激光技術(shù)第三講

1、調(diào)Q技術(shù)應(yīng)用,第一節(jié) 概述,5.1.1 固體激光器的輸出特性,弛豫振蕩的形成 （Dn &Nl 的瞬態(tài)變化）,t1- t2 泵浦激勵(lì)使Dn增加的速率 > 受激輻射使Dn減小的速率,泵浦能量低于閾值,泵浦能量高于閾值,t2- t3 受激輻射使Nl 急劇上升 ? Dn?,?n極大,t3- t4 受激輻射使 Dn < Dnt Nl急劇下降，Dn ?,t4- t5,t=t4，受激輻射使Dn減小的速

2、率 = 泵浦使Dn增加的速率,若泵浦作用尚未停止，受激輻射減弱導(dǎo)致,t>t5 又開始第二個(gè)脈沖的建立過(guò)程，在整個(gè)脈沖泵浦過(guò)程中， 這種過(guò)程反復(fù)發(fā)生，造成輸出激光的一連串尖峰結(jié)構(gòu)。,Nl極大,?n極小,Nl極小,5.1.2 調(diào)Q的基本原理,2．調(diào)節(jié)Q值的途徑 一般采取改變腔內(nèi)損耗的辦法來(lái)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的Q值。,,1. 諧振腔品質(zhì)因數(shù)Q的定義：,ε為腔內(nèi)儲(chǔ)存的總能量，P為單位時(shí)間損耗的能量,諧振腔的損耗越小

3、，品質(zhì)因數(shù)越高。,,,諧振腔光程長(zhǎng),閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度,,,,增益介質(zhì)幾何長(zhǎng)度,,,真空光速,3．調(diào)Q的過(guò)程 (1)能量存儲(chǔ)過(guò)程 諧振腔處于低Q值（高損耗）狀態(tài)，當(dāng)光泵的能量被激光介質(zhì)吸收后，上能級(jí)粒子數(shù)不斷積累，由于閾值太高不能起振，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值 ，若Q開關(guān)一直不打開，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在泵浦和上能級(jí)壽命的雙重作用下達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。 該過(guò)程的基本特點(diǎn)是：泵浦能量存儲(chǔ)在激光上能級(jí)上。,,,,能量存儲(chǔ)過(guò)程,(2)激光產(chǎn)生與輸

4、出過(guò)程 在t0時(shí)刻，損耗突然下降，Q值升高，振蕩閾值隨之下降，通常滿足Δni??Δnt，因此，受激輻射增強(qiáng)非常迅速，激光快速建立，增益介質(zhì)中存儲(chǔ)的能量在極短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榧す獾哪芰?，產(chǎn)生一個(gè)峰值功率很高的窄脈沖。,,,,,,激光產(chǎn)生過(guò)程,,5.1.3 實(shí)現(xiàn)調(diào)Q對(duì)激光器的基本要求,（1）工作物質(zhì)在強(qiáng)泵浦下工作，因此抗損傷閾值要高。并且上能級(jí)壽命?2較長(zhǎng)，使得儲(chǔ)能很高。,穩(wěn)態(tài)時(shí),（2）泵浦速度應(yīng)盡量快，以減小自發(fā)輻射的損耗，在低重

5、復(fù)頻率調(diào)Q激光器中，為得到足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通常取泵浦的持續(xù)時(shí)間約等于或小于上能級(jí)壽命。,（3）諧振腔的Q值改變要快，一般應(yīng)小于建立激光振蕩的時(shí)間，如果Q開關(guān)時(shí)間太慢，會(huì)使脈沖變寬，甚至產(chǎn)生多脈沖現(xiàn)象。,,第二節(jié) 調(diào)Q激光器的基本理論,5.2.1 調(diào)Q的速率方程1.三能級(jí)系統(tǒng)速率方程,,速率方程是調(diào)Q激光器的基本理論,,假設(shè)條件：(1) g1=g2； (2)增益介質(zhì)長(zhǎng)度等于腔長(zhǎng)，設(shè)為l，模式體積

6、設(shè)為V； (3)Q突變過(guò)程中，忽略泵浦和自發(fā)輻射過(guò)程。,忽略泵浦和自發(fā)輻射過(guò)程，取g1=g2：,,,,,,,光子數(shù)密度，和教材一致,,根據(jù)：,,左式即教材5.2-4式，為三能級(jí)調(diào)Q激光振蕩的速率方程。注意：教材中? =1/?R，表示單位時(shí)間的損耗。,2. 四能級(jí)系統(tǒng)速率方程,類似推導(dǎo)得到：,n3=0,n1=0,5.2.1 調(diào)Q的速率方程,假定腔內(nèi)損耗在時(shí)間上有一階躍突變,在t=0之前，初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)

7、密度為?ni，其求解方法見第三章第六節(jié)。,對(duì)于三能級(jí)系統(tǒng)，由5.2-4式：,在t=0時(shí)刻，初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為?ni，光子數(shù)密度? =?i =0。之后，? 急劇增加，?n開始劇減。在?n=?nt時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到極大值?m,從 對(duì)?n積分,,積分得到,,1. 調(diào)Q脈沖的峰值功率,,如果初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)?ni大大超過(guò)閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)?nt（高Q值狀態(tài)）則得：,,若除輸出外其它損耗可忽略,否則,,,2. 調(diào)Q脈

8、沖的能量及能量利用率,,激光脈沖的能量是由消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的受激輻射過(guò)程產(chǎn)生的，若以光子數(shù)密度從極大值?m下降到?f的時(shí)間作為脈沖結(jié)束，?f ?0，?f對(duì)應(yīng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為?nf,,脈沖能量,,能量利用率,,,,,有效輸出占總損耗的比重,,,3. 調(diào)Q脈沖的時(shí)間特性,,當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度降低到?n´時(shí)，光子數(shù)密度為?´,對(duì)特定反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度?n，對(duì)應(yīng)光子數(shù)密度為?，時(shí)刻為t,光子數(shù)密度?滿足：,從而得到?與t的關(guān)系，

9、進(jìn)一步得到輸出功率與t的關(guān)系。,,,,脈沖寬度?t半高寬定義：在激光脈沖中，功率降到峰值功率的一半所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)時(shí)刻之差,?ni /?nt是一個(gè)極為重要的參量，其值越高，?nf越小，輸出功率越高，脈沖寬度越窄，總體效率越高。,?ni /?nt越高，激光脈沖的上升時(shí)間越短；諧振腔損耗越高，脈沖的下降時(shí)間越短。在激光器設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)增益和損耗進(jìn)行綜合優(yōu)化。,工程上脈沖寬度的計(jì)算公式：,,解：,,峰值光子數(shù),峰值功率,脈沖能量,脈沖寬度,,自學(xué)：