87调Q技术与锁模技术

短脉冲技术调Q技术与锁模技术是应人们对高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的应用需求而发展起来的。两种方式机理不同，压缩的程度也不同。调Q技术可将激光脉宽压缩至纳秒量级（峰值功率达106W以上）。锁模技术可将激光脉宽压缩至皮秒或飞秒量级（峰值功率可达到1012W)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。现在，欲获得峰值功率在兆瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难。第七章激光技术7.1调Q技术7.1.1调Q的基本理论一.脉冲固体激光器的输出的驰豫振荡将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的。如图(a)所示。每个尖峰的宽度约为0.1～1μs，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。图(b)所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现象称为激光器弛豫振荡。产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反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。随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振荡就停止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，tI()a激光荧光()b脉冲激光器输出的尖锋结构当超过阈值时，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。E1E2泵浦使激光器达到阈值，产生激光反转粒子数减少至低于阈值激光熄灭特点(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率(1)峰值功率不高，只在阈值附近原因:激光器的阈值始终保持不变二、谐振腔的品质因数Q储存在腔内的总能量（E）单位时间内损耗的能量（P）Q谐振腔的损耗越小，Q值越高1RQ定义：dtdNVhPVNhERteNN0cnLQR2Q的普遍定义三、调Ｑ的基本原理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。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。改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。从“激光原理”得知，激光器振荡的阈值条件可表示为cthAgn121式中，g是模式数目，A21自发辐射几率，τc是光子在腔内的寿命，2cQ而212thgnAQ所以Q值称为品质因数，它定义为:Q=2πν0×(腔内存储的能量/每秒损耗的能量）τc是腔内能量衰减到初始能量的1/e所经历的时间002/2nLnLcWWQQ值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的Q值(或损耗δ)来实现。(1)由于调Q是把能量以激活离子的形式存储在激光工作物质的高能态上，集中在一个极短的时间内释放出来，因此，要求工作物质必须能在强泵浦下工作，即抗损伤阈值要高；其次，要求工作物质必须有较长的寿命,若激光工作物质的上能级寿命为τ2，则上能级上的反转粒子数n2因自发辐射而减少的速度为n2/τ2，这样，当泵浦速率（要大）为Wp时，在达到平衡情况下，应满足：pWn22则上能级达到最大反转粒子数取决于n2=Wpτ2为了能使激光工作物质的上能级积累尽可能多的粒子，则要求Wpτ2值应大一些，但τ2也不宜太大，否则会影响能量的释放速度。实现调Q对激光器的基本要求(2)光泵的泵浦速度必须快于激光上能级的自发辐射速率，即光泵的发光时间(波形的半宽度)必须小于激光介质的上能级寿命。(3)谐振腔的Q值改变要快（最好是突变），一般应与谐振腔建立激光振荡的时间相比拟。四、调Q激光器的两种储能方式调Q激光器工作物质储能谐振腔储能1.工作物质储能调Q脉冲反射式调Q，简称PRM法（PulseReflectionModel)。将能量以激活离子的形式储存在工作物质中。能量储存的时间，取决激光上能级的寿命。（1）工作过程调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如图所示。图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化；图(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)；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。QpWmaxminintnfnmaxminpttttt()a()b()c()d在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值(Qo)状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至t0时刻，粒子数反转达到最大值△ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ni△nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。