1、15.4 5.4 激光調激光調 Q 技術技術 普通的脈沖激光器普通的脈沖激光器,光脈沖的寬度約在光脈沖的寬度約在ms級級,峰值功率峰值功率也只有幾十也只有幾十kW. 調調 Q 激光器激光器, ,光脈沖的寬度可以壓到光脈沖的寬度可以壓到ns級級,峰值功率也峰值功率也已達到已達到MW. 調調Q Q技術的出現和發展，是激光發展史上的一個重要突破，它技術的出現和發展，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，從而使光源的峰值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。功率可提高幾個數量級的一種技術。調調Q技術的目的：技術的目的：

2、 壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。2一、激光諧振腔的品質因數一、激光諧振腔的品質因數Q Q值是評定激光器中光學諧振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品質因數。品質因數。 1.Q值定義：值定義：每振蕩周期損耗的能量諧振腔內儲存的能量2Q2.品質因子品質因子Q與諧振腔的單程總損耗的關系與諧振腔的單程總損耗的關系光強I0在諧振腔傳播z距離后會減弱為 00exp()expa cIIa zIt總總上式可以改寫為光子數密度的形式 00( )expexpca ctN tNtN總chtNtI0)()(而 體積為V的腔內存儲的能量為： 0)( VhtNW 每振蕩周期

3、損耗的能量為： caVhtNWPc總)(0總aPWQ22調節調節Q值的途徑值的途徑 一般采取改變腔內損耗的辦法來調節腔內的一般采取改變腔內損耗的辦法來調節腔內的Q值。值。3 將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進行觀察、記錄，發現其波將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進行觀察、記錄，發現其波形并非一個平滑的光脈沖，而是由許多形并非一個平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機變化的尖峰脈振幅、脈寬和間隔作隨機變化的尖峰脈沖組成的沖組成的，如圖，如圖(a)所示。每個尖峰的寬度約為所示。每個尖峰的寬度約為0.11s，間隔為數微秒，脈沖，間隔為數微秒，脈沖序列的長度大致與閃光燈泵浦持續

4、時間相等。圖序列的長度大致與閃光燈泵浦持續時間相等。圖(b)所示為觀察到的紅寶石激光所示為觀察到的紅寶石激光器輸出的尖峰。這種現象稱為器輸出的尖峰。這種現象稱為激光器弛豫振蕩激光器弛豫振蕩。1. 脈沖固體激光器的輸出特性脈沖固體激光器的輸出特性二、調二、調 Q原理原理4 產生弛豫振蕩的主要原因：產生弛豫振蕩的主要原因：當激光器的工作物質被泵浦，上能級的粒子反當激光器的工作物質被泵浦，上能級的粒子反轉數超過閾值條件時，即產生激光振蕩，使腔內光子數密度增加，而發射激光。轉數超過閾值條件時，即產生激光振蕩，使腔內光子數密度增加，而發射激光。隨著激光的發射，上能級粒子數大量被消耗，導致粒子反轉數降低，

5、當低于閥隨著激光的發射，上能級粒子數大量被消耗，導致粒子反轉數降低，當低于閥值時，激光振蕩就停止。這時，由于光泵的繼續抽運，上能級粒子反轉數重新值時，激光振蕩就停止。這時，由于光泵的繼續抽運，上能級粒子反轉數重新積累，積累，當超過閾值時，又產生第二個脈沖，當超過閾值時，又產生第二個脈沖，如此不斷重復上述過程，直到泵浦停如此不斷重復上述過程，直到泵浦停止才結束。止才結束。每個尖峰脈沖都是在閾值每個尖峰脈沖都是在閾值附近產生的，因此脈沖的峰值功率水附近產生的，因此脈沖的峰值功率水平較低。增大泵浦能量也無助于峰值平較低。增大泵浦能量也無助于峰值功率的提高，而只會使小尖峰的個數功率的提高，而只會使小尖

