长春理工大学 激光器件与技术 第二章-2讲分解
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激光光学课件第二章1-3节
dx px n n x dz dy py n n y dz
（2.1.26）
与式（2.1.1）、（2.1.3）相应的变换公式分别为
~ ~ q x 2 A11 A12 q ~ ~ y 2 A21 A22 ~ ~ p x 2 C11 C12 ~ ~ p y 2 C21 C22
变换矩阵为
1
1
经该光学系统变换后，在折射率
x1 x 2 总的 1 2
A B 1 v a b 1 u a cv au b v(cu d ) C D 0 1 c d 0 1 c （2.3.1） cu d
det M AD BC 1
则有
（2.2.9）
A B 1 m M sin C D
式中 （ii）薄透镜序列
m
A sin m sin( m 1) C sin m
（2.2.10） D sin m sin( m 1)
（2.2.11）
2.3 几何光学中的矩阵方法
一、几何成像的ABCD定律
a b 图2.3.1中，参考面 RP、RP2 ，设其变换矩阵为 ，在折射率 1 c d x
中与 RP1 相距u的入射面上的光线
图2.3.1 几何成像系统的矩阵表示
n1的物空间 n2
x2 的像空间中与 RP2 相距（ v） 处对应光线矢量为 ，由 2
且
（2.1.28）
~ ~~ ~~ det M AD BC 1
~ ~ A M ~ C ~ B ~ D
（2.1.29）
式中
（2.1.30）
长春理工大学-激光器件与技术第一章-3讲
Page: 2
第
§1.4 声光调制
一 章 1. 声光调制的物理基础
激 声光效应：
光 调
声波是一种弹性波，在介质中传播时，它使介质产生相应 的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波传播方向振动，引 起介质的密度呈疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也
制 随着发生相应的周期性变化。等同于一“相位光栅”，光栅间
术
到信号的调制使声波振幅变化时，衍射光强也将随之相应变化。
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 17
第
§1.4 声光调制
一
章
激
衍射效率η与
光
超声功率Ps是非线
调
性调制曲线形式，
制
所以为了使调制不
与
发生畸变，需要加
偏
超声偏置，使其工
转 技
作在线性较好的区 域。
术
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 18
技
M1值越大的声光材料制成的调制器所允许的调制带宽越大。
术
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 23
第
§1.4 声光调制
一
章 4. 声光波导调制器
• 它由平面波导和交叉电极换能器组成
激
。为了在波导内能有效地激起表面弹 性波，波导材料采用压电材料。衬底
光
是y切割的LN压电晶体材料，扩散的
调
Ti波导。用光刻法在表面做成交叉电 极的电声换能器。整个器件可绕y轴
L
2L0 1
L 2 L0
(布拉格衍射) (拉曼奈斯衍射)
(21)
术
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 15
第
§1.4 声光调制
长春理工大学 激光器件与技术 第二章-2讲
光性质
E
C
AB
o光 no
BC
o光 no
CE
o光 no
Page: 15
折射率
长春理工大学电子科学与技术系
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 对于e光来讲，反射前沿z轴振动， 反射后，近似沿y轴振动，由e光变 为e’光。根据各向异性介质的反射 公式
x z y
C
’ B
E
ne sin 45 ne 'sin
KD*P
全反镜
x
U /2
检偏器
y
z
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 7
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2. 带偏振器的电光调Q器件-（单偏振器） 激光 输出镜 氙灯 激光介质：Nd:YAG晶体； 偏振器：格兰棱镜； 电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾） YAG 偏振器 KD*P
全反镜
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 20
§2.3 电光调Q
双45oQ开关的特点：
第 二 章 调 Q 技 术
①双45o电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光 的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件； ②对于横向运用的LN晶体，可以通过控制晶体的长度和 厚度的比值来降低半波电压值。 缺点： ①由于o光和e光在BC段中的路程不同，所以要求的半波 电压不同。为解决此问题，需要引入“光预偏置技术” ， 增加了电路的复杂性； ②晶体保证双45o的方位不容易，给加工带来了困难。 优点:
y
z
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 12