QpWmaxminintnfnmaxminpttttt()a()b()c()d调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数Φ增长十分缓慢，如图所示，其值始终很小(Φ≈Φi)，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。tfΦiΦD从开始振荡到脉冲形成的过程只有振荡持续到t＝tD时，增长到了ΦD，雪崩过程才形成，Φ才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间△t(也就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使△ni迅速减少，到t=tp时刻，△ni=△nt，光子数达到最大值Φm之后，由△n＜△nt，则Φ迅速减少，此时△n=△nf[见图]，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(△ni=△nt)的时刻。ΦiΦD（2）工作物质储能调Q的特点巨脉冲的宽度一般为10~20ns；输出方式为便形成激光振荡边输出，输出光脉冲的形状与腔内光强的变化状态一致；激光振荡终止时，工作物质的出能没有被全部取出。2.谐振腔储能调Q脉冲透射式调Q，简称PTM法（PulseTransmissionModel)。将能量以光子的形式储存在谐振腔中，当腔内光子数密度达到最大值时，瞬间将腔内能量全部输出，因而也称为腔倒空法。(1)工作过程工作物质100%R1P电光晶体2P100%R谐振腔储能调QVV=0：损耗大，Q值低，反转粒子数得到积累/2:VV反转粒子数达最大Q值突增，激光振荡迅速建立，当工作物质储能全部转化为腔内光子能量时，撤去晶体上电压，则腔内存储的最大光能量瞬间透过P2。（2）谐振腔储能调Q的特点当工作物质的储能全部转化为腔内能量时，瞬间将腔倒空；巨脉冲宽度更窄，峰值功率更高；调Q脉冲的能量利用率更高。综上所述，谐振腔的Q值与损耗δ成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的δ值，就可以使Q值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们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。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。E1E2调Q脉冲的形成过程以及各种参量对激光脉冲的影响，可以采用速率方程来进行分析，它是描述腔内振荡光子数和工作物质的反转粒子数随时间变化规律的方程组。根据这些规律，又可推导出调Q脉冲的峰值功率、脉冲宽度等和粒子数反转的关系。7.1.2调Q激光器的速率方程一、速率方程三方面简化：（1）Q开关函数是理想的阶跃函数（2）能级结构为二能级系统，Q开关打开前，忽略自发辐射，打开后光泵停止。（3）只研究Q值阶跃后的脉冲形成过程。工作物质的受激辐射过程中，腔内光子数密度随距离的增长率为ddGZ腔内光子数密度随时间的增长率为ddddddZcGtZtn若δ为Q值阶跃后的单程损耗率，t1为光在腔内传播一个单程所需要的时间（t1=nL/c)，则腔内光子数密度φ随时间的衰减率为1ddccttnLt于是腔内光子数密度的总变化率为d1()dccGtnt两侧同乘谐振腔的体积V，则得腔内总光子数Φ的变化率d1()dccGtnt在增益等于损耗的阈值条件下d/d0t得阈值增益系数tcnGct/,ctt令则有d(1)(1)dcttGcGtnG因增益正比于工作物质上、下能级的反转粒子数Nd(1)dtNNd(1)dtNN设在dτ时间内，反转粒子数N的变化量dN，考虑到由于受激跃迁而产生的光子数变化率应为；此外，对于简化的二能级系统，每产生一个光子，反转粒子数N相应的减少两个，故有d/d/tNN2tdNNdN上两式为调Q脉冲激光器的速率方程二、速率方程的解1.腔内光子数上两式相除，得d1(1)dN2tNN积分，得1(ln)2iitiNNNNN式中，为腔内初始光子数，为初始反转粒子数，iiN0i1(ln)2itiNNNNN当时，腔内光子数达到其最大值tNNm1(ln)2tmittiNNNNN在附近做级数展开，可得tN2(1)4timtNNN2.峰值功率mP当腔内光子数达到最大值时，输出的巨脉冲功率也达到其最大值，即mmP0mmPh0为输出镜单位时间内光能量的衰减率。设输出镜透过率为T,腔长为L，光在腔内的运动速度为v,可得21(1)4imttNPhTNLNv3.输出能量E1()2ifENNh4.单脉冲能量利用率定义为初始反转粒子数Ni和剩余反转粒子数Nf之差与Ni的比值ifiNNN其意义为一个调Q脉冲可以从工作物质的储能中提取多大比率的能量。设脉冲终止时工作物质的反转粒子数为Nf，此时0f1(ln)02ffiftiNNNNNexp()exp[(1)]ffifiittiNNNNNNNNNifiNNNexp()itNN为提高调Q器件单脉冲的能量利用率，器件应该有大的Ni和低的Nf。要达到Ni/Nf3以上，这样才能保证器件有较高的工作效率。Ni/Nt123451.00.90.80.70.60.50.400.10.20.30.40.50.6()/ifiNNN/fiNN下面再讨论一下调Q脉冲的脉宽和波形问题5．调Q脉冲的时间特性d2dtNNN由ddd2tcNtNtN1(ln)2itiNNNNN积分21(ln)NNicttitdNNNNtNNNN上式可用数值积分的方法求出t的数值解脉冲宽度定义为半功率点的宽度rfttt利用某些晶体的电光效应可以做成电光Q开关器件。电光调Q具有开关时间短，效率高，调Q时刻可以精确控制，输出脉冲宽度窄（10~20ns)，峰值功率高(几十兆瓦以上）等优点。7.1.3电光调Q下图所示是电光晶体调Q装置的工作原理图。激光工作物质是Nd:YAG晶体，偏振器采用方解石空气隙格兰—付克棱镜，调制晶体用K