1、4.6 4.6 調調Q Q技術技術（Q Switching） 調調Q技術又稱技術又稱 Q突變技術或突變技術或 Q開關技術。開關技術。調調Q Q技技術的出現和發展，是激光發展史上的一個重要突破，術的出現和發展，是激光發展史上的一個重要突破，它是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發射，從它是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發射，從而使光源的峰值功率可提高幾個數量級的一種技術。而使光源的峰值功率可提高幾個數量級的一種技術?，F在，欲要獲得峰值功率在兆瓦級現在，欲要獲得峰值功率在兆瓦級(10(106 6w)w)以上，脈寬以上，脈寬為納秒級為納秒級(10(10-9-9s)s)的的激光脈沖激光脈沖已并不困難。

2、已并不困難。 固體激光器的優點是輸出功率大，體積小，固體激光器的優點是輸出功率大，體積小，堅固，貯存能量的能力較強，堅固，貯存能量的能力較強，適合實現適合實現Q Q開關、鎖開關、鎖模等模等技術。下邊我們以紅寶石激光器為例，簡介技術。下邊我們以紅寶石激光器為例，簡介其工作原理。其工作原理。高功率激光器高功率激光器n追求單脈沖能量追求單脈沖能量n追求峰值功率追求峰值功率n追求更窄的脈寬追求更窄的脈寬 一般固體脈沖激光器由于存在一般固體脈沖激光器由于存在馳豫振蕩現象馳豫振蕩現象，輸出激光，輸出激光為一無規尖峰脈沖序列，其總的脈沖寬度持續幾百微秒甚至為一無規尖峰脈沖序列，其總的脈沖寬度持續幾百微秒甚至

3、幾毫秒幾毫秒 ，峰值功率也只有幾十千瓦的水平，遠不能滿足諸如，峰值功率也只有幾十千瓦的水平，遠不能滿足諸如激光精密測距、激光雷達、高速攝影、高分辨率光譜學激光精密測距、激光雷達、高速攝影、高分辨率光譜學研究研究等的要求，正是在這些要求的推動下，人們研究和發展了調等的要求，正是在這些要求的推動下，人們研究和發展了調Q 技術。技術。 1961年底，年底，鄧錫銘鄧錫銘幾乎與國幾乎與國外同時，獨立提出了高功率激光外同時，獨立提出了高功率激光Q開關原理。他非常形象地解釋：開關原理。他非常形象地解釋：把把Q開關比喻為一個稍有漏水開關比喻為一個稍有漏水(自自發輻射躍遷發輻射躍遷)的抽水馬桶，當水箱的抽水馬桶

4、，當水箱被灌被灌(光泵注入能量光泵注入能量)滿之后水箱底滿之后水箱底部的蓋快速揭開部的蓋快速揭開(Q值突變值突變)，水，水(激光能量激光能量)就一涌而出就一涌而出(激光峰值激光峰值功率輸出功率輸出)。采用調技術很容易。采用調技術很容易獲得峰值功率高于兆瓦、脈寬為獲得峰值功率高于兆瓦、脈寬為數十個納秒的激光巨脈沖。數十個納秒的激光巨脈沖。 調調 Q 技術的出現是激光發展史上的一個重大突破。它不技術的出現是激光發展史上的一個重大突破。它不僅大大推動了一些應用技術的發展且成為科學研究的有力工僅大大推動了一些應用技術的發展且成為科學研究的有力工具。具。一、弛豫振蕩現象一、弛豫振蕩現象普通脈沖激光器輸出

5、波形：普通脈沖激光器輸出波形： 由一系列不規則的尖峰脈沖組成。由一系列不規則的尖峰脈沖組成。1 1、現象、現象2 2、解釋、解釋 系統反轉粒子數密度增加的因素是光泵的激勵系統反轉粒子數密度增加的因素是光泵的激勵;使反轉使反轉粒子數密度減少的因素是受激輻射，其減少速率則因腔內粒子數密度減少的因素是受激輻射，其減少速率則因腔內光子數密度的多少而變化光子數密度的多少而變化脈沖激光器輸出的尖峰結構脈沖激光器輸出的尖峰結構腔內光子數和粒子反轉數隨時間的變化腔內光子數和粒子反轉數隨時間的變化泵浦使激光器達到閾值，產生激光泵浦使激光器達到閾值，產生激光反轉粒子數減少反轉粒子數減少至低于閾值至低于閾值激光熄滅

