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第27讲 调Q激光器解剖

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调Q激光器基本理论概要

调Q激光器基本理论概要

程中Dn和N的变化规律，脉冲峰值功率(Pm)及脉冲宽度
(Dt)与Dn的关联性
特点: Q开关时间极短 几ns量级
讨论前提：三能级系统激光器（为什么？） L＝l, hF=1, f1=f2 及各模式振幅相等
Dnt
D Dn n ii
dDn dN , dt dt
dN dDn
Nm
Pm
Dnt
N
Dn f
0
dDn 2 21 vNDn 2n2 A21 2n1W13 dt
两式相除
dN 1 Dnt 1 dDn 2 Dn
积分
1 Dn Dnt 1dDn Ni dN 2 Dni Dn
N
Ni－ t=0 时光子数密度 Dni－t=0 时反转粒子数密度
Ni t0
dN N 21 vNDn dt R dN Dn Dnt 时 0 dt
Dnt
1 21 v R
1. 调Q速率方程及其解
理想阶跃开关；忽略泵浦及自发辐射引起的Dn的变化
dN N 21 vNDn dt R
Dnt 1 21 v R
dN N Dn 1 dt R Dnt Dn N dDn 2 dt D n t R
当 t t P Dn Dnt , N N m
Dnt
1 Dn N Ni Dni Dn Dnt ln 2 Dni
Dni 1 N m Dni Dnt Dnt ln 2 Dnt Dni Dni 1 Dnt ln 1 2 D n D n t t




T E Ei T a

激光调Q原理与技术.

激光调Q原理与技术.

二、调Q基本概念
泵浦时令腔损耗很大(Q很小),突然减小损耗(增大 Q),使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射, 形成光脉冲
n0 nr nt ne m
m
2
n
tp:光子数密度达到m的时刻,相 应反转粒子数密度为nt
t
t
tr te
tr:光子数密度升到m/2的时刻, 相应反转粒子数密度为nr te:光子数密度降到m/2的时刻, 相应反转粒子数密度为ne
x z
y
45
LN
45
全反镜
• 当 =/2 时，所需电压称作四分之一波电压 ，记作V/4；电光晶体上施以电压 V/4 时， 从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后，沿 x′和 x′方向的偏振分量产生了 /2 位相延迟 ，经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又 将产生 =/2 延迟，合成后虽仍是线偏振光 ，但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向，因 此不能通过偏振器。
tr tp te
t
§2 转镜调Q激光器 一、工作原理
激光介质
1、Q开关开启
激光 半反 激光介质 转镜
2、Q开关关闭
半反 转镜
二、装置
棱镜 磁头
镜架
激光介质
半反 激光
磁钢
光泵 电源
电动机
触发电路
电光调Q激光器 一、电光效应 1、定义
沿电光晶体的某一特定方向加直流电场后,在光轴 方向上产生双折射现象，即入射线偏振光将分解 为两个偏振方向正交的本征偏振光
2、类型
(1)纵向电光效应:电场方向与光传播方向一致 (2)横向电光效应:电场方向与光传播方向垂直
电光调Q装置示意图
3、折射率差
加电场后两个正交的本征偏振光折射率之差

激光调Q 技术讲解

激光调Q 技术讲解

么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激
光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器 的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的 反转粒子数便可积累得很多。
当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，
积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的
激光调Q技术
导师：杨秋红教授
学生：刘强
1
content

概述 激光调Q技术原理 2.94μm Er：YAG电光调Q激光器


概述
调Q技术的出现和发展，是激光发展史上 的一个重要突破，它是将激光能量压缩到宽
度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功
率可提高几个数量级的一种技术。
普通的脉冲激光器，光脉冲的宽度约在ms级,峰值功率也只 有几十kW. 调Q激光器,光脉冲的宽度可以压到ns级,峰值功率也已达到 MW. 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：
W 2 Q 2 P a总
通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒
子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级 的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒 子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率 (一般为几十千瓦数量级) 不能提高的原因。 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那
转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，而发射激光。
如此不断重复上述过程，直到泵浦停
止才结束。每个尖峰脉冲都是在阈值 附近产生的，因此脉冲的峰值功率水 平较低。增大泵浦能量也无助于峰值 功率的提高，而只会使小尖峰的个数 增加。

