5.4 激光调 Q 技术 调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它 是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值 功率可提高几个数量级的一种技术。 调Q技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 普通的脉冲激光器,光脉冲的宽度约在ms级,峰值功率 也只有几十kW. 调 Q 激光器,光脉冲的宽度可以压到ns级,峰值功率也 已达到MW. 一、激光谐振腔的品质因数Q Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标——品质因数。 1.Q值定义： Q ? 2? 谐振腔内储存的能量 每振荡周期损耗的能量 2.品质因子Q与谐振腔的单程总损耗的关系 光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为 而 ? a c ? I ? I 0 exp(?a总 z ) ? I 0 exp ? ? 总 t ? ? ? ? c I (t ) ? N (t )h? 0 ? t ? ? a c ? N (t ) ? N 0 exp ? ? 总 t ? ? N 0 exp ? ? ? ? ? ? ? ?c ? ? 上式可以改写为光子数密度的形式 体积为V的腔内存储的能量为： W ? N (t )Vhν0 每振荡周期损耗的能量为： P ? a c W ? N (t )Vh 总 ? c ν0 ? W 2? Q ? 2? ? P ?a总 调节Q值的途径 一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。 二、调 Q原理 1. 脉冲固体激光器的输出特性 将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记录，发现其波 形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉 冲组成的，如图(a)所示。每个尖峰的宽度约为0.1～1μs，间隔为数微秒，脉冲 序列的长度大致与闪光灯泵浦持续时间相等。图(b)所示为观察到的红宝石激 光器输出的尖峰。这种现象称为激光器弛豫振荡。 产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反 随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阀 值时，激光振荡就停止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新 积累， 当超过阈值时，又产生第二个脉冲， 转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，而发射激光。 如此不断重复上述过程，直到泵浦停 止才结束。每个尖峰脉冲都是在阈值 附近产生的，因此脉冲的峰值功率水 平较低。增大泵浦能量也无助于峰值 功率的提高，而只会使小尖峰的个数 增加。 E2 E1 弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2来描述。它示出了在弛豫振 荡过程中粒子反转数△n 和腔内光子数Φ的变化，每个尖峰可以分 为四个阶段 (在t1时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数△n增长， 但尚未到达阈值△n阈因而不能形成激光振荡。) 图2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化 第一阶段(t1一t2)：激光振荡刚开始时，△n＝ △n阈， Φ ＝0；由于 光泵作用， △n继续增加，与此同时，腔内光子数密度Φ也开始增 加，由于Φ的增长而使△n减小的速率小于泵浦使△n 增加的速率， 因此△n一直增加到最大值。 第二阶段(t2一t3) ： △n 到达最大值后开始下降， 但仍然大于△n阈 ，因此 Φ 继续增长，而且增长 非常迅速，达到最大值。 图2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化 第三阶段(t3一t4)： △n ＜ △n阈 ，增益小 于损耗，光子数密度Φ 减少并急剧下降。 第四阶段(t4一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用， 于是△n又开始回升，到t5时刻△n又达到阈值△n阈 ，于是又开始产 生第二个尖峰脉冲。因为泵浦的抽运过程的持续时间要比每个尖峰 脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。 泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小 2.调Ｑ的基本原理 g 2? v ?n阈 ? ? A21 Q W 2? Q ? 2? ? P ?a总 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，于是激光上能级 的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒 子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率 (一般为几十千瓦数量级)。不能提高的原因。 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那 么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激 光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器 的振荡阈值调得很高，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。 改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。 W 2? Q ? 