6、激光熄滅3 3、特點、特點(1)(1)峰值功率不高，只在閾值附近峰值功率不高，只在閾值附近(2)(2)加大泵浦能量加大泵浦能量，只是增加小尖峰脈沖的個數，只是增加小尖峰脈沖的個數( (縮短尖峰間縮短尖峰間隔隔) )，相應的，相應的小尖峰脈沖序列分布的時間范圍更寬了，但小尖峰脈沖序列分布的時間范圍更寬了，但不不能增加峰值功率。能增加峰值功率。4 4、原因、原因激光器的閾值始終保持不變激光器的閾值始終保持不變？4.6.2 4.6.2 調調的基本原理的基本原理 通常的激光器諧振腔的損耗是不變的通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵一旦光泵浦使反轉粒子數達到或略超過閾值時，激光器便開始浦使反轉粒子

7、數達到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒子數因受激輻射而減少，振蕩，于是激光上能級的粒子數因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很大的反轉粒子數，只能被限制致使上能級不能積累很大的反轉粒子數，只能被限制在閾值反轉數附近。這是普通激光器峰值功率不能提在閾值反轉數附近。這是普通激光器峰值功率不能提高的原因。高的原因。 既然激光上能級最大粒子反轉數受到激光器閾值既然激光上能級最大粒子反轉數受到激光器閾值的限制，那么，的限制，那么，要使上能級積累大量的粒子，可以設要使上能級積累大量的粒子，可以設法通過改變（增加）激光器的閾值來實現法通過改變（增加）激光器的閾值來實現。 就是當激光器開始

8、泵浦初期，設法將激光器的就是當激光器開始泵浦初期，設法將激光器的振蕩閾值調得很高，抑制激光振蕩的產生，這樣激振蕩閾值調得很高，抑制激光振蕩的產生，這樣激光上能級的反轉粒子數便可積累得很多當反轉粒子光上能級的反轉粒子數便可積累得很多當反轉粒子數積累到最大時，再突然把閾值調到很低，此時，數積累到最大時，再突然把閾值調到很低，此時，積累在上能級的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級，積累在上能級的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級，于是在極短的時間內將能量釋放出來，就獲得峰值于是在極短的時間內將能量釋放出來，就獲得峰值功率極高的巨脈沖激光輸出。功率極高的巨脈沖激光輸出。0為激光的中心頻率。用為激光的中心頻率。

9、用W 表示腔內存儲的能量表示腔內存儲的能量, ,表示光表示光在腔內傳播在腔內傳播單次能量的損耗率單次能量的損耗率, , 那么光在一個單程中的能那么光在一個單程中的能量損耗為量損耗為W。設設L為諧振腔腔長，為諧振腔腔長，n為介質折射率，為介質折射率，c為光為光速，則光在腔內走一單程所需的時間為速，則光在腔內走一單程所需的時間為 nL/c。由此，光。由此，光在腔內每秒鐘損耗的能量為：在腔內每秒鐘損耗的能量為：nLcWcnLW/ Q 值稱為品質因數，它定義為值稱為品質因數，它定義為: : Q=20 ( (腔內存儲的能量腔內存儲的能量 / / 每秒損耗的能量）每秒損耗的能量）Q值是評定激光器中光學諧振

10、腔質量好壞的指標。值是評定激光器中光學諧振腔質量好壞的指標。式中，式中，0為真空中激光中心波長。可見，當為真空中激光中心波長。可見，當0 和和L L一定時，一定時，Q Q 值與諧振腔的損耗成反比值與諧振腔的損耗成反比，要改變激光器的閾值，可以，要改變激光器的閾值，可以通過突變諧振腔的通過突變諧振腔的Q Q值值( (或損耗或損耗) )來實現。來實現。 這樣，這樣，Q Q 值可表示為值可表示為002/2nLnLcWWQ 調調Q Q技術就是通過某種方法使腔的技術就是通過某種方法使腔的Q Q值值( (損耗損耗) )隨時間按隨時間按一定程序變化的技術。一定程序變化的技術。Q Q值也可以用光子在諧振腔內的

