1、成都信息工程学院光电技术学院成都信息工程学院光电技术学院钟先琼钟先琼第三节第三节 Q调制调制7.3.1 Q调制引言调制引言一、调一、调Q目的目的压窄光脉冲宽度压窄光脉冲宽度, 使有限的激光能量在极使有限的激光能量在极短的时间内输出以提高脉冲峰值功率短的时间内输出以提高脉冲峰值功率 。 tEPOut应用应用: 激光测距、激光雷达、非线性光学、激激光测距、激光雷达、非线性光学、激光加工等。光加工等。二、一般固体激光器的输出时间特性二、一般固体激光器的输出时间特性由于驰豫振荡，输出由一系列宽度为微秒量级由于驰豫振荡，输出由一系列宽度为微秒量级的的“小尖峰序列小尖峰序列”构成的几百微秒或几毫秒宽构成的
2、几百微秒或几毫秒宽的无规脉冲。峰值功率：几十的无规脉冲。峰值功率：几十KW。三、调三、调Q基本术语基本术语成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼调调Q ：调腔内损耗调腔内损耗Q开关：执行调开关：执行调Q功能的器件功能的器件巨脉冲巨脉冲：调调Q产生的激光脉冲产生的激光脉冲四、调四、调Q基本原理基本原理1、原理：通过某方法使腔内损耗按规定程序变化。、原理：通过某方法使腔内损耗按规定程序变化。2、具体过程、具体过程泵浦开始时：调节腔使其高损耗，泵浦开始时：调节腔使其高损耗，(低低Q)，阈值，阈值 nt 高高 ， Q开关关闭，不出激光。上能级粒子数积累。开关关闭，不出激光
3、。上能级粒子数积累。在适当时刻：即上能级粒子数积累到一较高水平在适当时刻：即上能级粒子数积累到一较高水平时，突然调节腔使其低损耗，时，突然调节腔使其低损耗， (高高Q)， nt 低，低， Q开关打开，受激辐射迅速增长，上能级粒子在短开关打开，受激辐射迅速增长，上能级粒子在短时间内释放储存的能量而形成巨脉冲。时间内释放储存的能量而形成巨脉冲。3、调、调Q脉冲的脉宽和峰值功率脉冲的脉宽和峰值功率成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼(1)脉宽：几脉宽：几ns 几十几十ns。(2)峰值功率：高于峰值功率：高于MW。4、调调Q脉冲的形成过程脉冲的形成过程nNintnntn
4、fnNPtiNmN(1) t tP ： , 光子数光子数N由由Nm开始下降直到开始下降直到N=Ni， 时，巨脉冲熄灭。时，巨脉冲熄灭。tnn fnn 五、调五、调Q的分类的分类1、分类一：按照所控制的损耗种类。、分类一：按照所控制的损耗种类。(1) 控制反射损耗的：转镜调控制反射损耗的：转镜调Q、电光调、电光调Q等。等。(2) 控制吸收损耗的：可饱和吸收调控制吸收损耗的：可饱和吸收调Q。(3) 控制衍射损耗的：声光调控制衍射损耗的：声光调Q。(4) 控制输出损耗的：透射式调控制输出损耗的：透射式调Q等。等。2、分类二、分类二(1) 主动调主动调Q：由外部驱动源控制谐振腔损耗。：由外部驱动源控制
5、谐振腔损耗。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼(2) 被动调被动调Q：由激光本身光强来控制谐振腔损：由激光本身光强来控制谐振腔损耗的，如：可饱和吸收调耗的，如：可饱和吸收调Q。7.3.2 Q调制方法调制方法机械转机械转镜调镜调Q电光调电光调Q声光调声光调Q可饱和吸收可饱和吸收调调Q(被动调被动调Q)一、机械转镜调一、机械转镜调Q工作物质工作物质部分反部分反射镜射镜泵浦灯泵浦灯电源电源全反全反射镜射镜电机电机触发触发电路电路延延迟迟装装置置yxz1、装置、装置可为全反可为全反介质膜片介质膜片，也可为，也可为直角棱镜直角棱镜转镜可绕转镜可绕 z 轴轴高速转动。高速
6、转动。2、调、调Q原理原理控制反射损耗。控制反射损耗。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼泵浦等点燃后，如果转镜与腔轴不垂直，则损耗泵浦等点燃后，如果转镜与腔轴不垂直，则损耗大，处于低大，处于低Q状态，状态，Q开关关闭，激光开关关闭，激光上能级粒上能级粒子数不断积累，积累到饱和时，若转镜表面刚好子数不断积累，积累到饱和时，若转镜表面刚好转到与腔轴垂直位置，则腔损耗最小，处于高转到与腔轴垂直位置，则腔损耗最小，处于高Q状态，状态，Q开关打开，则巨脉冲形成。开关打开，则巨脉冲形成。3、注意事项、注意事项(1) 准确控制延迟时间以获得稳定的最大功率输出。准确控制延迟时