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3. 单块双45o电光调Q器件-（无偏振器） 激光 输出镜 氙灯 YAG
E
C
AB
o光 no
BC
o光 no
CE
o光 no
Page: 15
折射率
长春理工大学电子科学与技术系
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 对于e光来讲，反射前沿z轴振动， 反射后，近似沿y轴振动，由e光变 为e’光。根据各向异性介质的反射 公式
x z y
C
’ B
E
ne sin 45 ne 'sin
KD*P
全反镜
x
U /2
检偏器
y
z
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 7
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2. 带偏振器的电光调Q器件-（单偏振器） 激光 输出镜 氙灯 激光介质：Nd:YAG晶体； 偏振器：格兰棱镜； 电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾） YAG 偏振器 KD*P
全反镜
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Page: 20
§2.3 电光调Q
双45oQ开关的特点：
第 二 章 调 Q 技 术
①双45o电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光 的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件； ②对于横向运用的LN晶体，可以通过控制晶体的长度和 厚度的比值来降低半波电压值。 缺点： ①由于o光和e光在BC段中的路程不同，所以要求的半波 电压不同。为解决此问题，需要引入“光预偏置技术” ， 增加了电路的复杂性； ②晶体保证双45o的方位不容易，给加工带来了困难。 优点:
y
z
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3. 单块双45o电光调Q器件-（无偏振器） 激光 输出镜 氙灯 YAG
【全文】长春理工---激光技术-习题
1 2230
1 1.394 108
3.22 10 12 (s)
输出的脉冲间隔
T
2L/ c
2 1.076 3 10 8
7.17 10 9 (s)
答案：
(2) 谐振腔的光学腔长为 L/ L l n1 l n 1 0.11 0.11.83 1.083(m)
谐振腔决定的模式间隔为
q
c 2L/
3108 632.8 109
2
2 1012
1.50109 (Hz)
则可以振荡的模式数
N/
g q
1.5 109 1.5108
10
输出的脉冲宽度
11 2N 1 q
1 10
1 1.5108
6.67 10 10 (s)
输出的脉冲间隔
T
2L/ c
21 3 10 8
6.67 10 9 (s)
主动锁模 小结
1.1.1 振幅调制 1.1.2 频率调制和相位调制
1.2 电光调制
1.2.1 电光1调.1.制3 强的度物调理制基础
1.3 声光调制
1.2.2 1.3.1
电声光光1强调.1.度制4 脉调的冲制物调理制基础
1.2.3 1.3.2
电声光光1相互.1.位作5 脉调用冲制的编两码种调类制型
1.2.7 设计电光调制器应考虑的问题
试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态(线偏振 光、椭圆偏振光、自然光)，并指出是根据什么现象？如果 一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到 光强调制？为什么？
答案：
(1) 为了使晶体对入射的偏振光的两个分量的相位延迟
皆有相同的符号，则把晶体x和y轴逐块旋转90度安置，z
轴方向一致（如下图），
激光器件与技术教学大纲
《激光器件与技术》课程教学大纲课程代码：090641003课程英文名称：Laser Devices and Technology课程总学时：48 讲课：48 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标激光器件与技术是光电信息科学与工程专业的一门专业必修课，通过本课程的学习，可以使学生了解和掌握激光器件的基本原理和基本技术。
熟悉一些典型的激光器的工作原理，同时将介绍目前激光技术领域中一些比较先进的技术，为学生将来从事激光技术等相关领域的工作打下坚实的基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.知识方面的基本要求：通过本科程的学习，使学生掌握：典型激光器件的结构、工作原理及输出特性；调Q技术的基本原理和器件的分类；超短脉冲技术的基本原理和分类。
2.能力方面的基本要求：通过本科程的学习，培养学生：几种典型激光器件的调试使用和初步设计能力、激光器特性的控制与改善的初步设计能力。
3.技能方面的基本要求：通过本课程的学习，使学生获得：各类典型激光器件的调试和使用技能、激光技术的基本设计能力。
（三）实施说明这个教学大纲是根据光电信息科学与工程专业的特点和学科内容要求而编写的，在执行本大纲时应注意以下几点：1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用标准、规范及手册等技术资料的能力。
讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。