11、壽命值也可以用光子在諧振腔內的壽命 表示。設諧振腔表示。設諧振腔的能量損耗率為的能量損耗率為 ， ，則，則 由上式積分，得到由上式積分，得到當當 時，時， ，把能量衰減到初始值的，把能量衰減到初始值的 所經歷的時間所經歷的時間 稱為光子在諧振腔內的壽命，則稱為光子在諧振腔內的壽命，則 cdEdt0020EQdEdt0dEdtdtQ 0/0t QtEE e0Qt01tEEe1ect0Qt2Qc而而Q Q開關激光脈沖建立過程開關激光脈沖建立過程nintQ調調Q Q激光脈沖的建立過程，激光脈沖的建立過程，各參量隨時間的變化情況，各參量隨時間的變化情況，如圖所示。如圖所示。圖圖(a)(a)表示泵浦速率

12、表示泵浦速率Wp隨隨時間的變化時間的變化；圖圖(b)(b)表示腔的表示腔的Q Q值是時間值是時間的階躍函數的階躍函數( (藍虛線藍虛線) )；圖圖(c)(c)表示粒子反轉數表示粒子反轉數n n的變化；的變化；圖圖(d)(d)表示腔內光子數表示腔內光子數隨隨時間的變化。時間的變化。 在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低Q Q值值(Qo)狀態，故閾值很高不能起振，從而激光上能狀態，故閾值很高不能起振，從而激光上能級的粒子數不斷積累，直至級的粒子數不斷積累，直至 t t0 0時刻，粒子數反轉時刻，粒子數反轉達到最大值達到最大值ni，在這一時刻，在這一時刻，Q Q值

13、突然升高值突然升高( (損損耗下降耗下降) )，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于此建立。由于此ni nt( (閾值粒子反轉數閾值粒子反轉數) )，因，因此受激輻射增強非常迅速，激光介質存儲的能量此受激輻射增強非常迅速，激光介質存儲的能量在極短的時間內轉變為受激輻射場的能量，結果在極短的時間內轉變為受激輻射場的能量，結果產生了一個峰值功率很高的窄脈沖。產生了一個峰值功率很高的窄脈沖。 調調Q脈沖的建立有個過程，當脈沖的建立有個過程，當Q值階躍上升時開始振蕩，在值階躍上升時開始振蕩，在t=t0振蕩開始建立至以后一個較長的時間過程中，光子數振蕩開始建立

14、至以后一個較長的時間過程中，光子數增長十分緩增長十分緩慢，如圖所示，其值始終很小慢，如圖所示，其值始終很小(i)，受激輻射幾率很小，此時仍，受激輻射幾率很小，此時仍是自發輻射占優勢。是自發輻射占優勢。tfiD 從開始振蕩到脈沖形成的過程從開始振蕩到脈沖形成的過程只有振蕩持續到只有振蕩持續到ttD時，增長到了時，增長到了D ，雪，雪崩過程才形成崩過程才形成， 才迅速增大，受激輻射才迅速增大，受激輻射才迅速超過自發輻射而占優勢。才迅速超過自發輻射而占優勢。 因此，調因此，調Q Q脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時間形成需要一定的延遲時間t ( (也就是

15、也就是Q Q開關開關開啟的開啟的持續時間持續時間) )。光子數的迅速增長，使。光子數的迅速增長，使ni迅速減少，迅速減少，到到t=tp時刻，時刻， ni= nt，光子數達到最大值，光子數達到最大值m之之后，由后，由n nt ，則，則 迅速減少，此時迅速減少，此時n = nf ，為振蕩終止后工作物質中剩余的粒子數。，為振蕩終止后工作物質中剩余的粒子數。可見，調可見，調Q Q脈沖的峰值是發生在反轉粒子數等于閾脈沖的峰值是發生在反轉粒子數等于閾值反轉粒子數值反轉粒子數( (ni= nt) )的時刻。的時刻。 綜上所述，諧振腔的綜上所述，諧振腔的Q Q 值與損耗值與損耗成反比，如成反比，如果按照一定的