7、间以获得稳定的最大功率输出。原因：泵浦等点燃后，需要经过一延迟时间以保原因：泵浦等点燃后，需要经过一延迟时间以保证上能级粒子数有一个积累过程，最佳延迟时间证上能级粒子数有一个积累过程，最佳延迟时间刚好使上能级粒子数达到饱和值时，延迟时间过刚好使上能级粒子数达到饱和值时，延迟时间过短或过长都无法达到最大功率输出。短或过长都无法达到最大功率输出。实现：要设计同步和延迟装置。实现：要设计同步和延迟装置。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼说明：最佳延迟时间与上能级的粒子寿命、泵灯说明：最佳延迟时间与上能级的粒子寿命、泵灯的放电波形及腔的结构均有关。的放电波形及腔的结构
8、均有关。(2)控制转镜的最佳转速，一般控制为：几万转控制转镜的最佳转速，一般控制为：几万转/分分转镜转镜Q开关是慢开关！开关是慢开关！二二、电光调电光调Q1 1、晶体的电光效应、晶体的电光效应(1) 定义：外加电场使构成晶体的原子分子排列定义：外加电场使构成晶体的原子分子排列发生一定的变化，从而引起晶体折射率也发生发生一定的变化，从而引起晶体折射率也发生变化，也使晶体双折射性质发生变化。变化，也使晶体双折射性质发生变化。结果：多各向异性晶体，除存在自然双折射外，结果：多各向异性晶体，除存在自然双折射外，还存在因外加电场而引起的感应双折射。还存在因外加电场而引起的感应双折射。20bEaEnn(2
9、) 公式：公式：成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼20bEaEnn线性电光线性电光效应效应(普克普克尔效应尔效应)电光调电光调Q的基础的基础二次电光二次电光效应效应(克尔克尔效应效应)非线性效非线性效应，一般应，一般较小较小2、电光调电光调Q(1)(1)采用采用KDP类晶体的类晶体的6363描述的纵向电光效应描述的纵向电光效应未加电场：折射率主轴为未加电场：折射率主轴为x、y、z( (光轴和电场方向光轴和电场方向) )加上加上z向电场后：折射率主轴将旋转为与未加电场向电场后：折射率主轴将旋转为与未加电场时的时的x、y轴成轴成45度夹角，度夹角，z轴不变，即：轴
10、不变，即：成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼ezzzooyzooxEE2121633633dVEz电压电压z向厚度向厚度可见，可见，x轴为快轴，轴为快轴，y轴为慢轴。轴为慢轴。则则x方向谝振的沿方向谝振的沿z向照到晶体上后，将分解成沿向照到晶体上后，将分解成沿x和和y方向偏振的等幅度偏振光，二者经过晶体方向偏振的等幅度偏振光，二者经过晶体后的位相差为：后的位相差为：VcdEcdozoxy363363222成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼2V为为1/4波电压波电压V为半为半波电压波电压(2)(2)装置装置(3)(3)调调Q Q
11、原理原理(a)(a)图调图调Q Q原理：原理：光经光经P后成为后成为x方向的偏振光，沿方向的偏振光，沿z向照到晶体上后，分解成沿向照到晶体上后，分解成沿x和和y方向偏振的等幅度方向偏振的等幅度偏振光，设晶体上偏振光，设晶体上加加1/4波电压波电压，则相位差为，则相位差为/2，经，经全反镜，再经晶体后，全反镜，再经晶体后，共产生共产生位相差位相差，偏振面将旋，偏振面将旋转转90度，无法再穿过度，无法再穿过P。此时损耗大，。此时损耗大，Q开关关闭，开关关闭，激光不产生，激光上能级积累粒子，适当时候拆区激光不产生，激光上能级积累粒子，适当时候拆区电压，则损耗小，电压，则损耗小，Q开关打开，巨脉冲形成
