激光调Q技术2012资料下载.pdf
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调调Q技术最早出现在技术最早出现在1962年年,是激光发展史上重要的是激光发展史上重要的突破突破调调Q技术的应用技术的应用:
调调Q技术是获得高峰值功率激光的重技术是获得高峰值功率激光的重要方法要方法,在激光雷达在激光雷达、激光测距激光测距、激光加工激光加工、激光医激光医疗疗、激光核聚变以及非线性光学领域都具有重要的应激光核聚变以及非线性光学领域都具有重要的应用价值用价值。
高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理普通脉冲激光器输出波形普通脉冲激光器输出波形普通脉冲激光器输出波形是一种弛豫振荡波形普通脉冲激光器输出波形是一种弛豫振荡波形高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理驰豫振荡驰豫振荡:
普通脉冲激光器输出的光脉冲普通脉冲激光器输出的光脉冲,并不是并不是一个时间平滑的脉冲一个时间平滑的脉冲,而是由一系列的小尖峰脉冲而是由一系列的小尖峰脉冲组成组成,每个尖峰脉冲的宽度约为每个尖峰脉冲的宽度约为0.1-1ns,间隔约为间隔约为510s。
泵浦越强泵浦越强,尖峰脉冲数目越多尖峰脉冲数目越多,但是其包但是其包络的峰值增加不多络的峰值增加不多,这种现象叫驰豫振荡这种现象叫驰豫振荡,又称作又称作尖峰振荡尖峰振荡。
驰豫振荡的原因驰豫振荡的原因:
泵浦的增强只是加快激光器达到泵浦的增强只是加快激光器达到振荡阈值产生激光振荡阈值产生激光,然后由于粒子束反转减小到阈然后由于粒子束反转减小到阈值以下使得激光发射停止这一反复过程值以下使得激光发射停止这一反复过程,增加了脉增加了脉冲的数目冲的数目,对提高脉冲功率没有帮助对提高脉冲功率没有帮助。
驰豫振荡驰豫振荡根本原因根本原因:
激光器激光器振荡阈值不变振荡阈值不变。
高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理谐振腔的品质因数谐振腔的品质因数:
也称激光器的也称激光器的Q值值,定义定义如下如下Q值的物理意义值的物理意义:
表征谐振腔的损耗大小表征谐振腔的损耗大小Q值小值小:
谐振腔损耗大谐振腔损耗大,不容易形成振荡不容易形成振荡Q值大值大:
谐振腔损耗小谐振腔损耗小,容易形成振荡容易形成振荡02Qv腔内存储的激光能量每秒损耗的激光能量0022/()EnLQvEnLc高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理驰豫振荡的特点驰豫振荡的特点:
激光弛豫振荡形成过程中激光器的激光弛豫振荡形成过程中激光器的阈值阈值不变不变,每个尖峰脉冲都产生在阈值附近每个尖峰脉冲都产生在阈值附近,工作物质上下能级工作物质上下能级之间之间不能积累很高的反转粒子数不能积累很高的反转粒子数改变改变Q值的方法值的方法:
泵浦开始时提高振荡阈值泵浦开始时提高振荡阈值,使反转粒子数实现积使反转粒子数实现积累累低低Q值值反转粒子数达到最大值时反转粒子数达到最大值时,突然将振荡阈值降突然将振荡阈值降低低,短时间释放能量短时间释放能量高高Q值值高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理激光器振荡的阈值条件为激光器振荡的阈值条件为:
A21:
自发辐射几率自发辐射几率,g:
模式数模式数调调Q的本质的本质:
通过改变激光谐振腔的通过改变激光谐振腔的Q值值(即即改变谐振腔的损耗改变谐振腔的损耗),),使其随时间按照一定的使其随时间按照一定的程序变化程序变化,实现调实现调Q212112thcggvnAAQ高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理谐振腔的损耗形式和损耗控制方式谐振腔的损耗形式和损耗控制方式12345反射损耗吸收损耗总损耗衍射损耗散射损耗输出损耗QQQQQQ电光调机械转镜调可饱和吸收调调方式声光调透射式调高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理调调Q技术对工作物质技术对工作物质、泵浦泵浦、损耗变化的要求损耗变化的要求工作物质高抗损伤阈值高抗损伤阈值激光跃迁上能级寿命足够长激光跃迁上能级寿命足够长光泵浦速率泵浦速率大于上能级的自发辐射速率泵浦速率大于上能级的自发辐射速率Q值突变Q值变化时间应和激光器建立振荡的时间相近值变化时间应和激光器建立振荡的时间相近,否则脉冲展宽否则脉冲展宽高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理调调Q激光器的两种储能方式激光器的两种储能方式工作物质储能调工作物质储能调Q:
又称为又称为脉冲反射式脉冲反射式调调Q,简称简称PRM。
指以指以激活粒子激活粒子的形式的形式将能量存储于工作物质中将能量存储于工作物质中,能量存储时间决能量存储时间决定定于激光上能级的寿命于激光上能级的寿命谐振腔储能调谐振腔储能调Q又称为脉冲透射式调又称为脉冲透射式调Q,这种方法将能量以光子的形这种方法将能量以光子的形式存储在谐振腔内式存储在谐振腔内,腔内光子数密度达到最大时瞬腔内光子数密度达到最大时瞬时全部输出时全部输出,也被称为腔倒空法也被称为腔倒空法高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理脉冲泵浦的调脉冲泵浦的调Q过程过程Wp:
泵浦速率n:
反转粒子数密度nf:
泵浦开始时的反转粒子数密度nt:
阈值反转粒子数密度ni:
泵浦结束时的反转粒子数密度:
腔内光子数密度高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理调调Q过程的分析过程的分析t0时刻之前时刻之前:
谐振腔处于高损耗状态谐振腔处于高损耗状态,激光器激光器因阈值高而不能起振因阈值高而不能起振,激光上能级粒子数积激光上能级粒子数积累累,n(t)增大增大;
t0时刻时刻:
n(t)达到其最大值达到其最大值ni,谐振腔损耗谐振腔损耗突然下降突然下降,Q值猛升值猛升,阈值下降阈值下降,激光振荡激光振荡建立建立,腔内光子数密度迅速增大腔内光子数密度迅速增大,工作物质工作物质中的储能在极短时间转变为受激辐射中的储能在极短时间转变为受激辐射,输出输出巨脉冲巨脉冲。
高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理脉冲形成过程分析:
1)t=t0:
激光振荡建立激光振荡建立,反转粒子数密度反转粒子数密度n=ni2)t=tD:
增加到增加到D:
雪雪崩过程开始形成崩过程开始形成,腔内腔内光子数迅速增长光子数迅速增长,ni迅迅速减小速减小。
3)t=tp:
光子数密度达到光子数密度达到最大最大,反转粒子数密度反转粒子数密度n=nt,巨脉冲的峰值巨脉冲的峰值形成形成。
高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理连续泵浦高重复频率调连续泵浦高重复频率调Q的的过程过程高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理工作物质储能调工作物质储能调Q特点特点:
1)脉冲宽度脉冲宽度1020ns2)输出脉冲特点输出脉冲特点:
腔内边形成激光振荡边输出腔内边形成激光振荡边输出,输出脉冲形状与腔内光强的变化状态一致输出脉冲形状与腔内光强的变化状态一致3)激光振荡结束时激光振荡结束时,工作物质中有一部分残留反工作物质中有一部分残留反转粒子数转粒子数,导致储能没有完全释放导致储能没有完全释放高春清高春清2012谐振腔储能调谐振腔储能调Q方式方式谐振腔储能调谐振腔储能调Q也称脉冲也称脉冲透射式调透射式调Q(简称简称PTM)或腔倒空法或腔倒空法。