2．教学手段：本课程属于专业基础课，在教学中采用电子教案及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。
（四）对先修课的要求本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。
本课程主要的先修课程有激光原理、高等数学光电子学、半导体物理等。
激光原理与技术(第二章1)PPT课件
3. 腔镜反射不完全引起的损耗：包括镜中的吸收、散射以及镜 的透射损耗。通常镜至少有一个反射镜是部分透射的，另一 个通常称“全反射”镜，其反射率不可能做到100%。
4. 固有损耗：激光材料的吸收、散射等引起的损耗。
1和2为选择损耗：不同模式的几何损耗和衍射损耗各不相同。3和 4为非选择损耗：对各个模式大体一样。
上海大学电子信息科学与技术
损耗的参数 (loss per pass, photon lifetimes, and quality factor Q)
1. 平均单程损耗因子
初始光强I0，在腔内往返一次后，光强衰减为I1，则
I I0e2
1 2
ln
I0 I
－指数损耗因子
如果I代表每一个引起损耗缘由的损耗因子，则总损耗
1 0
Tf
1
f
1
f R 2
焦距为f=2/R的薄透镜与球面反射镜等效
5.ABCD矩阵的应用－球面镜腔的往返矩阵 上海大学电子信息科学与技术
球面镜腔中往返一周的光线矩阵（简称往返矩阵）
r44 TR1TLTR2TL r00
T
r00
A C
B D
r0
0
T
A C
B D
1 2
R1
10
1 0
0 L
1 2
2. 与腔损耗有关的参数 －光子寿命R
光子(平均)寿命R－腔内光强衰减到初始值的1/e 所需时间
根据定义，如何计算光子平均寿命
I m I0 e2 m I0e2m
m
t
2L
R称为腔的时间常数
c
1
Im
m
I 0e 2m
t 2L
c
R
4. 固有损耗：激光材料的吸收、散射等引起的损耗。
1和2为选择损耗：不同模式的几何损耗和衍射损耗各不相同。3和 4为非选择损耗：对各个模式大体一样。
上海大学电子信息科学与技术
损耗的参数 (loss per pass, photon lifetimes, and quality factor Q)
1. 平均单程损耗因子
初始光强I0，在腔内往返一次后，光强衰减为I1，则
I I0e2
1 2
ln
I0 I
－指数损耗因子
如果I代表每一个引起损耗缘由的损耗因子，则总损耗
1 0
Tf
1
f
1
f R 2
焦距为f=2/R的薄透镜与球面反射镜等效
5.ABCD矩阵的应用－球面镜腔的往返矩阵 上海大学电子信息科学与技术
球面镜腔中往返一周的光线矩阵（简称往返矩阵）
r44 TR1TLTR2TL r00
T
r00
A C
B D
r0
0
T
A C
B D
1 2
R1
10
1 0
0 L
1 2
2. 与腔损耗有关的参数 －光子寿命R
光子(平均)寿命R－腔内光强衰减到初始值的1/e 所需时间
根据定义，如何计算光子平均寿命
I m I0 e2 m I0e2m
m
t
2L
R称为腔的时间常数
c
1
Im
m
I 0e 2m
t 2L
c
R
激光器件与技术第二章1
对于小型器件，一般采用倍压整流电路。
激光器件与技术
二、He-Ne 激光器的能级图 He-Ne激光器的工作物质为He和Ne气体，其中产生激
光跃迁的是Ne气， He是辅助气体，用于提高Ne原子的 泵浦速率，产生粒子数反转。
能级图如图所示：
图中：11 s0 为He原子基态能级
21s0 、23 s1为He原子两个激发态能级
激光器件与技术
弹性碰撞：是指粒子在碰撞过程中只交换动能和动量， 任一粒子内部都不发生电离和激发等过程。
非弹性碰撞：粒子内能发生了变化。
非弹性碰撞又分为：第一类非弹性碰撞和第二类非 弹性碰撞。
1、第一类非弹性碰撞 第一类非弹性碰撞是指一个粒子的动能转变为另一
个粒子内能的碰撞。
最常见的形式之一是快速电子与气体粒子发生 碰撞激发和电离。
632.8nm .对应的跃迁为： 3s2 2p4
1.15m .对应的跃迁为： 2s2 2p4
3.39m .对应的跃迁为： 3s2 3p4
激光器件与技术
三、Ne原子激光上能级的激发过程 1、能级共振转移 共振转移过程如下： He(10 s1) e(快) He(21s0) e（慢） He(10 s1) e(快) He(23s1) e（慢）
D点所对应的电压称为着火电压或叫起辉电压。
DE段对应着非自持放电 到自持放电的转换过程
着火过程 放电管呈负阻特性 电路中一定要加限流电阻
激光器件与技术
EF段对应的放电称为辉光放电 辉光放电是一种稳定的小电流自持放电
这段电流
FG段对应的放电称为反常辉光放电 反常辉光放电时，阴极发生强烈的溅射，一般防止 放电管在此状态下工作。 GH段对应弧光放电 G点电压：弧光着火电压。
He-Ne激光器
激光器件与技术
二、He-Ne 激光器的能级图 He-Ne激光器的工作物质为He和Ne气体，其中产生激
光跃迁的是Ne气， He是辅助气体，用于提高Ne原子的 泵浦速率，产生粒子数反转。
能级图如图所示：
图中：11 s0 为He原子基态能级
21s0 、23 s1为He原子两个激发态能级
激光器件与技术
弹性碰撞：是指粒子在碰撞过程中只交换动能和动量， 任一粒子内部都不发生电离和激发等过程。
非弹性碰撞：粒子内能发生了变化。
非弹性碰撞又分为：第一类非弹性碰撞和第二类非 弹性碰撞。
1、第一类非弹性碰撞 第一类非弹性碰撞是指一个粒子的动能转变为另一
个粒子内能的碰撞。
最常见的形式之一是快速电子与气体粒子发生 碰撞激发和电离。
632.8nm .对应的跃迁为： 3s2 2p4
1.15m .对应的跃迁为： 2s2 2p4
3.39m .对应的跃迁为： 3s2 3p4
激光器件与技术