16、規律改變諧振腔的果按照一定的規律改變諧振腔的值，就可以使值，就可以使Q Q值發生相應的變化。諧振腔的損耗一般包括有：值發生相應的變化。諧振腔的損耗一般包括有：反反射損耗、衍射損耗、吸收損耗射損耗、衍射損耗、吸收損耗等。那么，我們用不等。那么，我們用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可以形成不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可以形成不同的調同的調Q Q技術。技術。有機械轉鏡調有機械轉鏡調Q Q、電光調電光調Q Q技術，聲技術，聲光調光調Q Q技術，染料調技術，染料調Q Q技術等。技術等。一、工作原理一、工作原理1、Q開關開啟開關開啟2、Q開關關閉開關關閉激光介質激光介質 激光激光轉鏡轉鏡半反

17、半反激光介質激光介質轉鏡轉鏡半反半反4.6.3 4.6.3 轉鏡調轉鏡調Q激光器激光器激光介質激光介質 激光激光半反半反鏡架鏡架棱鏡棱鏡磁頭磁頭磁鋼磁鋼電源電源光泵光泵電動機電動機觸發電路觸發電路二、裝置二、裝置激光工作介質激光工作介質鏡架鏡架棱鏡棱鏡磁頭磁頭磁鋼磁鋼 激光工作介質激光工作介質磁頭磁頭磁鋼磁鋼鏡架鏡架棱鏡棱鏡三、延遲時間三、延遲時間泵浦開始至形成高泵浦開始至形成高Q Q所用時間所用時間t : :鏡架旋轉鏡架旋轉角速度角速度1、定義、定義2、大小、大小 :延遲角延遲角(磁磁頭方向與腔軸頭方向與腔軸線夾角線夾角)四、開關時間四、開關時間滿足閾值條件產生激光至棱鏡法線與腔滿足閾值條件

18、產生激光至棱鏡法線與腔軸線重合所用時間軸線重合所用時間1、定義、定義t3、大小、大小 :開關角開關角(能滿足產生激光閾值條件時的鏡面法線與能滿足產生激光閾值條件時的鏡面法線與腔軸線間所允許的最大偏離角腔軸線間所允許的最大偏離角)2、意義、意義開關時間越短，產生的激光脈寬越短，峰開關時間越短，產生的激光脈寬越短，峰值功率越大值功率越大4、開關角計算公式、開關角計算公式dLmLL)12(262dmL)12(31 2dmmL2)12(1 2dLm 22Ldm2(1)棱鏡傾斜棱鏡傾斜 所引起的單程損耗率所引起的單程損耗率 設光在腔內往返設光在腔內往返m次后逸出次后逸出棱鏡傾斜引起的腔壽命棱鏡傾斜引起的

19、腔壽命dLcLdcLmcLc21222單程損耗率單程損耗率dLdLccLcLc22d 2 4 6 L8 棱鏡長度棱鏡長度d越小、開關角越小越小、開關角越小腔長腔長L越長、開關角越小越長、開關角越小(2)激光振蕩閾值條件激光振蕩閾值條件GldL2 ：其它損耗率，其它損耗率，G:增益系數增益系數l:工作介質長度工作介質長度(3)開關角開關角(即棱鏡傾斜角即棱鏡傾斜角)2)(2GlLd五、加速裝置五、加速裝置(1)折疊腔折疊腔光束兩次通過棱鏡，棱鏡轉過光束兩次通過棱鏡，棱鏡轉過 角，光束轉過角，光束轉過4 1、二倍加速、二倍加速(2)棱鏡加速棱鏡加速激光介質激光介質 激光激光轉鏡轉鏡半反半反全反全反