2? ? P ?a总 Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突 变谐振腔的Q值(或损耗a总)来实现。 调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化 的技术。或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。 3.Q开关激光器的特点 （1） 通过改变Q值——改变阈 值，控制激光产生的时间。 调Q激光脉冲的建立过程， 各参量随时间的变化情况，如 右图所示。 图(a)表示泵浦速率Wp随时间的 变化； 图(b)表示腔的Q值是时间的阶 跃函数(蓝虚线)； 图(c)表示粒子反转数△n的变 化； 图(d)表示腔内光子数Φ随时间 的变化。 在泵浦过程的大部分时间里谐振 腔处于低Q值状态，故阈值很高 不能起振，从而激光上能级的粒 子数不断积累，直至 t0时刻，粒 子数反转达到最大值△ni，在这 一时刻，Q值突然升高(损耗下 降)，振荡阈值随之降低，于是 激光振荡开始建立。由于此△ni △nt(阈值粒子反转数)，因此 受激辐射增强非常迅速，激光介 质存储的能量在极短的时间 内转变为受激辐射场的能量， 结果产生了一个峰值功率很 高的窄脉冲。 （2） 两阶段 ①储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值 。 调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立 至以后一个较长的时间过程中，光子数Φ增长十分缓慢，如图3所示，其值始终 很小，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。 只有振荡持续到t＝tD时，增长 到了ΦD ，雪崩过程才形成， Φ才迅速增大，受激辐射才迅 速超过自发辐射而占优势。 ΦD Φi 图3 从开始振荡到脉冲形成的过程 ②激光产生输出 忽略泵浦和自发辐射的影响。 因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间△t (也 就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使△ni迅速减少，到t=tp时 刻， △ni= △nt，光子数达到最大值Φm之后，由△n ＜ △nt ，则Φ 迅速减少， 此时△n = △nf ，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的 峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(△ni= △nt)的时刻。 ΦD Φi （3） 开关时间 从Q值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要 的时间叫开关时间。 开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小 分为快、慢两种类型。 三、Q调制方法 谐振腔的Q值与损耗a总成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的a总值，就 可以使Q值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损 耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可 以形成不同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染 料调Q技术等。 四、调Q技术关键 ? ? ? 动态损耗：Q 开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以 保证Q 开关打开之前没有激光产生； 插入损耗：Q 开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最 小， 一般会引入反射及散射损耗； 开关时间，Q 开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间， 将 产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在 开关完全打开之间迅速衰竭； 同步性能， Q 开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步。 ? 电光调 Q 一、电光晶体调Q原理 ? 1. 电光Q开关原理。 利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调 节腔内光子的反射损耗。 图4-27 电光调Q装置示意图 （1）第一阶段：积累阶段 电光调Q激光器如图所示。未加电场前晶体的折射率主轴为z、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η’x和η’y。经过晶体长 度d距离后,二偏振分量产生了相位差δ 3 2?v? 0 ? 63 2?vd ?? (? y ? ? x ) ? Ed c c 3 2?v? 0 ? 63 ? V c 图4-27 电光调Q装置示意图 式中η为晶体寻常光折射率;γ63是晶体的电光系数;V是加在晶体两端的 电压，d为晶体在z轴方向的长度。当δ=π/2时,所需电压称作四分之一波电 压,记作Vλ/4.图中电光晶体上施以电压Vλ/4时,从偏振器出射的线偏振光经电 光晶体后,沿x‘和y’方向的偏振分量产生了π/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π/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（这一状 态相当于光开关处于关闭状态）。 （2）第二阶段：脉冲形成阶段——Q开关完全打开 在某一特等时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则偏振光的振动方向不再被 旋转900，相当于光开关被打开，则谐振腔突变至低损耗、高Q值状态,于是 形成巨脉冲激光。