第四章激光Q开关及锁模技术分解

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激光Q开关技术概论
脉冲激光器输出特点
由于每个激光脉冲都是在阈值附近产生的，所以输出脉冲的峰值
功率较低，一般为几十千瓦数量级。增大输入能量时，只能使尖 峰脉冲的数目增多，而不能有效地提高峰值功率水平；
在泵浦灯闪光的整个时间宽度中，激光出现的时间较早，结束较
晚，整个激光脉冲宽度很宽；
激光脉冲不够平滑。
体上施以电压 V/4 时，从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后， 沿 x′和 x′方向的偏振分量产生了 /2 位相延迟，经全反射镜反 射后再次通过电光晶体后又将产生 =/2 延迟，合成后虽仍是线 偏振光，但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向，因此不能通过偏 振器。
这种情况下谐振腔的损耗很大，处于低Q值状态，激光器不能振
荡，激光上能级不断积累粒子；
如果在某一时刻，突然撤去电光晶体两端的电压，则谐振腔突变
至低损耗、高Q值状态，于是形成巨脉冲激光。
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电光Q开关原理及技术
电光Q开关技术特点
开关时间短(约 10-9s )，属快开关类型，适用于脉冲激光器，是目
前使用最广泛的一种Q开关；
可以获得脉宽窄、峰值功率高的巨脉冲。典型的 Nd3+ :YAG 电
度 n 增加到阈值nt时就产生激光，形成第一个激光尖峰；
当 n 超过 nt 时，随着受激辐射的增强，上能级粒子数大量消
耗，反转粒子数 n 迅速下降，直到 n 低于阈值 nt 时，激光 振荡迅速衰减；
然后泵浦的抽运又使上能级逐渐积累粒子形成第二个激光尖峰；
如此不断重复，便产生一系列小的尖峰脉冲。
折射率的变化和电场强度平方成正比的效应称为克尔效应。电光 调Q就是利用晶体的普克尔效应来实现Q突变的方法
最常用的电光晶体主要有KH2PO4、LiTaO3、LiNdO3等
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电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
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电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
未加电场前晶体的折射率主轴 x，y，z ； 沿晶体光轴方向 z 施加一外电场 E ，由于普克尔效应，主轴变为
常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。
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声光Q开关原理及技术
布喇格衍射
现象：透射光束分裂为0
级与+1级或-1级衍射光， +1级或-1级衍射光与声波 波面的夹角亦为 。
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声光Q开关原理及技术
布喇格衍射条件
当声波频率较高； 声光作用长度 d 足够大 入射光波与声波波面的夹角满
声波波长
光波波长
获得高衍射效率的方法：提高超声驱动功
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声光Q开关原理及技术
声光开关原理
声光Q开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成，换
能器的作用是将高频信号转换为超声波；
声光开关置于激光器中，在超声场作用下发生衍射，由于一级衍
射光偏离谐振腔而导致损耗增加，从而使激光振荡难以形成，激 光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场，则衍射效应即 刻消失，谐振腔损耗突然下降，激光巨脉冲遂即形成。
光调Q激光器的输出光脉冲宽度为 10-20ns，峰值功率可达数兆瓦 至数十兆瓦；而对于钕玻璃调Q激光器，不难获得数百兆瓦的峰 值功率。
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声光Q开关原理及技术
声光介质
当声波在某些介质中传播时，该介质会产生与声波信号相应的、
随时间和空间周期变化的弹性形变，从而导致介质折射率的周期 变化，形成等效的位相光栅。光束射经此介质时发生衍射，一部 分光偏离原来方向。
长脉冲激光器
泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。
脉冲激光器
具有较大的输出功率，适用于激光打标、切割、测距等。常见的 脉冲激光器有钇铝石榴石激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、 氮分子激光器和准分子激光器等。
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激光Q开关技术概论
脉冲激光器工作原理
脉冲激光器中，在泵浦激励过程中，当工作物质中反转粒子数密
x′，y′，z′；
令光束沿 z 轴方向传播，经偏振器后变为平行于 x 轴的线偏振光，
入射到晶体表面时分解为等幅的 x′和y′方向的偏振光；在晶体中 二者具有不同的折射率 ；
经过晶体长度 d 距离后，二偏振分量产生了相位差 ；
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电光Q开关原理及技术
电光Q开关原理
当 =/2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ时，所需电压称作四分之一波电压，记作 V/4；电光晶
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激光Q开关技术概论
调Q技术原理
通过某种方法使谐振腔的损耗 (或Q值)按照规定的程序变化，
在泵浦激励刚开始时，先使光腔具有高损耗 ，激光器由于阈值 高而不能产生激光振荡，于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较 高的水平；
然后在适当时刻，使腔的损耗突然降低到 ，阈值也随之突然降
低，此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强；
于是, 在极短时间内，上能级储存的大部分粒子的能量转变为激
光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。
采用调Q技术很容易获得峰值功率高于兆瓦，脉宽为几十毫微秒
的激光巨脉冲。
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激光Q开关技术概论
调Q技术
凡能使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作 Q开关； 常用调Q方法有电光调Q、声光调Q和饱和吸收调Q等； 前两种方法中谐振腔损耗由外部驱动源控制，称为主动调
Q。后一种方法中，谐振腔损耗取决于腔内激光光强，因 此称为被动调Q。
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电光Q开关原理及技术
电光效应
某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变化，使通过晶体的
不同偏振方向的光之间产生位相差，从而使光的偏振状态发生变 化的现象称为电光效应。
电光晶体中折射率的变化和电场成正比的效应称为普克尔效应，
光电子技术基础
授课班级: 1006131 授课教师: 1006211、1006221、2006231、 左青卉
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主要内容
第四章：激光Q开关及锁模技术
1 激光Q开关技术概论
2 电光Q开关原理及技术
3 声光Q开关原理及技术
4 锁模技术
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激光Q开关技术概论
主要知识要点
脉冲激光器工作原理
Q调制技术原理 Q调制技术
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激光Q开关技术概论
连续激光器
连续激光器 按激光器运转方式 脉冲激光器 长脉冲激光器
t0 s
t0 s
t0 : 激励持续时间
s : 激光上能级寿命
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激光Q开关技术概论
连续激光器
以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激 光器和半导体激光器均属于此类。连续激光器输出功率一般比较 低，适合于要求激光连续工作（激光通信、激光手术灯）场合。