6、峰的個數增加。增加。E1E25弛豫振蕩產生的物理過程，可以用圖弛豫振蕩產生的物理過程，可以用圖2來描述。它示出了在弛豫振來描述。它示出了在弛豫振蕩過程中粒子反轉數蕩過程中粒子反轉數n 和腔內光子數和腔內光子數的變化，每個尖峰可以分的變化，每個尖峰可以分為四個階段為四個階段 (在在t1時刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉數時刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉數n增長，增長，但尚未到達閾值但尚未到達閾值n閾閾因而不能形成激光振蕩。因而不能形成激光振蕩。)圖2 腔內光子數和粒子反轉數隨時間的變化6第一階段第一階段(t1一一t2)：激光振蕩剛開始時，：激光振蕩剛開始時，n n閾閾， 0；由于；由于光泵作用，光

7、泵作用， n繼續增加，與此同時，腔內光子數密度繼續增加，與此同時，腔內光子數密度也開始增也開始增加，由于加，由于的增長而使的增長而使n減小的速率小于泵浦使減小的速率小于泵浦使n 增加的速率，增加的速率，因此因此n一直增加到最大值。一直增加到最大值。 圖2 腔內光子數和粒子反轉數隨時間的變化第二階段第二階段(t2一一t3) ： n到達最大值后開始下降，到達最大值后開始下降，但仍然大于但仍然大于n閾閾 ，因此，因此 繼續增長，而且增長繼續增長，而且增長非常迅速，達到最大值。非常迅速，達到最大值。7 第四階段第四階段(t4一一t5)：光子數減少到一定程度，泵浦又起主要作用，：光子數減少到一定程度，泵

8、浦又起主要作用，于是于是n又開始回升，到又開始回升，到t5時刻時刻n又達到閾值又達到閾值n閾閾 ，于是又開始產，于是又開始產生第二個尖峰脈沖。因為泵浦的抽運過程的持續時間要比每個尖峰生第二個尖峰脈沖。因為泵浦的抽運過程的持續時間要比每個尖峰脈沖寬度大得多，于是上述過程周而復始，產生一系列尖峰脈沖。脈沖寬度大得多，于是上述過程周而復始，產生一系列尖峰脈沖。泵浦功率越大泵浦功率越大,尖峰脈沖形成越快尖峰脈沖形成越快,因而尖峰的時間間隔越小因而尖峰的時間間隔越小 第三階段第三階段(t3一一t4)： n n閾閾 ，增益小，增益小于損耗，光子數密度于損耗，光子數密度減少并急劇下降。減少并急劇下降。82.

9、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，一旦光泵浦使反轉粒，一旦光泵浦使反轉粒子數達到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級子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，致使上能級不能積累很多的反轉粒的粒子數因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很多的反轉粒子數，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(一般為幾十千瓦數量級一般為幾十千瓦數量級) )。不能提高的原因。不能提高的原因。 既然激光上能級最大粒子反轉數受到激光器閾值的限制，

10、那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，么，要使上能級積累大量的粒子，可以設法通過改變（增加）激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光器的閾值來實現，就是當激光器開始泵浦初期，設法將激光器，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，這樣激光上能級的的振蕩閾值調得很高，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。反轉粒子數便可積累得很多。QvAgn 221閾總aPWQ229當反轉粒子數積累到最大時，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，于是在極短的時間內將能

11、量釋放出來，就獲得峰值功率極高的巨脈沖激光輸出。 改變激光器的閾值是提高激光上能級粒子數積累的有效方法改變激光器的閾值是提高激光上能級粒子數積累的有效方法?？俛PWQ22Q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，可以通過突要改變激光器的閾值，可以通過突變諧振腔的變諧振腔的Q值值(或損耗或損耗a總總)來實現來實現。 調調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值隨時間按一定程序變化值隨時間按一定程序變化的技術的技術。或者說使腔的使腔的損耗損耗隨時間按一定程序變化的技術隨時間按一定程序變化的技術。10 調調Q激光脈沖的建立過程，激光脈沖的建立過程，各參量隨