20、激光介質激光介質 激光激光轉鏡轉鏡半反半反固定鏡固定鏡 DBC=90 -2 ABC=45 + = DBA= DBC- ABC=90 -2 -(45 + )=45 -3 = ABC- =45 + -45 +3 =4 棱鏡轉過棱鏡轉過 角，光束轉過角，光束轉過4 2 DCBA 2 2 45 2、四倍加速、四倍加速激光介質激光介質 激光激光轉鏡轉鏡半反半反固定鏡固定鏡全反全反六、優缺點六、優缺點1、無插入損耗；不存在光損傷；可用于能量較大的、無插入損耗；不存在光損傷；可用于能量較大的脈沖激光器中脈沖激光器中2、高轉速的磨損，影響使用壽命；脈寬的進一步縮、高轉速的磨損，影響使用壽命；脈寬的進一步縮短受

21、限制短受限制一、電光效應一、電光效應 electro-optical effect 沿電光晶體的某一特定方向加直流電場后沿電光晶體的某一特定方向加直流電場后, ,在光軸方向上在光軸方向上產生雙折射現象，即入射線偏振光將分解為兩個偏振方產生雙折射現象，即入射線偏振光將分解為兩個偏振方向正交的本征偏振光。向正交的本征偏振光。(1)(1)縱向電光效應縱向電光效應: :電場方向與光傳播方向一致電場方向與光傳播方向一致(2)(2)橫向電光效應橫向電光效應: :電場方向與光傳播方向垂直電場方向與光傳播方向垂直4.6.4 4.6.4 電光電光調調Q Q激光器激光器1 1、定義、定義2 2、類型、類型Enno

22、3加電場后兩個正交的本征偏振光折射率之差加電場后兩個正交的本征偏振光折射率之差4 4、相移、相移入射線偏振光通過晶體后兩本征模產生的相位差入射線偏振光通過晶體后兩本征模產生的相位差E3oLn2nL23 3、折射率差、折射率差n no o: :晶體晶體o o光主折射率光主折射率 E E: :直流電場強度直流電場強度 : :晶體有效電光系數晶體有效電光系數L L：晶體沿通光方向長度：晶體沿通光方向長度 ：真空中光波長：真空中光波長5 5、半波電壓、半波電壓: : 使相移等于使相移等于 所須電壓所須電壓32onU 縱向電光效應縱向電光效應橫向電光效應橫向電光效應LHnUo32H: 晶體沿電場方向的長

23、度晶體沿電場方向的長度6 6、電光晶體的作用、電光晶體的作用 1 1、加、加 : : 相當于四分之一波片相當于四分之一波片, ,使入射線偏振光變為橢使入射線偏振光變為橢圓偏振光圓偏振光. . 若若 =45=45 ，則出射橢圓偏振光變為圓偏振光。，則出射橢圓偏振光變為圓偏振光。2U4V2 2、加、加 : :相當于半波片相當于半波片, ,使入射線偏振光的偏振方使入射線偏振光的偏振方向繞任一本征偏振光的偏振方向轉過向繞任一本征偏振光的偏振方向轉過2 2 角角( ( 為入射線偏振為入射線偏振光與該本征偏振光的夾角光與該本征偏振光的夾角). ). 若若 =45=45 ，則入、出射線偏，則入、出射線偏振光

24、方向互相垂直。振光方向互相垂直。U2V二、電光調二、電光調Q工作原理工作原理激光介質激光介質 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡起偏鏡起偏鏡檢偏檢偏鏡鏡電光器件電光器件1、Q開關開啟開關開啟2、Q開關關閉開關關閉YAG 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡偏振器偏振器KDP氙燈氙燈2U 第一階段是在晶體上加第一階段是在晶體上加 。偏振光通過。偏振光通過KDP晶體晶體時分解為沿時分解為沿X和和Y方向振動的振幅相等的兩束光，兩束光的方向振動的振幅相等的兩束光，兩束光的振動方向垂直，頻率相同，沿相同方向傳播時，其合成的振動方向垂直，頻率相同，沿相同方向傳播時，其合成的規跡由兩光的相位差來決定，當規跡由兩光