（这一状态相当于光开关处于打开状态）。 二、电光调Q技术特点 1.有较高的动态损耗（９９％）和插入损耗（１５％） 2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到 10 ?9秒 ， 3.典型的Nd:YAG 电光调Q激光器的输出光脉冲宽度 约为１０-20ns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦 4.适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损 耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器 声光调 Q 一、声光Q开关器件的结构——腔内插入的声光调Q器件由声光互 作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成的。 图4-28 声光调Q装置示意图 二.声光调Q原理： 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, 其光栅常数等于声波波长λs.光束射经此介质时发生衍射,一部分光偏离原来方 ?2 向。当声波频率较高.声光作用长度d足够大,满足 s d ?? 时(λs与λ分别为声波与光波波长),如果λ射光与声波波面的夹角 ? θ满足 sin ? ? ? 2? s 则透射光束分裂为零级与+1级或-1级(视入射方向 而定)衍射光,+1级或-1级衍射光与声波波面的夹角亦 为θ,如图所示。这种现象称作布喇格衍射,一级衍射 光先强I1(或I-1)与入射光光强Ii 之比为 I1 ?? ? sin 2 ( ) Ii 2 式中Δφ是经长度为d的位相光栅后光波相位变化的幅度。 ? d ?? ? ??d ? (2 MP) 2 ? ? H 2? 声光布喇格衍射衍射示 意图 式中Δη是介质折射率变化的幅值;d与H分别为换能器的长度与宽度;M是声光 介质的品质因素;P是超声驱动功率。提高超声驱动功率可得到较高的衍射效率。 声光调Q技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q任务。 在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔具 有很低 的Q值，Q开关处于关状态；在某一特定时间，撤去 超声， 光束则顺利通过均匀的声光介质， 此时Q开关处于 开状态； 图4-28 声光调Q装置示意图 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,常用的声光介 质有熔融石英、锢酸铅及重火石玻璃等。声光介质表面粘接有由银酸鲤、石英等 压电材料薄片制成的换能器,换能器的作用是将高频信号转换为超声波。声光开 关臵于激光器中,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。 声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间,属快开关类型。由于开关的调 制电压只需100多伏,所以可用于低增益的连续激光器,可获得峰值功率几百千瓦、 脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲。但是,声光开关对高能量激光器的开关能 力差,不宜用于高能调Q激。 染料调Q 前面介绍的都是主动式调Q方法，即是人为地利用某些物理效应来控制激 光谐振腔的损耗，从而达到Q值的突变。本节介绍被动式Q开关，即利用某些 可饱和吸收体本身特性，能自动地改变Q值的一种方法。 一、可饱和吸收染料的调Q原理 利用有机材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性来达到调Q的目的。 图就是染料调Q激光器的示意图。它是在一个 固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。 图(染料调Q装置示意图 某些有机染料是一种非线性吸收介质，即其吸收系数 并不是常数，当在较强激光作用下，其吸收系数随光 强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这 种染料称为可饱和吸收染料，吸收系数可以表示为： ? ? ?0 1 1? I Is 式中α0是中心频率小信号吸收系数; I 和 Is 分别为人射光强和饱和光强。 ? ? ?0 1 I 1? Is 可见,吸收系数随光强的增加而减少,当光强很 大时,吸收系数为零,入射光几乎全部透过。饱和 吸收体的透过率随光强的变化如下图所示。 Is为染料的饱和吸收光强，其大小与染料的种类和浓度有关，一般来说， 染料的浓度增加， Is值也增加；I为入射光强。由上式可以看出，当I Is 时， 吸收系数趋于零，染料对通过的光束于是变为透明 ? ? ?0 图染料调Q装置示意图 1 I 1? Is 将饱和吸收体放在谐振腔中,泵浦过程开始时,腔内自发荧光很弱， 染料吸收系数很大，使光的透过率很低，腔处于低Q值(高损耗)状态， 故不能形成激光振荡。 随着光泵的继续作用反转粒子数的积累，放大的自发辐射逐渐增加, 当光强与饱和吸收体的Is可比拟时,染料的吸收系数变小，透过率逐渐 增大.当这一过程发展到一定程度时,单程增益等于单程损耗,激光器开始 起振。 随着激光强度的增加,到一定数值时，染料吸收达到饱和（吸收最小） 值，突然被“漂白”而变得透明了，这时腔内Q值猛增，产生了受激辐 射不断增长的雪崩过程.产生激光振荡输出调Q激光脉冲。 当激光光强增加饱和时,增益系数显著下降,最终导致激光熄灭。 因为泵浦是脉冲式的，腔内光场迅速减弱（I→0)，因而染料又恢复了 吸收特性（透过很小），起到将腔关闭的作用，然后再重复以上的过程。 由上述巨脉冲发展过程可知,用作被动Q开关的饱和吸收体应具备下列特 性: ①吸收峰中心波长应与激光器激光波长吻合; ②饱和光强Is要适当。 Is小于增益介质的饱和光强Is是巨脉冲产生的必要条 件,Is太大还会因Q开关速度太慢而严重影响调Q效果,但Is也不宜过小,否则 很弱的光就能使其透明,工作物质的反转粒子数便不能充分积累。