12、時間的變化情況，如各參量隨時間的變化情況，如右圖所示。右圖所示。圖圖(a)表示泵浦速率表示泵浦速率Wp隨時間的隨時間的變化；變化；圖圖(b)表示腔的表示腔的Q值是時間的階值是時間的階躍函數躍函數(藍虛線藍虛線)；圖圖(c)表示粒子反轉數表示粒子反轉數n的變的變化；化；圖圖(d)表示腔內光子數表示腔內光子數隨時間隨時間的變化的變化。3.Q開關激光器的特點開關激光器的特點 （1） 通過改變通過改變Q值值改變閾改變閾值，控制激光產生的時間。值，控制激光產生的時間。11在泵浦過程的大部分時間里諧振在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低腔處于低Q值狀態，故閾值很高值狀態，故閾值很高不能起振，從而激光上能級

13、的粒不能起振，從而激光上能級的粒子數不斷積累，直至子數不斷積累，直至 t0時刻，粒時刻，粒子數反轉達到最大值子數反轉達到最大值ni，在這，在這一時刻，一時刻，Q值突然升高值突然升高(損耗下損耗下降降)，振蕩閾值隨之降低，于是，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于此激光振蕩開始建立。由于此ni nt(閾值粒子反轉數閾值粒子反轉數)，因此，因此受激輻射增強非常迅速，激光介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質存儲的能量在極短的時間內轉變為受激輻射場的能量，內轉變為受激輻射場的能量，結果產生了一個峰值功率很結果產生了一個峰值功率很高的窄脈沖。高的窄脈沖。12 調調Q脈沖的建立

14、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振蕩開始建立振蕩開始建立至以后一個較長的時間過程中，光子數至以后一個較長的時間過程中，光子數增長十分緩慢，如圖增長十分緩慢，如圖3所示，其值始終所示，其值始終很小，受激輻射幾率很小，此時仍是自發輻射占優勢。很小，受激輻射幾率很小，此時仍是自發輻射占優勢。 圖圖3 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，增長時，增長到了到了D ，雪崩過程才形成，雪崩過程才形成， 才迅速增大，受激輻射才迅才迅速增大，受激輻射才迅速超過自發輻射而占優勢。速超過自發輻射而占優勢

15、。（2） 兩階段兩階段 儲能階段（延遲時間）反轉粒子數達最大值儲能階段（延遲時間）反轉粒子數達最大值 。 iD13因此，調因此，調Q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t (也也就是就是Q開關開啟的持續時間開關開啟的持續時間)。光子數的迅速增長，使。光子數的迅速增長，使ni迅速減少，到迅速減少，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之后，由之后，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?？梢姡{，為振蕩終止后工作物質中剩余的粒子數。

16、可見，調Q脈沖的峰值脈沖的峰值是發生在反轉粒子數等于閾值反轉粒子數是發生在反轉粒子數等于閾值反轉粒子數(ni= nt)的時刻。的時刻。iD激光產生輸出激光產生輸出 忽略泵浦和自發輻射的影響。忽略泵浦和自發輻射的影響。14（3） 開關時間開關時間 從從Q值最小變到最大值最小變到最大Q值即損耗從最大變到最小需要的值即損耗從最大變到最小需要的時間叫開關時間。時間叫開關時間。 開關時間對激光脈沖的影響很大，按開關時間的大小開關時間對激光脈沖的影響很大，按開關時間的大小分為快、慢兩種類型。分為快、慢兩種類型。 15諧振腔的諧振腔的Q值與損耗值與損耗a總總成反比，如果按照一定的規律改變諧振腔的成反比，如果

17、按照一定的規律改變諧振腔的a總總值，就值，就可以使可以使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：反射損耗、衍射損反射損耗、衍射損耗、吸收損耗耗、吸收損耗等。那么，我們用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可等。那么，我們用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可以形成不同的調以形成不同的調Q技術。有技術。有機械轉鏡調機械轉鏡調Q、電光調電光調Q技術，聲光調技術，聲光調Q技術，染技術，染料調料調Q技術技術等。等。三、三、Q調制方法調制方法四、調四、調Q技術關鍵技術關鍵 動態損耗：動態損耗：Q 開關處于關閉狀態時，諧振腔應具有最大的損耗，以開關處于關閉狀