三、Ne原子激光上能级的激发过程 1、能级共振转移 共振转移过程如下： He(10 s1) e(快) He(21s0) e（慢） He(10 s1) e(快) He(23s1) e（慢）
D点所对应的电压称为着火电压或叫起辉电压。
DE段对应着非自持放电 到自持放电的转换过程
着火过程 放电管呈负阻特性 电路中一定要加限流电阻
激光器件与技术
EF段对应的放电称为辉光放电 辉光放电是一种稳定的小电流自持放电
这段电流
FG段对应的放电称为反常辉光放电 反常辉光放电时，阴极发生强烈的溅射，一般防止 放电管在此状态下工作。 GH段对应弧光放电 G点电压：弧光着火电压。
He-Ne激光器
2024年激光原理与技术课件课件
激光原理与技术课件课件激光原理与技术课件一、引言激光作为一种独特的人造光，自20世纪60年代问世以来，已经在众多领域取得了举世瞩目的成果。
激光原理与技术已经成为现代科学技术的重要组成部分，并在光学、通信、医疗、工业加工等领域发挥着重要作用。
本课件旨在阐述激光的基本原理、特性以及应用技术，使读者对激光有更深入的了解。
二、激光的基本原理1.光的粒子性与波动性光既具有粒子性，也具有波动性。
在量子力学中，光被视为由一系列光子组成的粒子流，光子的能量与频率成正比。
而在波动光学中，光被视为一种电磁波，具有频率、波长、振幅等波动特性。
2.光的受激辐射受激辐射是指处于激发态的原子或分子在受到外来光子作用后，返回基态并释放出一个与外来光子具有相同频率、相位、传播方向和偏振状态的光子。
这个过程是激光产生的核心原理。
3.光的放大与谐振在激光器中，通过光学增益介质实现光的放大。
当光在增益介质中往返传播时，不断与激发态原子或分子发生受激辐射，使光子数不断增加。
同时，通过谐振腔的选择性反馈，使特定频率的光得到进一步放大，最终形成激光。
三、激光的特性1.单色性激光具有极高的单色性，即频率单一。
这是由于激光器中的谐振腔对光的频率具有高度选择性，只有满足特定频率的光才能在谐振腔内稳定传播。
2.相干性激光具有高度的相干性，即光波的相位关系保持稳定。
相干光在传播过程中能形成稳定的干涉图样，广泛应用于光学检测、全息成像等领域。
3.方向性激光具有极高的方向性，即光束的发散角很小。
这是由于激光器中的谐振腔对光的传播方向具有高度选择性，只有沿特定方向传播的光才能在谐振腔内稳定传播。
4.高亮度激光具有高亮度，即单位面积上的光功率较高。
这是由于激光的单色性、相干性和方向性使其在空间上高度集中，从而具有较高的亮度。
四、激光的应用技术1.光通信激光在光通信领域具有广泛应用，如光纤通信、自由空间光通信等。
激光的高单色性、相干性和方向性使其在传输过程中具有较低的信号衰减和干扰，从而实现高速、长距离的数据传输。
第2讲激光器件及其技术
He-Ne激光器能级图
Ne激光下能级消激发 1S 到 1S0禁戒跃迁，管壁碰撞驰豫，所以用毛细管 第三届全国物理学研究生暑期学校
CO2激光器
激光上下能级为电子基态 的振转能级，能量转换效 率高，输出功率大，波长 较长，在远红外， 9-11微 米 激发：直流辉光放电 （ 1）电子碰撞激发 （ 2）窜级跃迁激发 （ 3）共振转移 +N2
第三届全国物理学研究生暑期学校
Nd3+ 4f35s25p6 4f 能级未满 不在最外层，受晶格场影响较 小，电子-声子耦合较小，谱线窄
第三届全国物理学研究生暑期学校
红宝石能级系统
工作物质 Cr3+ Cr 外层电子 3d54s1 Cr3+ 3d3
基质材料：宝石 （Al2O3), 各向异性光学单轴晶体 Cr3+的3d3电子在最外层，受基质晶格场的影响 三能级系统
θi = θ d = θ λs sin θ = λ / 2n
ω d = ωi ± ω s
第三届全国物理学研究生暑期学校
调Q
Q激光器的品质因子 定义： W
Q = 2πγ
dW
其中W为腔内储能，dW为每秒损耗的能量
2πnl Q= δλ
δ
为单程损耗
调Q：改变腔的Q因子，使激光输出窄脉冲
第三届全国物理学研究生暑期学校
第三届全国物理学研究生暑期学校
掺钛蓝宝石
吸收：蓝绿光. 对不同偏振吸收 截面不同。 E//C轴， 吸收多 荧光光谱也有偏振特性 增益峰值波长：795nm 增益范围：650-1200nm 带宽约122nm，是迄今为止最宽的
π
E⊥ C轴，
σ
吸收少
第三届全国物理学研究生暑期学校
长春理工大学 激光器件与技术 第二章-3讲
泛的一种调Q技术。
• 声光效应：声波是一种弹性波，当声波在介质中传播时，会 使介质产生相应的弹性形变，激起介质中各质点沿声波的传 播方向振动，从而引起介质的密度呈疏密相间的交替变化， 介质的折射率也随之发生周期性变化。
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 2
§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
的重复频率可以高达MHz量级以上。
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 10
§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
三. 声光调Q器件的设计
1). 材料的选择 • 电-声换能器---机电耦合系数大的材料。例如石英和LiNbO3晶
片。LN的机电系数比石英大25倍，但目前大面积的LN加工
难度大。 • 声光介质---介质的品质因数大；对光的吸收小；对超声波的 吸收小；具有良好的热稳定性；有足够大的尺寸；光损伤阈 值高。目前常用熔融石英。
• 开展实验的步骤：
前期文献调研→理论计算与实验结果预测→明确的实验目的→
