激光选模技术

第六章激光器特性的控制与改善《激光原理及应用》课程建设课题组§6.1调Q原理及调Q技术一、激光谐振腔的品质因数Q定义：激光器的损耗可以用单程损耗来描绘，也可以用品质因数Q值描绘，其中Q满足：每振荡周期损耗的能量谐振腔内储存的能量2Q一、激光谐振腔的品质因数Q品质因数：激光谐振腔的性能指标，与腔中介质的增益系数无关，光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为：00exp()expacIIazIt总总其中μ为介质折射率，c为真空中光速，t为光在腔内传播距离z所需的时间，则t时刻腔中光子数密度与光强的关系为：chtNtI0)()(一、激光谐振腔的品质因数Q体积为V的谐振腔内存储的能量为：0)(VhνtNW每振荡周期损耗的能量为：caVhtNνWPc总)(0cac总为光子的平均寿命由品质因数的定义可以得到它与谐振腔的单程损耗的关系：总aPWQ22一、激光谐振腔的品质因数Q谐振腔的损耗越大，Q值越小，谐振腔的损耗越小，Q值越高，它与谐振腔腔长无关，用它来标志谐振腔的性能比单程损耗系数要好。结论二、调Q原理基本思想当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制激光器阈值，使其很高，抑制激光振荡的产生。在这种情况下，由于光束的激励，激光上能级将不断地积累粒子数。当反转粒子数达到最大数量时，突然降低激光器的阈值。此时亚稳态上的粒子的能量很快转换为光子能力，光子像雪崩一样以极高的速率增长，输出峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。二、调Q原理调Q技术用不同的方法控制不同类型的谐振腔损耗，就形成了不同的调Q技术。这里只介绍电光调Q、声光调Q和染料调Q技术。•控制反射损耗------电光调Q技术•控制吸收损耗------可饱和吸收染料调Q技术•控制衍射损耗------声光调Q技术三、电光调Q装置电光调Q装置如图6.1.1，激光腔中插入起偏振片及作为Q开关的KD*P晶体。图6.1.1电光调Q装置示意图三、电光调Q当晶体在z轴方向加电压后•由于感应双折射，沿x方向偏振的光进入晶体后分解为x’和y’方向振动的两束线偏振光，调整加在晶体上电压的大小，使通过晶体后二者的相位差为π/2，相应的电压为Vπ/2，因而出射光为圆偏振光•经反射镜反射，让该圆偏振光再次通过晶体，则相位差再次增加π/2，此时出射光又为线偏振光，振动方向为y方向，与原入射偏振光振动方向（x）垂直，也就是说，当晶体加上半波电压后，往返经过晶体的线偏振光，其振动方向改变90°三、电光调Q对于未加电压的晶体•晶体加上半波电压后，向右传播的x方向线偏振光经反射后沿y方向振动被偏振片吸收，此时腔内损耗大，Q值很低，由于激励源的作用，使介质上能级粒子数迅速增加。注意：此时往返经过晶体的线偏振光振动方向不变•当上能级粒子数积累到足够数量的时刻，突然去除晶体上的电压，则激光晶体输出的激光经偏振片后能能自由往返于谐振腔之间，不改变偏振光的偏振状态，损耗小，腔内Q值很高，从而输出一个巨脉冲。三、电光调Q结论电光调Q能在不到10ns内完成一次开关，其峰值功率可达千兆瓦量级，控制电光晶体每秒的电压开关次数，就可以重复地产生巨脉冲，一般电光调Q本身的重复频率可达50kHz。四、声光调Q装置图6.1.2声光调Q装置示意图四、声光调Q原理在谐振腔内放置声光偏转器，按照布拉格条件放置当加上超声波时，光束按照布拉格条件决定的方向偏折出谐振腔，此时腔的损耗严重，Q值很低，不能形成激光振荡，在这一阶段，增益介质在泵浦源作用下，上能级粒子数大量积累，一定时间后。去掉超声场，光束顺利的通过均匀的声光介质，不发生偏折，使得腔内Q值升高，从而得到一个强的激光脉冲输出。四、声光调Q声光介质中以重复频率f施加超声场，则可获得重复频率为f的调Q激光脉冲序列。优点：声光调Q与电光调Q相比，后者电压较高(103~104V)，前者电压较低(102V)。五、染料调Q装置图6.1.3就是染料调Q激光器的示意图。图6.1.3染料调Q激光器的示意图五、染料调Q原理它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。染料盒内装有可饱和染料，这种染料对该激光器发出的光有强烈吸收作用，而且随入射光的增强吸收系数减小。其吸收系数可以由下式表示：011sII五、染料调Q结论及注意事项腔内光强很弱时，染料对光有强烈的吸收,腔内损耗大，Q值小.随着腔内的光强逐步增强,吸收逐步减小，损耗小，Q值大。选择染料要注意几个方面：1）染料吸收峰的中心波长与激光波长基本吻合；2）染料应有合适的饱和光强，确保得到合适的“开关”速度；3）染料溶液应具有一定的稳定性和保存期，以利于实用。