LASER激光器的调Q技术专讲

LASER激光器的调Q技术专讲

如此不断重复上述过程，直到泵浦停
止才结束。每个尖峰脉冲都是在阈值
附近产生的，因此脉冲的峰值功率水
平较低。增大泵浦能量也无助于峰值
功率的提高，而只会使小尖峰的个数
E2
增加。
E1
弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2来描述。它示出了在弛豫振荡过程中粒子反转数 △n 和腔内光子数Φ的变化，每个尖峰可以分为四个阶段 (在t1时刻之前，由于泵浦作 用，粒子反转数△n增长，但尚未到达阈值△n阈因而不能形成激光振荡。)
激光调 Q 技术
调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量压缩到 宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。
调Q技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。
普通的脉冲激光器,光脉冲的宽度约在ms级,峰值功率也只有几十kW. 调 Q 激光器,光脉冲的宽度可以压到ns级,峰值功率也已达到MW.
以形成不同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染
料调Q技术等。
四、调Q技术关键
➢ 动态损耗：Q 开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保 证Q 开关打开之前没有激光产生；
➢ 插入损耗：Q 开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最 小， 一般会引入反射及散射损耗；
➢ 开关时间，Q 开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间， 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 关完全打开之间迅速衰竭；
图2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化
第三阶段(t3一t4)： △n ＜ △n阈 ，增益小于损耗，光子 数密度Φ减少并急剧下降。
第四阶段(t4一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是△n又开始回升， 到t5时刻△n又达到阈值△n阈 ，于是又开始产生第二个尖峰脉冲。因为泵浦的抽运过程的 持续时间要比每个尖峰脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。 泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小

第27讲 调Q激光器

第27讲 调Q激光器

Q脉冲建立，没有输出损耗， 。
EO P1 P2 3 m ,V 0 : K E P 波 E x P 波 E x P波 A x 0
巨脉冲输出
思考：P1 P 2光路 及调Q过程如何？
t PTM
2L c
二、调Q过程
声光调制器调制信号为
1
fs ~
21
在如上图所示的f m调制信号的驱动下，轴向光线受Bragg衍射 s G单程， ，Q ， 作用，以2n 角度被衍射出谐振腔外，
B
0，Pump n ni。
在f s调制下，消除了Bragg衍射， ，Q ，激光振荡建立，
16
27.2 声光调Q方法
四、声光PTM 激光器
2L 输出效率高，脉宽窄，t c 重复频率高，可达MHz以上
对声光器件有更高的要求： 衍射效率接近100%
开关速度要求快得多，上升时间大约为5ns，则要求光束 必须聚焦到一个直径50 m的区域上
17
27.2 声光调Q方法
18
27.2 声光调Q方法
T e
L
和吸收体被漂白 可饱和吸收材料有染料、BDN、LiF : F2 色心晶体、Cr : YAG等。 对于可饱和吸收材料有如下一些要求：
I
0 L lim , T T e I 0 0 0 lim 0, T 1
M2 圆偏振光 3 V V / 4 : M1 K E x P 波 圆偏振光 P
EO / 2EO来自 E y S 波 A， / 2
巨脉冲输出，t PTM
2L c
7
27.1电光调Q方法

激光调Q技术 讲课

激光调Q技术 讲课
激光调Q技术
（Q开关技术）
2015-3-23
光脉冲由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的。 a图，普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察，每个 尖峰的宽度约为0.1～1μ s，间隔为数微秒，脉冲序列的长度大致 与闪光灯泵浦持续时间相等。 b图，红宝石激光器输出的尖峰。 这种现象称为激光器弛豫振荡。
用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q技术。 有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染料调Q技术等。
（1）电光调Q 电光调Q原理：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。
图4-27 电光调Q装置示意图
特点：
1.有较高的动态损耗（９９％）和插入损耗（１５％）
调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化 的技术。或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。
调Q激光脉冲的建立 过程，各参量随时间的变 化情况，如右图所示。 图(a)表示泵浦速率Wp随时 间的变化； 图(b)表示损耗率随时间的 变化； 图(c)表示粒子反转数N的 变化； 图(d)表示腔内光子数Φ随 时间的变化。
2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到10-9秒 ，
3.典型的Nd:YAG 电光调Q激光器的输出光脉冲宽度
约为１０-20ns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦
4.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
（2）声光调Q
图4-28 声光调Q装置示意图
声光调Q技术 利用声光器件的布拉格衍射原理完 成调Q任务。
调Q激光器,光脉冲的宽度可以压到ns级,峰值功 率也已达到MW.
一、调Q原理
Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标