12、。开关打开，巨脉冲形成。 ：减压式调减压式调Q Q成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼(b)(b)图调图调Q Q原理原理若若P1/P2：若加半波：若加半波电压，产生电压，产生相位差，相位差，偏振面转偏振面转90度，光不度，光不通过通过P2，处于高损低，处于高损低Q状态，状态，Q开关关闭，开关关闭，拆区电压，拆区电压，Q 开关关闭，拆区电压，开关关闭，拆区电压，Q 开关开关打开，巨脉冲形成。打开，巨脉冲形成。若若P1P2：若不加电压，则通过：若不加电压，则通过P1的光不能通过的光不能通过P2，处于高损低处于高损低Q状态，状态， Q开关关闭，加上半波电压，开关关闭，
13、加上半波电压，产生产生相位差，偏振面转相位差，偏振面转90度，光刚好通过度，光刚好通过P2，Q开开关打开，巨脉冲形成。关打开，巨脉冲形成。减压式调减压式调Q加压式调加压式调Q成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼3、电光调电光调Q的优缺点的优缺点(1)优点优点: 开关时间取决于电路的高压上升和退压时开关时间取决于电路的高压上升和退压时间，能做到小于脉冲建立时间，属间，能做到小于脉冲建立时间，属快开关类型快开关类型，寿，寿命长，输出巨脉冲稳定性好，重复性好，适合大能命长，输出巨脉冲稳定性好，重复性好，适合大能量调量调Q，脉宽可达十几，脉宽可达十几ns，峰值功率：几十
14、，峰值功率：几十MW。(2)缺点缺点:需几千伏高压，易引起对其他好线路的干扰。需几千伏高压，易引起对其他好线路的干扰。KDP：VV4410KDP：VV40004三、三、声光调声光调Q、声光作用：当超声波在某些介质中传播时声光作用：当超声波在某些介质中传播时,介质介质将产生与声波信号相应的随时空变化的弹性形变，将产生与声波信号相应的随时空变化的弹性形变，从而导致介质折射率随时空间周期性变化，则该介从而导致介质折射率随时空间周期性变化，则该介质等效为相位光栅，光栅常数为质等效为相位光栅，光栅常数为s, ,当光进入此相位当光进入此相位成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先
15、琼光栅时将发生衍射，部分光将偏离原来方向，该现光栅时将发生衍射，部分光将偏离原来方向，该现象称为声光衍射现象。象称为声光衍射现象。2 2、声光作用分类声光作用分类(1)(1)喇曼喇曼- -奈斯衍射：当超声波奈斯衍射：当超声波频率较低时，光线平行于声波频率较低时，光线平行于声波波面入射，声光作用长度波面入射，声光作用长度d d较小，较小，且满足且满足d ds s2 2/2 /2 。入射光入射光Ii ,超声超声波波s sI0 I0I-1i2i=2dSind=/ / 2 2s s成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼特点特点: :只出现只出现0 0级和级和1 1级或级或
16、-1-1级级, ,视入射光方向而定视入射光方向而定, ,适当调节参数可使能量全部集中在适当调节参数可使能量全部集中在1 1级或级或-1-1级。级。2sin21iII212MPHdH H：换能器宽度：换能器宽度d d：换能器：换能器长长度度M M：声光介质的品质因素：声光介质的品质因素 P P：超声驱动功率：超声驱动功率3 3、声光调声光调Q装置装置透反镜透反镜全反镜全反镜YAG高频振荡高频振荡驱动电源驱动电源换能器换能器声光介质声光介质吸声介质吸声介质换能器：利用反压电效换能器：利用反压电效应将电能转化为机械能，应将电能转化为机械能，以产生超声波。以产生超声波。吸声介质：吸收传来的吸声介质：吸