所用器件参数的计算、调研和购买→准备实验→开展实验→ 数据记录→数据处理→实验结果分析→实验改进→ 达到预期效果→ 撰写文章
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 21
§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
同步性能好，使用寿命长 输出脉冲稳定 电光调Q 可获得几十兆瓦以上的峰值 功率和常见几纳秒脉宽的脉 冲
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 18
§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
四、声光调Q动态实验及输出特性
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 19
§2.4 声光调Q
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§ § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §
第2章
————————————————
调Q（Q开关）技术
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 1
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
一. 电光调Q原理
• 利用晶体的电光效应可做成电光Q开光器件。具有开关时间 短，效率高，输出脉宽窄，峰值功率高等优点，目前应用比
经过全反镜反射回来，再次通过电光晶体，又会产生π/2的相位差，往返一次 共产生π相位差，合成后得到沿y方向的线偏振光，偏振面相对于入射光旋转
了90o，不能通过偏振器，此时电光Q开关处于“关闭”状态。
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 10
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3). 调Q过程
较广泛的一种调Q技术。
• 电光效应：某些晶体或液体在外加电场作用下，折射率发生 变化的现象。
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 2
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
1. 带偏振器的电光调Q器件-（双偏振器） 激光 输出镜 氙灯 激光介质：Nd:YAG晶体； 起偏器与检偏器的偏振方向相同； 电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾）； YAG 起偏器 KD*P 全反镜
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 9
YAG 偏振器
KD*P
全反镜
x y z
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2). Q开关“关闭”时： 激光 YAG KD*P 全反镜
x
输出镜 氙灯
偏振器
U /4
y
z
当在电光晶体上施加λ/4电压，由于纵向电光效应，当沿x方向的线偏振光通过
晶体后，两分量之间便产生π/2的相位差，从电光晶体出射后合成圆偏振光；
Page: 19
E
C
E
C
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 从上面的分析可看出：
① 第一个45o反射面的前段，相当于一个起偏器，它能产生o光 和e光；第二个45o反射面的后段，相当于一个检偏器，故双 45o的LN晶体等效于在两个偏振器之间夹了一块调制晶体。
② 不加电压时，入射光经过电光晶体后，出射光仍平行于入射 光，此时对应于Q开关“打开”。 ③ 加半波电压后，出射光偏离原入射光方向，腔内光路不通， 此时对应于Q开关“关闭”。谐振腔处于低Q值，激光振荡无 法形成，在外界泵浦下，反转粒子数积累。 ④ 当对电压进行周期性调制后，便可得到Q开关“打开”、“ 关闭”的周期性变化，从而得到调Q脉冲输出。
x
U /2
检偏器
y
z
纵向电光效应：z轴加电压，z轴通光。
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
1). Q开关“打开”时： 激光 输出镜 氙灯
Nd:YAG晶体在闪光灯或二极管泵浦下，发射自然激光，无偏振性
。通过起偏器后，变成沿x方向振动的线偏振光。电光晶体未加电压时 ，光沿轴线方向通过晶体，其偏振态不发生变化，可以通过检偏器，
YAG 起偏器
KD*P
全反镜
x
检偏器
y
z
经全反镜反射后，沿原路返回，此时电光Q开关处于“打开”状态。
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2). Q开关“关闭”时： 激光 输出镜 氙灯
当在电光晶体上施加λ/2电压，由于纵向电光效应，当沿x方向的线偏振光通 过KD*P晶体后，两分量之间便产生π的相位差，从电光晶体出射后仍为线偏振光 ，但偏振面相对入射光旋转了90o，沿y方向，因而不能通过检偏器。此时电光Q 开关处于“关闭”状态。
45 B
no sin 45 ne sin
(3)
no>ne，则θ>45o。由于e’光不是垂直晶体出射 面射出晶体，故在出射面上又发生折射，所 以o光最终经晶体出射后，出射方向并不与入 射方向平行。
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AB 光性质 o
