第十六十七次课 激光原理.ppt

文档介绍：§ 调Q技术
一、弛豫振荡现象
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重复上述过程
1、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
2、原因
激光器的阈值始终保持不变
(3)时间特性差,多脉冲输出,~1μs
3、应用局限
以测距为例
脉冲峰值功率较低(几十kw量级) →影响测距距离
时间特性差(多脉冲输出) →影响测距精度
激光测距仪
激光雷达
弛豫振荡反映了激光振荡过程的不稳定,具有普遍性。为了改善激光器性能,获得单个巨脉冲,必须抑制弛豫振荡,使有限的激光能量在极短的时间内输出以提高脉冲峰值功率。

问题1:如何获得巨脉冲?
——调Q 、锁模
当v0 和L一定时,Q值与δ成反比,调Q即调δ。
问题2:调Q是调什么?
问题3:调损耗δ怎么就能获得巨脉冲呢?
二、调Q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。这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。
要使上能级积累大量的粒子,可以设法将激光器的初始振荡阈值调得很高,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。
调Q思路和规定程序:
泵浦初期(激光产生之前):
设置高损耗, (低Q), △nt 高,反转粒子数积累
在适当时刻(?) :
降低损耗, (高Q), △nt 低,受激辐射放大形成巨脉冲
调Q基本术语
调Q -调腔内损耗 Q开关- 执行调Q功能的器件
巨脉冲-调Q产生的激光脉冲(脉宽窄,峰值功率高)
Q开关关闭
Q开关打开
在腔内加入阶跃变化的损耗机制
适当时刻,也叫做Q开关的延迟时间: 反转粒子数积累最多
~激光上能级寿命~荧光寿命
(工作物质储能最多)
(谐振腔储能最多)
或腔内光子数最多
标志
三、调Q过程
2、阈值反转粒子数
(1)t<0: nt
(2)t>0: nt
( nt>>nt)
1、腔损耗
(1)t<0(Q开关打开前): 
(2)t>0(Q开关打开后): 
(>> )
3、泵浦速率
(1)t<0: Wp大
(2)t>0: Wp小
nt
nt
ni
td
0
m
nf

Wp
δ
δ’
t
4、反转粒子数n
(1) t<0: n增大
(2) t=0: n=n0
(3) t>0: n减小
(4) t=td: n=nt
(nt <n0 <nt)
5、腔内光子数密度
(1)0<t<td : 因n>nt而增强
(2) t>td: 因n<nt而减弱
(3) t=td: 达最大m
(5) t>>0: 振荡结束时残余反转粒子数为n=nf
nt
nt
n0
td
0
m
nf

Wp
δ
δ’
t
问题4:调Q效果
与哪些因素有关?
四、调Q激光器的速率方程
(二能级、固体、均匀加宽)
1、非调Q
W12
E1
E2
S21
A21
W21
P26() B12g1=B21g2
P39() W21=B21ρν
W12=B12ρν
P40()
代入
2、调Q(忽略自发辐射和无辐射跃迁:S12=0, A21=0)
P99()
P18
二能级系统
的速率方程
调Q激光器
的速率方程
1、腔内光子数密度
由和消t
当n= nt时光子数密度达最大值
2、最大光子数密度
1
e
0
e-2
e2
e2-3
五、调Q激光器的性能参数