线宽的比较
教材表1.4 几种气体激光增益介质谱线的多普勒线宽
常用激光增益介质谱线线宽的比较
原子自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的修正
dn21 dt
st
＝n2
B21
＋
g (
－
'）
'
d
'
＝n2B21g
同理：
dn12 dt
ab
＝n1B21g
在频率为的单色光辐射场的作用下，受激跃迁几率：
W21 B21g
W12
B12 g
原子自发辐射、受激辐射和受激吸收几率的修正
物理意义：
)2
L
2
2
线宽为：
＝1
L
2
均匀加宽：气体工作物质
均匀加宽线型函数为：
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L 2L − ln (1 − T ) c − ln (1 − T ) c
⎡ ⎛ ∆nt ∆ n − ∆ n + ∆ n ln ⎢ i ⎜ t t ⎝ ∆ni ⎣
⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦
− ln (1 − T ) 脉冲能量 E = ( ∆ni − ∆n f ) hν V 2δ
能量利用率 η E =
在t=0时刻，初始反转粒子数密度为 ∆ni，光子数密度φ =φi =0。之后，φ 急剧增加，∆n开始剧减。 在∆n=∆nt时，腔内光子数密度达到 极大值φm
从
∆ni → ∆nt
对∆n积分
∫
φm
0
1 ∆nt ⎛ ∆nt ⎞ dφ = ∫ ⎜ − 1⎟ d ∆n 2 ∆ni ⎝ ∆n ⎠
⎛ ∆nt ⎞ ⎤ 1⎡ 积分得到 φm = ⎢ ∆ni − ∆nt + ∆nt ln ⎜ ⎟⎥ 2⎣ ∆ n ⎝ i ⎠⎦
第二节 调Q激光器的基本理论
速率方程是调Q激光器的基本理论 6.2.1 调Q的速率方程 1.三能级系统速率方程
⎧ dn2 ⎛ g2 ⎞ n2 = n W − n − n σ ν , ν vN − ( ) ⎪ ⎜ 2 1 13 1 ⎟ 21 0 l dt g τ2 ⎝ 1 ⎠ ⎪ ⎪ ⎨ dN l ⎛ Nl g2 ⎞ = n − n σ ν , ν vN − ( ) ⎜ 2 1 ⎟ 21 0 l ⎪ dt g τR ⎝ 1 ⎠ ⎪ ⎪ n1 + n2 = n ⎩
1 δ2 脉冲能量 E = ( ∆ni − ∆n f ) hν V 2 2δ ∆ni − ∆n f 能量利用率 η E = ∆ni
3. 调Q脉冲的时间特性 当反转粒子数密度降低到∆n´时，光子数密度为φ´
dφ 1 ⎛ ∆nt ⎞ = ⎜ − 1⎟ d ∆n 2 ⎝ ∆n ⎠ φ′ 1 ∆n′ ⎛ ∆nt ⎞ ⇒ ∫ dφ = ∫ ⎜ − 1 ⎟ d ∆n 0 2 ∆ni ⎝ ∆n ⎠ ⎛ ∆n′ ⎞ ⎤ 1⎡ ′ ′ ⇒ φ = ⎢ ∆ni − ∆n + ∆nt ln ⎜ ⎟⎥ 2⎣ ∆ n ⎝ i ⎠⎦
激光技术-第二讲
�第六章 调Q技术
概述 调Q激光器的基本理论 电光调Q 声光调Q 被动调Q
调Q技术应用
第一节 概述
6.1.1 固体激光器的输出特性
弛豫振荡的形成 （∆n &Nl 的瞬态变化）
泵浦能量低于阈值
泵浦能量高于阈值
• t1- t2 泵浦激励使∆n增加的速率 > 受激辐射使∆n减小的速率
∆ n ↑→ ∆ n = ∆ n t (t = t1 ) → N l ↑ , ∆ n ↑ (t 2 > t > t1 )
2. 调Q脉冲的能量及能量利用率 激光脉冲的能量是由消耗反转粒子数的受 激辐射过程产生的，若以光子数密度从极 大值φm下降到φf的时间作为脉冲结束，φf ≈0，φf对应的反转粒子数密度为∆nf