25、的相位差來決定，當 時，兩束光合成時，兩束光合成為一線偏光，它的振動方向相對入射光的原振動方向旋轉為一線偏光，它的振動方向相對入射光的原振動方向旋轉90度。因為度。因為P1/P2，所以，從晶體出來的光不能通過，所以，從晶體出來的光不能通過P2，被被P2反射掉。所以光不能在腔內來回傳播形成振蕩。這就反射掉。所以光不能在腔內來回傳播形成振蕩。這就相當于腔內光子的損耗很大，相當于腔內光子的損耗很大，Q值很高，稱為值很高，稱為“關門關門”狀狀態。態。 第二階段：脈沖形成階段第二階段：脈沖形成階段Q開關完全打開開關完全打開 在第一階段工作物質的反轉粒子數達到最大值在第一階段工作物質的反轉粒子數達到最大值

26、 時，時，突然退去晶體上的電壓，這時晶體又恢復了原來的狀態，突然退去晶體上的電壓，這時晶體又恢復了原來的狀態，光在腔內形成振蕩光在腔內形成振蕩 。2V0n 一般多使用帶起偏器的一般多使用帶起偏器的/電光開關，這種開關又電光開關，這種開關又分為退壓和加壓兩種工作方式。分為退壓和加壓兩種工作方式。 下圖為退壓式電光開關，電光晶體施加下圖為退壓式電光開關，電光晶體施加/調制電調制電壓，由棒透過起偏器的線偏振光兩次通過電光晶體后，壓，由棒透過起偏器的線偏振光兩次通過電光晶體后，偏振面正好偏轉偏振面正好偏轉9090變成光，被偏振片反射到腔外，激變成光，被偏振片反射到腔外，激光器處于高損耗關門狀態，當突然

27、去掉晶體上的調制電壓光器處于高損耗關門狀態，當突然去掉晶體上的調制電壓后，開關迅速打開，振蕩光路接通，從而產生強的短脈沖后，開關迅速打開，振蕩光路接通，從而產生強的短脈沖激光振蕩輸出。激光振蕩輸出。 退壓式調示意圖退壓式調示意圖激光電源激光電源調模塊調模塊輸輸出出鏡鏡全全反反鏡鏡 YAG 晶體棒晶體棒脈沖氙燈脈沖氙燈偏振片偏振片 電光電光晶體晶體調制電壓調制電壓 4損耗高損耗高不能振蕩不能振蕩損耗低損耗低輸出巨脈沖輸出巨脈沖聚光腔聚光腔 下圖為加壓式調示意圖，與上不同的是在晶體和偏振片間插入一下圖為加壓式調示意圖，與上不同的是在晶體和偏振片間插入一塊塊 波片。旋轉波片。旋轉 波片使激光器處于關

28、門狀態，當突然在晶體上施加波片使激光器處于關門狀態，當突然在晶體上施加 電壓后，電光晶體抵消電壓后，電光晶體抵消 波片的作用，接通光路，產生短脈沖激光波片的作用，接通光路，產生短脈沖激光輸出。輸出。加壓式調示意圖加壓式調示意圖激光電源激光電源調模塊調模塊輸輸出出鏡鏡全全反反鏡鏡 YAG 晶體棒晶體棒脈沖氙燈脈沖氙燈偏振片偏振片 電光電光晶體晶體4調制電壓調制電壓 4損耗高損耗高不能振蕩不能振蕩損耗低損耗低輸出巨脈沖輸出巨脈沖聚光腔聚光腔 電光調結構簡單，使用壽命長，輸出巨電光調結構簡單，使用壽命長，輸出巨脈沖穩定，重復性好。但是此種開關由外加脈沖穩定，重復性好。但是此種開關由外加信號控制，難以