激光调Q技术讲解

调Q激光器用于很多方面：阴影照相，测量高速 运动的物体速度，全息照相，对运动物体拍照等。
上海大学材料学院电子系
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：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。
即
谐振腔 内储存的能量 Q ? 2π 每振荡周期损耗的能量
调节Q值的途径 ：
电光调 Q装置示意图
上海大学材料学院电子系
电光调Q技术分为两个阶段
第一阶段：积累阶段
偏振光通过KDP晶体时分解为沿X和Y方向振动的振幅相 等的两束光，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来决定，当 ? ? ? 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90度。因为P1//P2，所以，从晶体出来的光不 能通过P2，被P2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， Q值很高，称为“关 门”状态。
要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加） 激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激 光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上 能级的反转粒子数便可积累得很多。
上海大学材料学院电子系
? 当反转粒子数积累到最大时，突然把阈值调 到很低，积累在上能级的大量粒子便雪崩式 的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能 量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲 激光输出。
? 当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复 上述过程，直到泵浦停止才结束。 每个尖峰脉冲都 是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较 低。增大泵浦能量也无助于峰值功率的提高，而只 会使小尖峰的个数增加。
上海大学材料学院电子系
通常的激光器谐振腔的损耗是不变的 ，一旦光泵浦使反转 粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上 能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的 反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器 峰值功率(一般为几十千瓦数量级) 不能提高的原因。

激光调Q技术讲解


超阈度: D ni
nth
ni
nth =10
ni nth =20
ni nth =30
ni nth =40
ni nth =50
100 000
50 000
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
s 0.06
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光脉冲宽度
上海大学材料学院电子系
几种激光调Q技术
机械转镜调Q
分
电光调Q技术
主动式调Q方法
高压、快速电光驱动器或射
调Q激光器用于很多方面：阴影照相，测量高速 运动的物体速度，全息照相，对运动物体拍照等。
上海大学材料学院电子系
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：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。
即
谐振腔内储存的能量 Q 2π 每振荡周期损耗的能量
调节Q值的途径 ：
上海大学材料学院电子系
电光调Q技术分为两个阶段
第一阶段：积累阶段
偏振光通过KDP晶体时分解为沿X和Y方向振动的振幅相 等的两束光，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来决定，当 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90度。因为P1//P2，所以，从晶体出来的光不 能通过P2，被P2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，Q值很高，称为“关 门”状态。
激光调Q技术
刘强 11721442
上海大学材料学院电子系
content
概述 激光调Q技术原理 几种激光调Q技术
上海大学材料学院电子系

第27讲-调Q激光器分解讲课讲稿

V0E x P E O 0 T E O 0 P E x
T 1 0 0 % , 光 路 导 通 ， Q 值 高 ，
思 考 题 ： 怎 么 将 / 4 波 片 退 压 式 调 Q 变 成 / 4 波 片 加 压 式 调 Q ？
上 述 方 法 称 为 PRM 方 式 调 Q， 在 建 立 Q脉 冲 过 程 中 ， 边 振 荡 输 出 ， Q脉 冲 宽 度 1 0 1 0 0 n s。
巨脉冲输出
思考：P1P2光路 及调Q过程如何？
2L
tPTM c
5
27.1电光调Q方法
2 、 /4 波 片 式 ： rr
1VV/4:M 1 K P E xP 波 E O /2 圆 偏 振 光 M 2 圆 偏 振 光
r
E O /2 r E y S 波 r A ， 不 能 通 过 rP , T 0 , 激 光 不 能 r振 荡 ， n i 2 V 0 :M 1 K P E xP 波 E O 0 E xP 波 M 2 E x P 波
2
27.1电光调Q方法
3
27.1电光调Q方法
二 、 偏 振 器 件
4
27.1电光调Q方法
三 、 P T M 式 电 光 调 Q由 两 个 全 反 镜 组 成 谐 振 腔
1 、 2 1 V /n 2 波 0 :片 n K m r a 式 x ,V P 1 V E r / x 2 : P M 波 1 K r E O 0 P 1 E r E r xx P P 波 波 P 2 E O E r x 不 E r P 能 y 波 S 振 波 荡 A ，， P 2 n M i 2
巨 脉 冲 输 出 ， tPTM2cL
6
27.1电光调Q方法
四 、 设 计 电 光 调 Q 激 光 器 要 考 虑 的 问 题