0 dφ 1 ⎛ ∆nt 1 ∆n f ⎛ ∆nt ⎞ ⎞ = ⎜ − 1⎟ ⇒ ∫ dφ = ∫ ⎜ − 1⎟ d ∆n 0 d ∆n 2 ⎝ ∆n ⎠ 2 ∆ni ⎝ ∆n ⎠ ⎛ ∆n f ⎞ ⎤ 1⎡ ⇒ 0 = ⎢ ∆ni − ∆n f + ∆nt ln ⎜ ⎟⎥ 2⎣ ⎝ ∆ni ⎠ ⎦ 有效输出占 ∆n f ⎛ ∆n f − ∆ni ⎞ ⇒ = exp ⎜ ⎟ 总损耗的比重 ∆ni ∆ n t ⎝ ⎠
解： ∆ni = 0.22 N
∆nt = 0.1N
损耗系数
⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦
峰值光子数 峰值功率
⎛ ∆n 1⎡ φm = ⎢ ∆ni − ∆nt + ∆nt ln ⎜ t 2⎣ ⎝ ∆ni
Pm =
φm hν V 2L − ln (1 − T ) c
− ln (1 − T ) 2δ
自学：快开关和慢开关 的特性 注意：在慢开关的情况 下必须数值求解
（1）工作物质在强泵浦下工作，因此抗损伤阈值要高。并且 上能级寿命τ2较长，使得储能很高。 稳态时 four − level : ∆n = n0W03τ 2
0
η1W13 n Three − level : n2 ≈ 1 / τ 2 + η1W13
0
（2）泵浦速度应尽量快，以减小自发辐射的损耗，在低重复 频率调Q激光器中，为得到足够多的粒子数反转，通常取泵浦 的持续时间约等于或小于上能级寿命。 （3）谐振腔的Q值改变要快，一般应小于建立激光振荡的时 间，如果Q开关时间太慢，会使脉冲变宽，甚至产生多脉冲现象。
对特定反转粒子数密度∆n，对应光子数密度为φ，时刻为t
∆n τ d ∆ n′ ∆ n′ 1 = −2 φ ′ ⇒ dt ′ = − t R d ∆n′ dt ′ ∆nt τ R 2∆n′φ ′ t ∆n ∆n τ t R ⇒ ∫ dt ′ = − ∫ d ∆n′ 0 ∆ni 2∆n′φ ′ ∆n t d ∆n′ ⇒ = −∫ ∆ni τR ⎛ ∆ni ∆n′ ⎛ ∆n′ ⎞ ⎞ ∆n′ ⎜ − + ln ⎜ ⎟⎟ ∆ n ∆ n ∆ n t ⎝ i ⎠⎠ ⎝ t
激光工作物质是Nd:YAG晶体； 偏振器采用方解石空气隙格兰-傅克棱镜，或采用镀光学薄膜的偏 振分光镜； 调制晶体用KDP，纵向或横向应用，晶体两端的电极与电源相接
调Q过程： 1. YAG晶体在氙灯的光泵下发射自发辐射光，经过偏振棱镜后变 成x方向线偏振光。 若电光晶体未加电压，光通过电光晶体后，其偏振状态不发生 变化，经全反镜反射后，再次通过电光晶体和偏振器，电光Q 开关处于“打开”状态。 若电光晶体上施加λ/4电压，沿x方向的线偏振光通过晶体后， 变成圆偏振光，经全反射镜反射回来，再次通过调制晶体，变 成沿y方向振动的线偏振光，不能再通过偏振棱镜，电光Q开关 处于“关闭”状态，阻断激光振荡的形成。 通常在氙灯刚开始点燃时，事先电光在晶体上加λ/4电压
受激辐射使 ∆n < ∆nt
Nl急剧下降，∆n ↓
若泵浦作用尚未停止，受激辐射减弱导致 ∆n极小 t=t4，受激辐射使∆n减小的速率 = 泵浦使∆n增加的速率
N l ↓→ ∆n ↑→ ∆n = ∆nt Nl极小
• t>t5 又开始第二个脉冲的建立过程，在整个脉冲泵浦过程中， 这种过程反复发生，造成输出激光的一连串尖峰结构。
脉冲能量 E = 1 ( ∆ni − ∆n f ) hν V
2
脉冲宽度
∆t = E / Pm
δ = δi +
δ1 + δ 2 2
具体计算作为作业
对于四能级系统，可采用相同方法求解：
⎛ ∆nt ⎞ 峰值光子数密度 φm = ∆ni − ∆nt + ∆nt ln ⎜ ⎟ ∆ n ⎝ i⎠
峰值功率 Pm =
∆ni − ∆n f ∆ni
工程上脉冲宽度的计算公式： ∆t =
E Pm
思考：调Q速率方程还可以从哪些方面进行修正?