29、實現與激光增益變化的匹配。信號控制，難以實現與激光增益變化的匹配。另外。電光晶體需要幾千伏的高壓脈沖，對其另外。電光晶體需要幾千伏的高壓脈沖，對其他電子線路易造成干擾。他電子線路易造成干擾。4.6.5 4.6.5 聲光聲光調調Q Q 以聲光相互作用原理為基礎。聲光介質在超聲波以聲光相互作用原理為基礎。聲光介質在超聲波的作用下，折射率發生周期性的變化，使介質變成正的作用下，折射率發生周期性的變化，使介質變成正弦相位光柵，當光通過這樣的介質時，發生衍射。弦相位光柵，當光通過這樣的介質時，發生衍射。 聲光調制器采用兩種衍射方式，喇曼奈斯衍射和聲光調制器采用兩種衍射方式，喇曼奈斯衍射和布拉格衍射。布拉

30、格衍射。聲光聲光Q開關考慮效率問題只采用布拉格開關考慮效率問題只采用布拉格衍射。衍射。喇曼奈斯衍射產生多級衍射光，各級光的衍射喇曼奈斯衍射產生多級衍射光，各級光的衍射效率比較低，不易實現調效率比較低，不易實現調Q。（目前也有這種衍射的。（目前也有這種衍射的Q開關）。開關）。二、聲光器件二、聲光器件1 1、結構、結構(1)(1)聲光晶體聲光晶體實現聲光互作用實現聲光互作用(2)(2)壓電換能晶片壓電換能晶片利用反壓電效應將驅動電信號轉變為超聲波利用反壓電效應將驅動電信號轉變為超聲波2 2、分類、分類按聲光互作用長度分類按聲光互作用長度分類聲光互作用區域短，相聲光互作用區域短，相當于平面光柵，對入

31、射當于平面光柵，對入射光方向要求不嚴格，能光方向要求不嚴格，能產生多級衍射光。產生多級衍射光。a)a)喇曼喇曼- -奈斯聲光器件奈斯聲光器件零級光零級光+1級衍射光級衍射光+2級衍射光級衍射光+3級衍射光級衍射光-1級衍射光級衍射光-3級衍射光級衍射光-2級衍射光級衍射光入射光入射光b)b)布拉格聲光器件布拉格聲光器件聲光互作用區域長聲光互作用區域長, ,相相當于體光柵當于體光柵, ,對入射光對入射光方向要求嚴格方向要求嚴格, ,只有一只有一級衍射光。級衍射光。零級光零級光+1級衍射光級衍射光入射光入射光3 3、聲光調制器衍射效率、聲光調制器衍射效率aPHLM2222 Pa:聲功率聲功率( (

32、與驅動電功率成正比與驅動電功率成正比) )M2:聲光優值聲光優值(反映晶體聲光效應強弱的參數反映晶體聲光效應強弱的參數)L、H:換能器長換能器長、寬度寬度三、聲光調三、聲光調Q Q工作原理工作原理激光介質激光介質聲光器件聲光器件全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡激光介質激光介質聲光器件聲光器件 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡1 1、Q Q開關開啟開關開啟2 2、Q Q開關關閉開關關閉n染料染料Q Q開關是利用有機染料的開關是利用有機染料的飽和吸收特性飽和吸收特性形成的。形成的。n有機染料是一種有機染料是一種非線性吸收非線性吸收介質，在弱光時吸收介質，在弱光時吸收系數高，在較強激光作用下由于吸收飽和而對

33、激系數高，在較強激光作用下由于吸收飽和而對激光透明（又稱光透明（又稱漂白效應漂白效應）。）。4.6.6 4.6.6 染料調染料調Q Q一、染料的可飽和吸收系數一、染料的可飽和吸收系數sII10 0 0: :光強很小時的吸收系數光強很小時的吸收系數I Is s: :染料的飽和吸收光強染料的飽和吸收光強( (與染料種類及濃度有關與染料種類及濃度有關) )二、染料吸收特性二、染料吸收特性光強很小時，吸收系數很大，光強很小時，吸收系數很大，I=0 時時, , = 0光強很大時，吸收系數很小，光強很大時，吸收系數很小，IIs 時時, , =0激光介質激光介質染料盒染料盒 激光激光全反鏡全反鏡輸出鏡輸出鏡