17、收传来的声波，以免形成声驻波声波，以免形成声驻波效应而延长开关时间。效应而延长开关时间。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼4 4、声光调声光调Q原理原理声光声光Q开关加上电压后在介质中形成超声波，当开关加上电压后在介质中形成超声波，当入射光以入射光以sin2d=s/2 角度入射时，衍射光偏离入角度入射时，衍射光偏离入射光即腔轴线方向，导致损耗增加，射光即腔轴线方向，导致损耗增加，Q开关关闭，开关关闭，激光上能级积累粒子，当粒子积累达饱和时，突激光上能级积累粒子，当粒子积累达饱和时，突然拆去超声场，衍射消失，腔损减小，然拆去超声场，衍射消失，腔损减小， Q开关打
18、开关打开，巨脉冲形成。开，巨脉冲形成。5 5、声光调声光调Q器件设计中的注意事项器件设计中的注意事项(1)(1)合理设计超声柱的尺寸，声光距离由布拉格合理设计超声柱的尺寸，声光距离由布拉格判据决定。判据决定。(2)(2)换能器材料应有较大的机电耦合系数，以提换能器材料应有较大的机电耦合系数，以提高声电转换效率。高声电转换效率。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼(3)(3)声光材料品质因素声光材料品质因素M M要较大，对光和超声波吸收要要较大，对光和超声波吸收要小，以免产生热量扰乱位相光栅；要有良好的热稳定小，以免产生热量扰乱位相光栅；要有良好的热稳定性；光学上
19、均匀，有足够大尺寸，对功率大的激光调性；光学上均匀，有足够大尺寸，对功率大的激光调Q Q器件，应考虑介质有较高的激光损耗阈值。器件，应考虑介质有较高的激光损耗阈值。(4)(4)为避免声光介质对光和声吸收产生的热量不能为避免声光介质对光和声吸收产生的热量不能耗散而导致介质中形成温度梯度，应考虑水冷散热耗散而导致介质中形成温度梯度，应考虑水冷散热问题。问题。(5)(5)由于驻波型超声波不易迅速消除而导致开关时由于驻波型超声波不易迅速消除而导致开关时间加长，在声光介质另一侧加吸声材料使介质中只间加长，在声光介质另一侧加吸声材料使介质中只允许行波超声波，以加快开关时间。允许行波超声波，以加快开关时间。
20、6 6、声光调声光调Q的优缺点的优缺点(1)(1)调制电压低调制电压低( (200V)200V)，多用于低增益的连续激光，多用于低增益的连续激光器，峰值功率：几百瓦；脉宽：几十器，峰值功率：几百瓦；脉宽：几十nsns；形成高重；形成高重复率脉冲。复率脉冲。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼(2)(2)缺点：对高能激光器的开关能力差，故不适用缺点：对高能激光器的开关能力差，故不适用于高能调于高能调Q Q激光器。激光器。7 7、常用声光材料、常用声光材料(1)(1)声光介质：氧化碲声光介质：氧化碲(TeO(TeO2 2) )、钼酸铅、钼酸铅(PbMoO(PbMoO
21、4 4)()(对对1.061.06m m通光力差，影响调通光力差，影响调Q Q输出功率输出功率) )；熔融石英；熔融石英( (便便宜，好光学加工，可用于大功率声光调宜，好光学加工，可用于大功率声光调Q Q激光器激光器) )等。等。(2)(2)吸声材料：铅橡胶、玻璃棉。吸声材料：铅橡胶、玻璃棉。(3)(3)换能器：铌酸锂换能器：铌酸锂(LiNbO(LiNbO3 3) )、石英等。、石英等。四、四、被动调被动调Q可饱和吸收调可饱和吸收调Q1 1、可饱和吸收液体的吸收系数公式可饱和吸收液体的吸收系数公式假设：均匀加宽、二能级系统、假设：均匀加宽、二能级系统、f f1 1=f=f2 2，2121= =
22、 12。公式公式成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼1000SII其中其中: :2120221022hhIS1200n21nnn0: :吸收谱线中心频率吸收谱线中心频率说明说明:0(0)随随I增大而减小，增大而减小，入射光几乎全部透过，称为入射光几乎全部透过，称为“漂白漂白”2 2、可饱和吸收调可饱和吸收调Q原理原理成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼将可饱和吸收体放入谐振腔，泵浦开始时，因将可饱和吸收体放入谐振腔，泵浦开始时，因较较大，则腔处于高损低大，则腔处于高损低Q状态，激光上能级不断积累状态，激光上能级不断积累粒子，而腔内