18、態時，諧振腔應具有最大的損耗，以保證保證Q 開關打開之前沒有激光產生；開關打開之前沒有激光產生； 插入損耗插入損耗：Q 開關處于打開狀態時，由開關本身引起的損耗應最開關處于打開狀態時，由開關本身引起的損耗應最 小，小，一般會引入反射及散射損耗；一般會引入反射及散射損耗； 開關時間，開關時間，Q 開關應有優異的開、關轉換性能，快的開關時間，開關應有優異的開、關轉換性能，快的開關時間， 將將產生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開關時間會使所存儲的能量在產生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開關時間會使所存儲的能量在開關完全打開之間迅速衰竭；開關完全打開之間迅速衰竭； 同步性能，同步性能， Q 開關應能夠精確

19、地控制，與外界信號保持同步。開關應能夠精確地控制，與外界信號保持同步。 16電光調電光調 Q一、電光晶體調一、電光晶體調Q原理原理 1. 電光電光Q開關原理。開關原理。 利用晶體的電光效應，在晶體上加一階躍式電壓，調利用晶體的電光效應，在晶體上加一階躍式電壓，調節腔內光子的反射損耗。節腔內光子的反射損耗。 圖4-27 電光調Q裝置示意圖 （1）第一階段：積累階段）第一階段：積累階段 電光調電光調Q激光器如圖所示。未加電場前晶體的折射率主軸為激光器如圖所示。未加電場前晶體的折射率主軸為z、y、z。沿晶沿晶體光軸方向體光軸方向z施加一外電場施加一外電場E , ,由于由于普克爾效應普克爾效應, ,主

20、軸變為主軸變為xx、y,zy,z。令光束。令光束沿沿z z軸方向傳播軸方向傳播, ,經偏振器后變為平行于經偏振器后變為平行于x軸的線偏振光軸的線偏振光, ,入射到晶體表面時分解為入射到晶體表面時分解為等幅的等幅的xx和和yy方向的偏振光方向的偏振光, ,在晶體中二者具有不同的折射率在晶體中二者具有不同的折射率x x和和y y。經。經過晶體長度過晶體長度d d距離后距離后, ,二偏振分量產生了相位差二偏振分量產生了相位差17VcvEdcvcvdxy633063302 2)(2圖4-27 電光調Q裝置示意圖 式中式中為晶體尋常光折射率為晶體尋常光折射率;6363是晶體的電光系數是晶體的電光系數;V

21、;V是加在晶體兩端的是加在晶體兩端的電壓，電壓，d d為晶體在為晶體在z z軸方向的長度。當軸方向的長度。當=/2=/2時時, ,所需電壓稱作四分之一波電所需電壓稱作四分之一波電壓壓, ,記作記作V/4.圖中電光晶體上施以電壓圖中電光晶體上施以電壓V V/4/4時時, ,從偏振器出射的線偏振光經電從偏振器出射的線偏振光經電光晶體后光晶體后, ,沿沿xx和和yy方向的偏振分量產生了方向的偏振分量產生了/2/2位相延遲位相延遲, ,經全反射鏡反射經全反射鏡反射后再次通過電光晶體后又將產生后再次通過電光晶體后又將產生/2/2延遲延遲, ,合成后雖仍是線偏振光合成后雖仍是線偏振光, ,但偏振方但偏振方

22、向垂直于偏振器的偏振方向向垂直于偏振器的偏振方向, ,因此不能通過偏振器。這種情況下諧振腔的損因此不能通過偏振器。這種情況下諧振腔的損耗很大耗很大, ,處于低處于低Q值狀態值狀態, ,激光器不能振蕩激光器不能振蕩, ,激光上能級不斷積累粒子（激光上能級不斷積累粒子（這一狀這一狀態相當于光開關處于關閉狀態）態相當于光開關處于關閉狀態）。（2）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 在某一特等時刻在某一特等時刻, ,突然撤去電光晶體兩端的電壓突然撤去電光晶體兩端的電壓, ,則偏振光的振動方向不再被則偏振光的振動方向不再被旋轉旋轉900，相當于光開關被打開，相當于光