调Q激光器基本理论


qN
qN
振幅 sin 1 2N 1t
At E0
2
sin 1 t
2
E0
E t cos0t
振幅调制包络
sin 1
2 sin
2N 1 1 t
2
t
三、锁模脉冲特性
未锁定时 I 2N 1E02
(1) 峰值功率 Im (光强极大值)
sin 2 1 2N 1t
I t E 2 t E02
1 , 2 , 3
2 21, 3 31
E1 = E2 = E3 = E0 , 1 2 3 0
（振幅相等） （初始相位为0）
E1 E0 cos2 1t E2 E0 cos4 1t E3 E0 cos6 1t
E(t)
0
E1 E0 cos21t E2 E0 cos41t E3 E0 cos61t
T0
2
2L c
1
D q
2L v
(3) 脉冲宽度 ()
2
2N 1
2L c
1 2N 1
1
D q 2N
1
1
D osc
1
D F
通过DnF 可估算锁模脉宽 钕玻璃 DF ＝7.5×1012 ~ps
激光器类型
荧光线宽（s-1） 荧光线宽的倒数(s) 脉冲宽度（测量值）(s)
氦氖
1.5×109
Nd:YAG
N
R
两式相除 dN 1 Dnt 1 积分 dDn 2 Dn
N
Ni
dN
1 2
Dn
Dni
Dnt Dn
1dDn
Ni－ t=0 时光子数密度 Dni－t=0 时反转粒子数密度
(7-3-5)
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3
27.1电光调Q方法
4
27.1电光调Q方法
二、偏振器件
5
27.1电光调Q方法
三、PTM式电光调Q 由两个全反镜组成谐振腔
1、 / 2波片式
不能振荡，ni
1 V 0 : K P1 Ex P波 EO 0 Ex P波 P2 Ex P波 A，
2 n nmax ,V V /2 : M1 K P1 Ex P波 EO E y S波 P2 M2
的重复率输出。
s
10
27.2 声光调Q方法
11
27.2 声光调Q方法
三、声光调Q激光器输出特性
1、声光调Q实验装置
从超声场消失到巨脉冲形成有一时间间隔，这就是脉冲建立
时间t
D
一般为
s
，开关的开关时间t
s
必须小于t
。
D
声光调Q的开关时间是微秒量级,比电光调Q要长得多。
12
27.2 声光调Q方法
2、输出特性
Bragg公式：sin B
0 2ns
0 2n s
fs
ks 2k
s G单程
超声场有上升时间tr和下降时间t f，t f 就是开关时间ts ,由两部
分构成：一是换能器的功率下降时间；二是光束的渡越时间d /Vz 。
fs 1/s
16
27.2 声光调Q方法
四、声光PTM激光器
输出效率高，脉宽窄，t 2L c
部件1为换能器，由石英、 铌酸锂等晶体构成。 部件2为声光介质，可以 采用熔融石英、玻璃、氧
化碲TiO2 、钼酸铅 PbMO4 等材料。
15
27.2 声光调Q方法
部件3是吸声材料，一般采用 铅橡胶、玻璃棉等材料。
dcf 为锐角
abcd面一般采用平行四边
形，使abc 90o B
Bragg判据：L 2L0
重复频率高，可达MHz以上 对声光器件有更高的要求：
衍射效率接近100% 开关速度要求快得多，上升时间大约为5ns，则要求光束
必须聚焦到一个直径50m的区域上
17
27.2 声光调Q方法
18
27.2 声光调Q方法
19
27.3 被动调Q
电光调Q和声光调Q都是主动式调Q，即人为的利用某 些物理效应来控制激光谐振腔的损耗，从而达到Q值 得突变；而被动式调Q方式，是利用某些可饱和吸收 体本身特性来改变激光谐振腔的损耗，达到调Q目的。
一般取fs 1 / s，对于Nd :YAG， s 230s，则fs 取4 ~ 5kHz
定义H
峰值功率 连续输出功率
，则H
~