23、荧光不断增强，当光强可与粒子，而腔内荧光不断增强，当光强可与Is相比拟相比拟时，时，减小，达到一定程度时，染料减小，达到一定程度时，染料“漂白漂白”，腔，腔处于低损高处于低损高Q状态。巨脉冲形成。状态。巨脉冲形成。3、装置、装置工作物质工作物质透反镜透反镜全反镜全反镜染料盒或染料盒或染料片染料片4、常见的可饱和吸、常见的可饱和吸收体收体各种染料各种染料各种染料各种染料: BDN；五甲川；十一甲川；五甲川；十一甲川；隐花青隐花青溶剂：丙酮；二氯乙烷溶剂：丙酮；二氯乙烷成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼5、染料调、染料调Q的注意事项的注意事项(1)染料的吸收中心波
24、长要与激光波长基本吻合。染料的吸收中心波长要与激光波长基本吻合。(2)染料的饱和吸收光强染料的饱和吸收光强Is应大小适当，若太小，应大小适当，若太小，则激光上能级粒子积累不充分，开关作用差，若则激光上能级粒子积累不充分，开关作用差，若太大，则染料难以达到饱和，激光阈值高，太大，则染料难以达到饱和，激光阈值高，Q开开关速度慢。关速度慢。(3) 染料溶液应有一定的稳定性。染料溶液应有一定的稳定性。6、染料调、染料调Q的优缺点的优缺点(1)简单方便，峰值功率：简单方便，峰值功率：KMW，脉宽：几十，脉宽：几十ns。(2)缺点：染料易变质，输出不稳定性，易受染料浓缺点：染料易变质，输出不稳定性，易受染
25、料浓度、激光能量及染料盒的影响。度、激光能量及染料盒的影响。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼7、新、新型固体饱和吸收材料型固体饱和吸收材料(1060nm)Cr4+: YAG、 Cr4+: GSGG、 Cr4+: GSAG、Mg2SiO4、LiF: F-2等。等。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼7.3.3 调调Q激光器基本理论激光器基本理论一、处理方法一、处理方法速率方程速率方程 调调Q激光的峰值功率、巨脉冲能量激光的峰值功率、巨脉冲能量及脉冲时间特性及脉冲时间特性二、简化假设二、简化假设1、损耗从、损耗从H H降为降为为瞬
26、时的，即阶跃式突为瞬时的，即阶跃式突变的变的适用于快开关调适用于快开关调Q。2、设腔长等于工作物质长度，、设腔长等于工作物质长度，L= l。3、系统为三能级系统，且、系统为三能级系统，且=0，f1=f2。4、F F=1=1，则忽略，则忽略A A3131和和S S2121，则，则n n1 1W W1313=n=n3 3S S3232。三、反转集居数和光子数密度速率方程三、反转集居数和光子数密度速率方程成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼方程方程2 .3 .72221312122121WnAnnNvdtndNnNvdtdNR注：注：(1)从从t=0，即，即Q开关打开
27、时开始讨论。开关打开时开始讨论。损损耗不能忽略！耗不能忽略！(2)根据三能级系统速率方程及简化假设可以根据三能级系统速率方程及简化假设可以证明证明7.3.2式。式。四、激光器的输出峰值功率四、激光器的输出峰值功率1、峰值功率公式、峰值功率公式7 .3 .72121TSvNhPmmS: 工作物质横截面积工作物质横截面积T: 输出反射镜透过率输出反射镜透过率成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼、公式证明、公式证明(略略)(了解了解)tittimnnnnnNln216 .3 .71ln21tititnnnnn3、讨论、讨论(1)ni/nt越大，则越大，则Nm越大，越大