折射率 no
BC oe
no
CE e
ne
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YAG 起偏器
KD*P
全反镜
x
U /2
检偏器
y
z
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3).电光调Q的过程：
在氙灯刚开始点燃时，事先在调制晶体上加λ/2电压，使 谐振腔处于“关闭”的低Q值状态，阻断激光振荡的形成。 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/2电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，于是产生雪 崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。
y
z
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3. 单块双45o电光调Q器件-（无偏振器） 激光 输出镜 氙灯 YAG
x z y 45
LN
45
全反镜
• 激光介质：Nd:YAG晶体 • 电光晶体：LiNbO3晶体，加工成具有两个45o斜面的矩形长方 体，光轴（z轴）沿长方体的轴向，电压沿x轴加到晶体上。 • 这样既不影响通光，而且电场又很均匀。这种结构不需要插入 偏振器，可减少插入损耗。 这是一种结构简单、比较理想的电 光Q开关。
AB 光性质 e
BC CE e o o no no
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折射率
ne
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
LN加半波电压后，出射光偏离原入射光方向，腔内光路不通，Q开关处 于“关闭”状态。谐振腔损耗大，Q值低，激光振荡无法形成。
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• 当氙灯刚开始点燃时，在电光晶体上加λ/4电压，使谐振腔处于光“关闭 ”状态，阻断经过振荡的产生，反转粒子数积累；当反转粒子数积累到 最大值时，突然撤去电光晶体上的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，可输出一巨脉冲。 实验关键：
• 1）精确控制Q开关“打开”的延迟时间，即从泵浦开始后延迟一段时间 ，反转粒子数积累最多时，立即打开Q开关。Q打开过早，反转粒子数未 达最大，影响巨脉冲输出；Q打开过晚，由于自发辐射等损耗，影响巨 脉冲的功率。 • 2）格兰棱镜的起偏方向与电光晶体的x轴或y轴方向一致，以保证起偏方 向与电光晶体的感应主轴x’、y’成45o角。简单的方法时，在电光晶体加 电压时，转动格兰棱镜和晶体的相对方位，直至不能出光为止。
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2). 加电压（Uλ/2）时：
沿x轴加电压后，偏振光在AB段的传播情况 与不加电压时基本相同，差别在于BC段。晶 体上加半波电压后，电光晶体BC段相当于一 个半波片。 对于o光，在第一个45o面发生全反射，反射 后沿z轴传播。在BC段传播时，相当于通过 一个半波片，故其偏振面会旋转90o，由原来 的o光变为e’光；故经过第二个45o反射时，遵 循各向异性介质的反射定律： A x z C y E
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§2.3 电光调Q
双45oQ开关的特点：
第 二 章 调 Q 技 术
①双45o电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光 的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件； ②对于横向运用的LN晶体，可以通过控制晶体的长度和 厚度的比值来降低半波电压值。 缺点： ①由于o光和e光在BC段中的路程不同，所以要求的半波 电压不同。为解决此问题，需要引入“光预偏置技术” ， 增加了电路的复杂性； ②晶体保证双45o的方位不容易，给加工带来了困难。 优点:
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
评 价
2. 带偏振器的电光调Q器件-（单偏振器）
• 在晶体上加Uλ/4，对于KD*P来说，约3kV~4kV。 • 腔内仅插入一个偏振片，减小了插入损耗。
激光 输出镜
YAG 偏振器 氙灯
KD*P
全反镜
x
U /4
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 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45o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。
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峰值功率>10MW；脉冲宽度6-10ns。
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 这种Q开关的工作过程与双45oQ 开关的差不多，主要是对一种线 偏振光(o光或e光)起振，而另一 线偏振光逸出腔外，所以产生偏 光脉冲输出。 • 优点：结构简单，加工容易，插 入损耗小；加电压Uλ/4比双45oQ 开关低一倍；适合各种工作物质 。 • 缺点：Q开关效率低。