fs 关系如右下图所示。
14
27.2 声光调Q方法
超阈度D ni / nt的影响 声光调Q的D比电光调Q低很多，可以通过提高泵浦功率和减小 激光器损耗来提高超阈度D
四、声光调Q器件
激光原理与技术
第二十七讲 调Q激光器
27.1电光调Q方法
在激光谐振腔内，利用电光调制器作为Q开关。
电光Q开关时间在ns量级。 调Q时间可以精确控制。
一、PRM式电光调Q
1、 / 2波片式
X / / P1 P2 / /Y
加 V
压
0 R P1 EO P2 T , 光路断,Q值低，ni
式
V
V /2
Ex
E9O0o E y
,光路通，Q值高，
P1 / / P2 X
退 V
V /2
Ex
E9O0o E y
压
光路断,Q值低，ni
式 V 0 R P1 EO P2T
光路通，Q值高，
2
27.1电光调Q方法
2、 / 4波片式：起偏与检偏合二为一
退 压
V
式 V
V /4 0
Байду номын сангаас 3 V V /4 : M1 K P Ex P波 EO/2 圆偏振光 M2 圆偏振光
EO/2 E y S波 A，
巨脉冲输出，t PTM
2L c
7
27.1电光调Q方法
四、设计电光调Q激光器要考虑的问题
调制晶体 消光比高，透过率高，半波电压低，抗激光破坏阈值高。 晶体潮解问题
Pin PM ，t
fs PM ，t ，P
当fs
10kHz时，动静比
调Q的平均功率 不调Q的连续功率的比值
1
13
27.2 声光调Q方法
重复频率对输出性能的影响
fs As，反转粒子数未饱和； fs As，反转粒子数饱和；
fs 过高时，ni 较低，调Q脉冲的峰值功率较低，脉宽较宽； fs 过低时，部分反转粒子数会由于自发辐射而损耗，影响效率
调制器的电极结构
要形成均匀电场 纵向运用用环形电极，横向运用用平板电极。 对工作物质的要求 上能级寿命长，抗激光破坏阈值高。 对泵浦源的要求
泵浦光的脉宽和工作物质的上能级寿命要匹配。 对Q开关控制电路的要求
开关速度要快，控制要精确。
8
27.2 声光调Q方法
一、机理
在激光谐振腔内，利用声光调制器作为Q开关。 声光调制器件采用行波场，Bragg衍射，要求s G单程 声光调制器的1级光为腔内损耗，0级光为激光振荡。 声光调Q多用于增益较低的连续激光器。 思考题：为什么声光调Q中，声光调制器件要采用行波场？
1 V V /4 : M1 K P Ex P波 EO/2 圆偏振光 M2 圆偏振光
EO/2 Ey S波 A，不能通过P,T 0, 激光不能振荡，ni 2 V 0 : M1 K P Ex P波 EO 0 Ex P波 M2 Ex P波
EO 0 Ex P波 P M1，Q脉冲建立，没有输出损耗， 。
9
27.2 声光调Q方法
二、调Q过程
声光调制器调制信号为
1
fs ~ 21
在如上图所示的fm调制信号的驱动下，轴向光线受Bragg衍射
作用，以2nB角度被衍射出谐振腔外，s G单程， ，Q ，
0，Pump n ni。
在fs调制下，消除了Bragg衍射， ，Q ，激光振荡建立，
，巨脉冲以f
Ex P EO/2T EO/2 P T 0,光路断,Q值低，ni Ex P EO0T EO0 P Ex
Ey
T 100%,光路导通，Q值高，
思考题：怎么将 / 4波片退压式调Q变成 / 4波片加压式调Q？
上述方法称为PRM 方式调Q，在建立 Q脉冲过程中，边 振荡输出，Q脉冲 宽度10 100ns。
M1 K P1 Ex P波 EO Ey S波 P2 M2
Q脉冲建立，没有输出损耗， 。
3 m ,V 0 : K P1 Ex P波 EO 0 Ex P波 P2 Ex P波 A
巨脉冲输出
思考：P1 P2光路 及调Q过程如何？
t PTM
2L c
6
27.1电光调Q方法
2、 / 4波片式：