28、，Pm越大。越大。(2)影响影响ni/nt大小的因素大小的因素 H/ 越大，越大，ni/nt越大。因为越大。因为H越大，意味着越大，意味着Q开关关闭时，允许达到而又不超过阈值开关关闭时，允许达到而又不超过阈值nt的的ni就越大，而就越大，而Q开关打开时的开关打开时的越小，则越小，则nt越小。越小。 泵浦功率越高，泵浦功率越高，ni/nt越大。越大。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼 在相同的泵浦功率下，上能级的寿命越长，在相同的泵浦功率下，上能级的寿命越长，ni/nt越大。越大。荧光寿命荧光寿命红宝石红宝石钕玻璃钕玻璃YAGCO2He-Ne染料染料3ms0.7
29、ms0.23ms1ms20nsns工作介质工作介质氦氖激光器与染料激光器不适合采用调氦氖激光器与染料激光器不适合采用调Q技术！技术！五、巨脉冲能量五、巨脉冲能量1、输出巨脉冲能量、输出巨脉冲能量(1)公式公式ifiEaTTEEaTTE其中：其中： 为为“储能储能”，即储存在，即储存在工作物质中可能转变为激光的初始能量。工作物质中可能转变为激光的初始能量。221iinVhE成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼V：工作物质体积。：工作物质体积。221ffnVhE为巨脉冲熄灭后工作物质中剩余的能量。为巨脉冲熄灭后工作物质中剩余的能量。ifififiinnEEEEEEE
30、1内内储能利用率储能利用率(2)公式证明公式证明发射一个光子，则发射一个光子，则n减少减少2，设巨脉冲开始时，设巨脉冲开始时，n = n i，熄灭时，熄灭时n = n f，则巨脉冲持续，则巨脉冲持续过程中单位体积工作物质发射的光子为：过程中单位体积工作物质发射的光子为：2finnN则腔内则腔内巨脉冲的能量：巨脉冲的能量：22121finnVhVNhE内内fiEE 成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼从而：从而：221iinVhE221ffnVhE则输出巨脉冲能量为：则输出巨脉冲能量为：ifiEaTTEEaTTEa：腔内净损耗。：腔内净损耗。2、影响输出巨脉冲能量
31、的因素、影响输出巨脉冲能量的因素(1) 储能储能Ei越大，输出能量越大，输出能量E越大。越大。(2) nf/ni越小，则储能利用度越小，则储能利用度越大，从而输出越大，从而输出能量能量E越大。越大。ifififiinnEEEEEEE1内内3、影响、影响nf/ni大小的因素大小的因素(1) 隐函数公式隐函数公式11. 3 . 7ln1ifitifnnnnnn成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼(2) 公式证明公式证明(略略)(了解了解)(3) 讨论讨论tinnifnnE如果：如果：5 . 2finn%90成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先
32、琼钟先琼六、巨脉冲的时间特性六、巨脉冲的时间特性t t 调调Q Q脉宽脉宽1 1、巨脉冲宽度定义：脉冲形成中，光子数密度由、巨脉冲宽度定义：脉冲形成中，光子数密度由N Nm m/2/2上升到上升到N Nm m所需时间所需时间t tr r和由和由N Nm m下降到下降到N Nm m/2/2所需所需时间时间t te e之和。之和。22mmmNNN tr te t 2 2、t t的估算方法的估算方法4 .3 .72RtNnndtnd积分该式积分该式ndnNntnntRi215 .3 .7ln21itiinnnnnNN(7-3-5)代入代入12.3 .7ln2121nnittitiRinnnnnnnN
33、nndt成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼思路：思路：7.3.12式给出式给出nt关系，由关系，由7.3.5知知Nn关系关系，代，代7.3.5入入7.3.12可知可知Nt关系，从而知脉宽关系，从而知脉宽t。ermnnnnNN2nnittitiRinnnnnnnNnndtln21210imiNNNrprtttritinnittiRnnittiRnnnnnnnndnnnnnnnndlnln成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼trnnittiRrnnnnnnnndtln上升沿上升沿tiirnnittinnittiRnnnnnnnndn