23、開關被打開，則諧振腔突變至低損耗、高則諧振腔突變至低損耗、高Q值狀態值狀態, ,于是于是形成巨脈沖激光。（形成巨脈沖激光。（這一狀態相當于光開關處于打開狀態）這一狀態相當于光開關處于打開狀態）。181.1.有較高的動態損耗（）和插入損耗（）有較高的動態損耗（）和插入損耗（） 2.2.開關速度快，同步性能好。開關時間可以達到秒開關速度快，同步性能好。開關時間可以達到秒 ，3.3.典型的典型的Nd:YAGNd:YAG電光調電光調Q激光器的輸出光脈沖寬度激光器的輸出光脈沖寬度 約為約為-20-20nsns，峰值功率達到數兆瓦至數十兆瓦，峰值功率達到數兆瓦至數十兆瓦 4.4.適用于脈沖式泵浦激光器，由

24、于該技術較高的插入損適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術較高的插入損 耗使激光器無法振蕩而不適用于連續泵浦激光器耗使激光器無法振蕩而不適用于連續泵浦激光器910二、電光調二、電光調Q技術特點技術特點19聲光調聲光調 Q一、聲光一、聲光Q開關器件的結構開關器件的結構腔內插入的聲光調腔內插入的聲光調Q器件由聲光互器件由聲光互作用介質作用介質( (如熔融石英如熔融石英) )和鍵合于其上的換能器所構成的。和鍵合于其上的換能器所構成的。 圖4-28 聲光調Q裝置示意圖二二. .聲光調聲光調Q原理：原理： 當聲波在某些介質中傳播時當聲波在某些介質中傳播時, ,該介質會產生與聲波信號相應的、隨時間和空該介質會

25、產生與聲波信號相應的、隨時間和空間周期變化的彈性形變間周期變化的彈性形變, ,從而導致介質折射率的周期變化從而導致介質折射率的周期變化, ,形成等效的形成等效的位相光柵位相光柵, ,其光柵常數等于聲波波長其光柵常數等于聲波波長s s. .光束射經此介質時發生衍射光束射經此介質時發生衍射, ,一部分光偏離原來方一部分光偏離原來方向。當聲波頻率較高向。當聲波頻率較高. .聲光作用長度聲光作用長度d d足夠大足夠大, ,滿足滿足2sd 時時(s s與與分別為聲波與光波波長分別為聲波與光波波長),),如果如果射光與聲波波面的夾角射光與聲波波面的夾角滿足滿足s2sin20 則透射光束分裂為零級與則透射光

26、束分裂為零級與+1+1級或級或-1-1級級( (視入射方向視入射方向而定而定) )衍射光衍射光,+1,+1級或級或-1-1級衍射光與聲波波面的夾角亦級衍射光與聲波波面的夾角亦為為,如圖所示。這種現象稱作布喇格衍射如圖所示。這種現象稱作布喇格衍射, ,一級衍射一級衍射光先強光先強I1(或或I-1) )與入射光光強與入射光光強Ii 之比為之比為 聲光布喇格衍射衍射示聲光布喇格衍射衍射示意圖意圖)2(sin21iII式中式中是經長度為是經長度為d的位相光柵后光波相位變化的幅度。的位相光柵后光波相位變化的幅度。2)2(2MPHdd 式中式中是介質折射率變化的幅值是介質折射率變化的幅值;d與與H分別為換

27、能器的長度與寬度分別為換能器的長度與寬度;M是聲光是聲光介質的品質因素介質的品質因素;P是超聲驅動功率。提高超聲驅動功率可得到較高的衍射效率。是超聲驅動功率。提高超聲驅動功率可得到較高的衍射效率。聲光調聲光調Q技術技術利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調Q任務。任務。在聲光器件工作時產生很高的衍射損耗，此時，腔具在聲光器件工作時產生很高的衍射損耗，此時，腔具 有很低有很低的的Q值，值，Q開關處于關狀態；在某一特定時間，撤去開關處于關狀態；在某一特定時間，撤去 超聲，超聲，光束則順利通過均勻的聲光介質，光束則順利通過均勻的聲光介質， 此時此時Q開關處于開關處于 開