第三节 电光调Q
利用某些晶体的电光效应可以做成电光Q开关器件。 特点：开关时间短（约10-9s），调Q时刻可以精确控制，输出脉冲 宽度窄（～10ns），峰值功率高（几十MW以上）
6.3.1 带偏振器的电光调Q器件
E2
w03 S21 A21 W21
(R )
p
E1
n1=0
E0
S10
6.2.1 调Q的速率方程
假定腔内损耗在时间上有一阶跃突变
⎧ ⎪A δ =⎨ ⎪ ⎩B
(t < 0) (t > 0)
在t=0之前，初始反转粒子数密度为∆ni，其 求解方法见第四章第四节。 对于三能级系统：
dφ 1 ⎛ ∆n ⎞ = ⎜ t − 1⎟ d ∆n 2 ⎝ ∆n ⎠
E3 S32
n3=0
w13
E2 A21 S21 w21 w12 E1
假设条件：(1) g1=g2； (2)增益介质长度等于腔长，设为l，模式体积设为V； (3)Q突变过程中，忽略泵浦和自发辐射过程。
忽略泵浦和自发辐射过程，取g1=g2：
⎧ dn2 ⎪ dt = − ( n2 − n1 ) σ 21 (ν ,ν 0 ) vN l ⎪ ⎪ dN ⎨ l = ( n − n ) σ (ν ,ν ) vN − N l 2 1 21 0 l ⎪ dt τR ⎪ n1 + n2 = n ⎪ ⎩
根据：∆nt =
δ 1 1 = = σ 21 (ν ,ν 0 ) l σ ν ,ν v l σ 21 (ν ,ν 0 ) vτ R ( ) 21 0 vδ 1 ⇒ σ 21 (ν ,ν 0 ) v = τ R ∆nt
∆n 1 ⎧ d ∆n ⎪ dt = −2 ∆n τ φ t R ⎪ ⎨ ⎪ dφ = ⎛ ∆n − 1⎞ 1 φ ⎟ ⎪ dt ⎜ ⎝ ∆nt ⎠τR ⎩
1. 调Q脉冲的峰值功率
φm hν V hν V P = = 若除输出外其它损耗可忽略 m τR 2τ R φm hν V 否则 Pm = 2L − ln (1 − T ) c
⎡ ⎛ ∆nt ∆ n − ∆ n + ∆ n ln ⎢ i ⎜ t t ⎝ ∆ni ⎣ ⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦
如果初始反转粒子数∆ni大大超过阈值反转粒子数∆nt（高Q值状 态）则得： hν∆niV Pm ≈ 2τ R
• t2- t3 受激辐射使Nl 急剧上升 → ∆n↓
∆n极大 ⎛ d ∆n ⎞ ⎛ d ∆n ⎞ = − ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ( t = t2 ) ⎝ dt ⎠ pump ⎝ dt ⎠ ste Nl极大 Nl Nl ↑ → ( t > t 2 ) → ( t = t3 ) ∆nt ∆n ↓
• t3- t4 • t4- t5
调Q过程： 2. 待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去晶体上 的λ/4电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，产生雪崩式的激光 振荡，就可输出一个巨脉冲。 Q开关打开的时机： 1. 对于氙灯的脉冲泵浦，时机的选择很重 要，当工作物质上能级反转的粒子数达到 最大时，立即“打开”开关的效果最好。 2. 对于LD泵浦，泵浦时间大于上能级寿命 时，反转粒子数达到稳态值，通常取泵浦 时间约等于上能级寿命。