谐振腔储能调谐振腔储能调Q方式的特点方式的特点:
将能量以光子的将能量以光子的形式储存在谐振腔内形式储存在谐振腔内,当腔内光子数密度达到当腔内光子数密度达到最大值时最大值时,瞬间将腔内能量全部输出瞬间将腔内能量全部输出,故称腔故称腔倒空法倒空法。
高春清高春清2012谐振腔储能调谐振腔储能调Q方式方式谐振腔储能调谐振腔储能调Q的实验系统图的实验系统图:
P1/P2谐振腔储能调谐振腔储能调Q的工作过程的工作过程:
1)不加电压不加电压(V=0):
工作物质在泵浦作用下上能级粒子数工作物质在泵浦作用下上能级粒子数逐渐积累逐渐积累,由工作物质产生的自发辐射经由工作物质产生的自发辐射经P1起偏后通过起偏后通过P2逸出腔外逸出腔外。
腔损耗大腔损耗大,Q值低值低高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理谐振腔储能调谐振腔储能调Q的工作过程的工作过程:
2)加半波电压加半波电压(V=V/2):
工作物质中的反转粒子数达到工作物质中的反转粒子数达到最大最大,经经P1起偏后的线偏振光通过电光晶体后偏振起偏后的线偏振光通过电光晶体后偏振方向旋转方向旋转90,不能通过不能通过P2,经经P2反射到达反射到达M2;
由由M1和和M2所构成的谐振腔损耗很低所构成的谐振腔损耗很低,激光振荡在腔内激光振荡在腔内迅速建立迅速建立,工作物质储能全部转化为腔内光子能量工作物质储能全部转化为腔内光子能量3)去掉电压去掉电压:
光路恢复到加压前的状态光路恢复到加压前的状态,腔内存储的最腔内存储的最大光能量瞬间透过大光能量瞬间透过P2输出输出。
光子在腔内最多往返一光子在腔内最多往返一次次,巨脉冲持续时间巨脉冲持续时间2nL/c高春清高春清2012调调Q的基本原理的基本原理谐振腔储能调谐振腔储能调Q的特点的特点:
1)工作物质储能全部变成激光能量时瞬时工作物质储能全部变成激光能量时瞬时释放释放2)巨脉冲更窄巨脉冲更窄,峰值功率更高峰值功率更高。
当腔长为当腔长为150cm时时,脉宽脉宽1ns3)能量利用率更高能量利用率更高高春清高春清2012调调Q激光器的速率方程激光器的速率方程调调Q激光器的速率方程激光器的速率方程描述腔内光子数和工作物质的反转粒子描述腔内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数随时间变化规律的方程组,可以分析可以分析:
调调Q脉冲的形成过程脉冲的形成过程激光器参数对输出脉冲的影响激光器参数对输出脉冲的影响调调Q脉冲的峰值功率脉冲的峰值功率、脉宽等参数与反转脉宽等参数与反转粒子数的关系粒子数的关系高春清高春清2012调调Q激光器的速率方程激光器的速率方程几点说明几点说明假定谐振腔的单程损耗是理想的阶跃函数假定谐振腔的单程损耗是理想的阶跃函数,即即Q开关函数是理想的阶跃函数开关函数是理想的阶跃函数无论工作物质是三能级或四能级系统无论工作物质是三能级或四能级系统,均假定激均假定激光工作物质只有上光工作物质只有上、下两个能级下两个能级(简化为二能级简化为二能级系统系统)速率方程只用来研究速率方程只用来研究Q值阶跃后的脉冲形成过值阶跃后的脉冲形成过程程,不涉及反转粒子数的积累过程不涉及反转粒子数的积累过程高春清高春清2012调调Q激光器的速率方程激光器的速率方程由于受激辐射由于受激辐射,腔内光子数密度腔内光子数密度随着距离随着距离z的增长率的增长率为为G:
工作物质的增益系数工作物质的增益系数腔内光子数密度腔内光子数密度随时间的增长率为随时间的增长率为dGdzdddzcGdtdzdtn高春清高春清2012调调Q激光器的速率方程激光器的速率方程腔内的光子数密度腔内的光子数密度随时间的衰减为随时间的衰减为:
Q值阶跃后的单程损耗率值阶跃后
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- 激光 技术 2012