34、nnnnnnndlnln同理：同理：peettttieinnittiRnnittiRnnnnnnnndnnnnnnnndlnln成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼eiitnnittinnittiRnnnnnnnndnnnnnnnndlnlnetnnittiRennnnnnnndtln下降沿下降沿13. 3 . 7lnlnettrnnittiRennittiRrnnnnnnnndtnnnnnnnndt成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼难以获得解析式！需要数值求解！已知难以获得解析式！需要数值求解！已知ni/nt，由，由7.3.1
35、3即可求得即可求得tr和和te，从而求得，从而求得t的数值解。的数值解。3 3、t t的数值解结果讨论的数值解结果讨论(1)(1)n ni i/n nt t越大，则越大，则t tr r和和t te e同时变窄，且同时变窄，且t tr r比比t te e更窄。更窄。理由：理由：n ni i/n nt t越大越大g g净增大净增大N N的增长和的增长和n n的下降越快的下降越快脉冲脉冲建立和熄灭过程越短。建立和熄灭过程越短。(2)(2)cLR1RRLRt要使要使t t小，则小，则L L不能不能太长，太长，不能太小！不能太小！七、实际调七、实际调Q Q情形情形1 1、理论或数值计算与、理论或数值计算
36、与实测值之间有差异。实测值之间有差异。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼数值测量tt理论测量PP差异产生原因？差异产生原因？泵浦激励不均匀，中心大，边缘小泵浦激励不均匀，中心大，边缘小 n n 分布分布不均匀不均匀 脉冲建立时间不同脉冲建立时间不同 ( (中心部分先建立，中心部分先建立，边缘后建立边缘后建立) )输出脉冲是中心到边缘多个脉冲叠输出脉冲是中心到边缘多个脉冲叠加的结果，故变宽加的结果，故变宽脉冲能量分散在较大的时间脉冲能量分散在较大的时间范围内，则峰值功率小。范围内，则峰值功率小。Q Q开关时间并非瞬时，需要时间开关时间并非瞬时，需要时间脉宽变宽，
37、脉宽变宽，峰值功率下降。峰值功率下降。2 2、调、调Q Q巨脉冲宽度较窄，在此短时间内四能巨脉冲宽度较窄，在此短时间内四能级系统的激光下能级来不及抽空，故调级系统的激光下能级来不及抽空，故调Q Q器器件中的四能级系统接近三能级系统。件中的四能级系统接近三能级系统。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼7.3.4 另一类激光调另一类激光调Q分类及腔倒空技术分类及腔倒空技术一、另一类激光调一、另一类激光调Q分类分类按照巨脉冲输出前能量的储存地点进行分类。按照巨脉冲输出前能量的储存地点进行分类。脉冲反射式调脉冲反射式调Q Q脉冲透射式调脉冲透射式调Q(Q(腔倒空腔倒空)
38、 )脉冲透反式调脉冲透反式调Q Q二、脉冲反射式调二、脉冲反射式调Q Q输出前为工作物质储能输出前为工作物质储能t tQ Q工作物质储能工作物质储能输出光脉冲输出光脉冲特点：低特点：低Q Q时，工作物质上时，工作物质上能级积累粒子，因而储能，能级积累粒子，因而储能，高高Q Q时巨脉冲振荡并输出，时巨脉冲振荡并输出，振荡和输出同时进行，脉宽振荡和输出同时进行，脉宽成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼脉宽取决于激光增长和衰减过程。光束需在腔脉宽取决于激光增长和衰减过程。光束需在腔内往返若干次才能完成率减过程，故脉宽可达内往返若干次才能完成率减过程，故脉宽可达数十纳秒