KD*P
全反镜
x
U /2
检偏器
y
z
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2. 带偏振器的电光调Q器件-（单偏振器） 激光 输出镜 氙灯 激光介质：Nd:YAG晶体； 偏振器：格兰棱镜； 电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾） YAG 偏振器 KD*P
全反镜
(1)
• 可求出反射角θ。当经过第二个45o 时，振动方向又沿z轴方向，即e’光 又变回e光，根据各向异性介质的反 射公式：
第2章
————————————————
调Q（Q开关）技术
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
一. 电光调Q原理
• 利用晶体的电光效应可做成电光Q开光器件。具有开关时间 短，效率高，输出脉宽窄，峰值功率高等优点，目前应用比
经过全反镜反射回来，再次通过电光晶体，又会产生π/2的相位差，往返一次 共产生π相位差，合成后得到沿y方向的线偏振光，偏振面相对于入射光旋转
了90o，不能通过偏振器，此时电光Q开关处于“关闭”状态。
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3). 调Q过程
较广泛的一种调Q技术。
• 电光效应：某些晶体或液体在外加电场作用下，折射率发生 变化的现象。
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
1. 带偏振器的电光调Q器件-（双偏振器） 激光 输出镜 氙灯 激光介质：Nd:YAG晶体； 起偏器与检偏器的偏振方向相同； 电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾）； YAG 起偏器 KD*P 全反镜
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YAG 偏振器
KD*P
全反镜
x y z
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2). Q开关“关闭”时： 激光 YAG KD*P 全反镜
x
输出镜 氙灯
偏振器
U /4
y
z
当在电光晶体上施加λ/4电压，由于纵向电光效应，当沿x方向的线偏振光通过
晶体后，两分量之间便产生π/2的相位差，从电光晶体出射后合成圆偏振光；
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E
C
E
C
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 从上面的分析可看出：
① 第一个45o反射面的前段，相当于一个起偏器，它能产生o光 和e光；第二个45o反射面的后段，相当于一个检偏器，故双 45o的LN晶体等效于在两个偏振器之间夹了一块调制晶体。
② 不加电压时，入射光经过电光晶体后，出射光仍平行于入射 光，此时对应于Q开关“打开”。 ③ 加半波电压后，出射光偏离原入射光方向，腔内光路不通， 此时对应于Q开关“关闭”。谐振腔处于低Q值，激光振荡无 法形成，在外界泵浦下，反转粒子数积累。 ④ 当对电压进行周期性调制后，便可得到Q开关“打开”、“ 关闭”的周期性变化，从而得到调Q脉冲输出。
x
U /2
检偏器
y
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纵向电光效应：z轴加电压，z轴通光。
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
1). Q开关“打开”时： 激光 输出镜 氙灯
Nd:YAG晶体在闪光灯或二极管泵浦下，发射自然激光，无偏振性
。通过起偏器后，变成沿x方向振动的线偏振光。电光晶体未加电压时 ，光沿轴线方向通过晶体，其偏振态不发生变化，可以通过检偏器，
YAG 起偏器
KD*P
全反镜
x
检偏器
y
z
经全反镜反射后，沿原路返回，此时电光Q开关处于“打开”状态。
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2). Q开关“关闭”时： 激光 输出镜 氙灯
当在电光晶体上施加λ/2电压，由于纵向电光效应，当沿x方向的线偏振光通 过KD*P晶体后，两分量之间便产生π的相位差，从电光晶体出射后仍为线偏振光 ，但偏振面相对入射光旋转了90o，沿y方向，因而不能通过检偏器。此时电光Q 开关处于“关闭”状态。
45 B
no sin 45 ne sin
(3)
no>ne，则θ>45o。由于e’光不是垂直晶体出射 面射出晶体，故在出射面上又发生折射，所 以o光最终经晶体出射后，出射方向并不与入 射方向平行。
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AB 光性质 o
折射率 no
BC oe
no
CE e
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YAG 起偏器
KD*P
全反镜
x
U /2
检偏器
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3).电光调Q的过程：