34、氙燈氙燈開始泵浦開始泵浦腔內熒光弱腔內熒光弱吸收系數大吸收系數大Q值低值低(粒子粒子在上能級積累，反轉粒子數大大提高在上能級積累，反轉粒子數大大提高)不能形成激不能形成激光光繼續泵浦繼續泵浦腔內熒光變強腔內熒光變強吸收系數變小吸收系數變小熒熒光達到一定值時，吸收系數飽和光達到一定值時，吸收系數飽和燃料被漂白燃料被漂白( (光光可以全部透過可以全部透過) ) Q Q值突增，形成值突增，形成巨巨激光脈沖激光脈沖泵泵浦結束浦結束當反轉粒子數被消耗掉后，腔內光強下降，當反轉粒子數被消耗掉后，腔內光強下降，染料吸收再次上升，腔內染料吸收再次上升，腔內Q Q值下降，開始一個新的值下降，開始一個新的循環。循

35、環。染料調示意圖染料調示意圖 激光電源激光電源輸輸出出鏡鏡鍍鍍全全反反染染料料盒盒 YAG 晶體棒晶體棒脈沖氙燈脈沖氙燈 染料調結構簡單，使用方便，沒有電的干擾染料調結構簡單，使用方便，沒有電的干擾，但是它是一種被動式開關，產生調脈沖的時，但是它是一種被動式開關，產生調脈沖的時刻有一定的隨機性，不能人為的控制。另外，由于刻有一定的隨機性，不能人為的控制。另外，由于飽和吸收時的透過率也不是飽和吸收時的透過率也不是100%100%，故有一定的光學，故有一定的光學損耗，影響調的效率。損耗，影響調的效率。聚光腔聚光腔三、影響調三、影響調Q的效果的因素的效果的因素 主要討論吸收體、輸入能量、吸收體濃度對

36、調主要討論吸收體、輸入能量、吸收體濃度對調Q效果的影響。效果的影響。 1. 染料吸收體染料吸收體 吸收體是染料吸收體是染料Q開關的核心，它對調開關的核心，它對調Q的效果的效果影響最大。因此合理的選擇染料很重要，并不是影響最大。因此合理的選擇染料很重要，并不是什么樣的染料都可以做調什么樣的染料都可以做調Q開關，而且不同的工作開關，而且不同的工作物質所需要的染料不同。物質所需要的染料不同。染料需滿足下面條件：染料需滿足下面條件： （1）吸收體的吸收峰和激光器的中心波長對應。吸收體的吸收峰和激光器的中心波長對應。 （2）染料配成溶液要具有一定的穩定性。染料配成溶液要具有一定的穩定性。(3)選擇的染料

37、必須有高的開關效率。選擇的染料必須有高的開關效率。(4)產生巨脈沖的必要條件是吸收飽和光強參數小于產生巨脈沖的必要條件是吸收飽和光強參數小于介質的增益飽和光強參數介質的增益飽和光強參數,I sIs(5)吸收飽和光強參數吸收飽和光強參數I s的大小的大小要適當要適當I s太大，開關速度慢，影響調太大，開關速度慢，影響調Q效果效果I s太小太小,很弱的光即可使其透明，導致工作介很弱的光即可使其透明，導致工作介質的反轉粒子數不能充分積累質的反轉粒子數不能充分積累( )0vAsInn2. 染料濃度的影響染料濃度的影響 （1）染料濃度）染料濃度N大，閾值越高，輸出巨脈沖峰值功率也高；大，閾值越高，輸出巨脈沖峰值功率也高； 基態基態n1大，初始大，初始 大，當染料飽和時大，當染料飽和時n1=n2，從基態的，從基態的粒子激發到高能態達到飽和時吸收的光強多粒子激發到高能態達到飽和時吸收的光強多飽和光強大，飽和光強大，因此染料從初態到飽和需要的時間長因此染料從初態到飽和需要的時間長延遲時間長。延遲時間長。 如果如果N過大，飽和光強大，腔內的光強不能使染料達到飽過大，飽和光強大，腔內的光強不能使染料達到飽和，這時染料起不到和，這時染料起不到Q開關的作用。開關的作用。 （2）染料的濃度?。┤玖系臐舛刃?N小，小，