39、。数十纳秒。( (思考：思考：t =? )例：饱和吸收调例：饱和吸收调Q Q、电光调、电光调Q Q、声光调、声光调Q Q、转镜调、转镜调Q Q。三、脉冲透射式调三、脉冲透射式调Q(Q(腔倒空腔倒空) )输出前为谐振腔储能输出前为谐振腔储能t tQ Q谐振腔储能谐振腔储能输出光脉冲输出光脉冲特点：谐振腔有全反镜特点：谐振腔有全反镜M1M1和可和可控反射镜控反射镜M2M2构成，构成，t t 0时，时，M2全反，腔处于高全反，腔处于高Q状态，激光状态，激光振荡而无输出，即此时由谐振振荡而无输出，即此时由谐振腔储能；当腔储能；当t=0时，控制时，控制M2使使其透过率达其透过率达100%，则腔内激光，则
40、腔内激光迅速逸出腔外，形成巨脉冲。迅速逸出腔外，形成巨脉冲。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼脉冲仅为数纳秒。脉冲仅为数纳秒。典型例子：声光腔倒空氩离子激光器典型例子：声光腔倒空氩离子激光器ArAr+ +激光器激光器M1M2M3M4ABCDE声光声光器件器件M1 1M4: 全反镜全反镜调调Q原理原理声光器件未加电压时，声光器件未加电压时，光路如图实线所示，光路如图实线所示，此时为高此时为高Q，激光振荡，激光振荡产生，但无法输出，产生，但无法输出，为谐振腔储能。为谐振腔储能。成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼ArAr+ +激光器
41、激光器M1M2M3M4ABCDE声光声光器件器件声光器件加上电压时，光由声光器件加上电压时，光由A射到射到B后将发生布喇格后将发生布喇格衍射，零级部分射到衍射，零级部分射到C再被反射回再被反射回B，其一级衍射光，其一级衍射光经经D射到射到M4后输出；此外，光由后输出；此外，光由A射到射到B后，经衍射后，经衍射的一级衍射光射到的一级衍射光射到E再反射回再反射回B，其零级衍射光也经，其零级衍射光也经过过D射到射到M4后输出。后输出。四、脉冲透反式调四、脉冲透反式调Q Qt tQ Q工作物工作物质储能质储能输出光脉冲输出光脉冲谐振腔谐振腔储能储能脉冲输出前能量先储存在脉冲输出前能量先储存在工作物质工
42、作物质, ,再储存在谐振腔再储存在谐振腔中中! !成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼特点：开始时特点：开始时, ,腔处于高损低腔处于高损低Q Q状态状态, ,无激光无激光, ,上能上能级积累粒子级积累粒子, ,即工作物质储能即工作物质储能, ,当积累几乎达到饱当积累几乎达到饱和时和时,Q,Q开关打开开关打开, ,腔处于高腔处于高Q Q低损状态低损状态, ,则激光振荡则激光振荡但不输出，即谐振腔储能。当腔内激光达到一定但不输出，即谐振腔储能。当腔内激光达到一定值时，突然使激光从某一镜输出，故此为脉冲反值时，突然使激光从某一镜输出，故此为脉冲反射式调射式调Q Q和
43、脉冲透射式调和脉冲透射式调Q Q的结合。的结合。典型例子：脉冲透反式典型例子：脉冲透反式YAGYAG调调Q Q激光器激光器电光晶体电光晶体格兰镜格兰镜1 1和和2 2的偏振化方向一致！的偏振化方向一致！成都信息工程学院光电技术学成都信息工程学院光电技术学院院钟先琼钟先琼调调Q原理原理开始时，不给电光晶体加压，则腔内光束经格兰开始时，不给电光晶体加压，则腔内光束经格兰镜镜2后逸出腔外，腔处于高损低后逸出腔外，腔处于高损低Q状态，激励使激状态，激励使激光上能级不断积累粒子，此为工作物质储能。若光上能级不断积累粒子，此为工作物质储能。若突然给电光晶体加上半波电压，则格兰镜突然给电光晶体加上半波电压，则格兰镜1出射的出射的光经电光晶体后偏振面转光经电光晶体后偏振面转/2，而被镜，而被镜2反射到下面反射到下面全反镜，形成高全反镜，形成高Q，则有激光但不输出，即腔储能。，则有激光但不输出，即腔储能。当腔内激光达到最大值时，突然拆去晶体上的电当腔内激光达到最大值时，突然拆去晶体上的电压，则激光在压，则激光在2L/c时间内向右射出！时间内向右射出！