在氙灯刚开始点燃时，事先在调制晶体上加λ/2电压，使 谐振腔处于“关闭”的低Q值状态，阻断激光振荡的形成。 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/2电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，于是产生雪 崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。
y
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3. 单块双45o电光调Q器件-（无偏振器） 激光 输出镜 氙灯 YAG
x z y 45
LN
45
全反镜
• 激光介质：Nd:YAG晶体 • 电光晶体：LiNbO3晶体，加工成具有两个45o斜面的矩形长方 体，光轴（z轴）沿长方体的轴向，电压沿x轴加到晶体上。 • 这样既不影响通光，而且电场又很均匀。这种结构不需要插入 偏振器，可减少插入损耗。 这是一种结构简单、比较理想的电 光Q开关。
AB 光性质 e
BC CE e o o no no
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折射率
ne
长春理工大学电子科学与技术系
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
LN加半波电压后，出射光偏离原入射光方向，腔内光路不通，Q开关处 于“关闭”状态。谐振腔损耗大，Q值低，激光振荡无法形成。
长春理工大学电子科学与技术系
• 当氙灯刚开始点燃时，在电光晶体上加λ/4电压，使谐振腔处于光“关闭 ”状态，阻断经过振荡的产生，反转粒子数积累；当反转粒子数积累到 最大值时，突然撤去电光晶体上的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，可输出一巨脉冲。 实验关键：
• 1）精确控制Q开关“打开”的延迟时间，即从泵浦开始后延迟一段时间 ，反转粒子数积累最多时，立即打开Q开关。Q打开过早，反转粒子数未 达最大，影响巨脉冲输出；Q打开过晚，由于自发辐射等损耗，影响巨 脉冲的功率。 • 2）格兰棱镜的起偏方向与电光晶体的x轴或y轴方向一致，以保证起偏方 向与电光晶体的感应主轴x’、y’成45o角。简单的方法时，在电光晶体加 电压时，转动格兰棱镜和晶体的相对方位，直至不能出光为止。
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2). 加电压（Uλ/2）时：
沿x轴加电压后，偏振光在AB段的传播情况 与不加电压时基本相同，差别在于BC段。晶 体上加半波电压后，电光晶体BC段相当于一 个半波片。 对于o光，在第一个45o面发生全反射，反射 后沿z轴传播。在BC段传播时，相当于通过 一个半波片，故其偏振面会旋转90o，由原来 的o光变为e’光；故经过第二个45o反射时，遵 循各向异性介质的反射定律： A x z C y E
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双45oQ开关的特点：
第 二 章 调 Q 技 术
①双45o电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光 的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件； ②对于横向运用的LN晶体，可以通过控制晶体的长度和 厚度的比值来降低半波电压值。 缺点： ①由于o光和e光在BC段中的路程不同，所以要求的半波 电压不同。为解决此问题，需要引入“光预偏置技术” ， 增加了电路的复杂性； ②晶体保证双45o的方位不容易，给加工带来了困难。 优点:
长春理工大学电子科学与技术系
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
评 价
2. 带偏振器的电光调Q器件-（单偏振器）
• 在晶体上加Uλ/4，对于KD*P来说，约3kV~4kV。 • 腔内仅插入一个偏振片，减小了插入损耗。
激光 输出镜
YAG 偏振器 氙灯
KD*P
全反镜
x
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 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45o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。
长春理工大学电子科学与技术系
峰值功率>10MW；脉冲宽度6-10ns。
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 这种Q开关的工作过程与双45oQ 开关的差不多，主要是对一种线 偏振光(o光或e光)起振，而另一 线偏振光逸出腔外，所以产生偏 光脉冲输出。 • 优点：结构简单，加工容易，插 入损耗小；加电压Uλ/4比双45oQ 开关低一倍；适合各种工作物质 。 • 缺点：Q开关效率低。
KD*P
全反镜
x
U /2
检偏器
y
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§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2. 带偏振器的电光调Q器件-（单偏振器） 激光 输出镜 氙灯 激光介质：Nd:YAG晶体； 偏振器：格兰棱镜； 电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾） YAG 偏振器 KD*P
全反镜
(1)
• 可求出反射角θ。当经过第二个45o 时，振动方向又沿z轴方向，即e’光 又变回e光，根据各向异性介质的反 射公式：