28、狀態；開狀態； 21 聲光聲光Q開關由一塊對激光波長透明的聲光介質及換能器組成開關由一塊對激光波長透明的聲光介質及換能器組成, ,常用的聲光介常用的聲光介質有熔融石英、錮酸鉛及重火石玻璃等。聲光介質表面粘接有由銀酸鯉、石英等質有熔融石英、錮酸鉛及重火石玻璃等。聲光介質表面粘接有由銀酸鯉、石英等壓電材料薄片制成的換能器壓電材料薄片制成的換能器, ,換能器的作用是將高頻信號轉換為超聲波。聲光開換能器的作用是將高頻信號轉換為超聲波。聲光開關置于激光器中關置于激光器中, ,在超聲場作用下發生衍射在超聲場作用下發生衍射, ,由于一級衍射光偏離諧振腔而導致損由于一級衍射光偏離諧振腔而導致損耗增加耗增加,

29、,從而使激光振蕩難以形成從而使激光振蕩難以形成, ,激光高能級大量積累粒子。若這時突然撤除超激光高能級大量積累粒子。若這時突然撤除超聲場聲場, ,則衍射效應即刻消失則衍射效應即刻消失, ,諧振腔損耗突然下降諧振腔損耗突然下降, ,激光巨脈沖遂即形成。激光巨脈沖遂即形成。圖4-28 聲光調Q裝置示意圖 聲光調聲光調Q Q開關時間一般小于光脈沖建立時間開關時間一般小于光脈沖建立時間, ,屬快開關類型。由于開關的調屬快開關類型。由于開關的調制電壓只需制電壓只需100100多伏多伏, ,所以可用于低增益的連續激光器所以可用于低增益的連續激光器, ,可獲得峰值功率幾百千瓦、可獲得峰值功率幾百千瓦、脈寬約

30、為幾十納秒的高重復率巨脈沖。但是脈寬約為幾十納秒的高重復率巨脈沖。但是, ,聲光開關對高能量激光器的開關能聲光開關對高能量激光器的開關能力差力差, ,不宜用于高能調不宜用于高能調Q激。激。22染料調染料調Q 前面介紹的都是主動式調Q方法，即是人為地利用某些物理效應來控制激光諧振腔的損耗，從而達到Q值的突變。本節介紹被動式Q開關，即利用某些可飽和吸收體本身特性，能自動地改變Q值的一種方法。一、可飽和吸收染料的調一、可飽和吸收染料的調Q原理原理 利用有機材料對光的吸收系數會隨著光強變化的特性來達到調利用有機材料對光的吸收系數會隨著光強變化的特性來達到調Q的目的。的目的。 圖就是染料調圖就是染料調Q

31、激光器的示意圖。它是在一個激光器的示意圖。它是在一個固體激光器的腔內插入一個染料盒構成的。固體激光器的腔內插入一個染料盒構成的。 圖(染料調Q裝置示意圖某些有機染料是一種非線性吸收介質，即其吸收系數某些有機染料是一種非線性吸收介質，即其吸收系數并不是常數，當在較強激光作用下，其吸收系數隨光并不是常數，當在較強激光作用下，其吸收系數隨光強的增加而減小直至飽和，對光呈現透明的特性，這強的增加而減小直至飽和，對光呈現透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數可以表示為：可以表示為： 011sII式中式中0是中心頻率小信號吸收系數是中心頻率小信號吸收系數; I 和和 Is 分別為人射光強和飽和光強。分別為人射光強和飽和光強。23011sII 可見可見, ,吸收系數隨光強的增加而減少吸收系數隨光強的增加而減少, ,當光強很當光強很大時大時, ,吸收系數為零吸收系數為零, ,入射光幾乎全部透過。飽和入射光幾乎全部透過。飽和吸收體的透過率隨光強的變化如下圖所示。吸收體的透過率隨光強的變化如下圖所示。 Is為染料的飽和吸收光強，其大小與染料的種類和濃度有關，一般來說，為染料的飽和吸收光強，其大小與染料的種類和濃度有關，一般來說，染料的濃度增加，染料的濃度增加， Is值也增加；值也增加；I為入射光強。由上式可以看出，為入射光強。由上式可以看