02-调Q(Q开关)技术

天津大学精密仪器与光电子工程学院第二章调Q(Q开关)技术主讲：韩群副教授Q-SwitchingTechniqus主要内容2.1调Q的基本概念2.2调Q激光器的基本理论2.3电光调Q2.4声光调Q2.5被动可饱和吸收调Q2.6转镜调Q简介第二章小结2.1调Q的基本概念一、调Q的目的二、普通脉冲固体激光器的输出特性三、调Q的基本原理一、调Q的目的1.目的：压缩脉冲宽度、提高峰值功率341010s普通脉冲激光器脉冲宽度峰值功率（1J）调Q激光器341010W891010s891010W2.举例很多应用需要激光的脉宽窄、峰值功率高，例如（1）激光测距仪脉宽窄—测量精度高峰值功率高—量程大（2）激光阴影仪：利用激光去拍摄高速运动物体的照片的仪器。弹道导弹速度5km/s普通脉冲激光器调Q激光器移动的距离0.55m拍摄效果模糊550m清晰二、普通脉冲固体激光器的输出特性1、特点a.输出脉冲呈尖峰振荡b.脉宽较宽，峰值功率低2.原因图2.1-2腔内光子数和粒子反转数随时间的变化提高输入能量并不能有效提高峰值功率：(1)提高输入能量，尖峰个数增加，输出能量增加，但峰值功率提高不多。(2)氙灯亮度一定，增加输入能量则泵浦时间加长，脉冲宽度增大。而且输入能量也不能无限制提高：氙灯和工作物质有一最大负荷。每个尖峰的产生分为四个阶段。激光谐振腔损耗不变，一旦光泵使反转粒子数超过阈值，便产生激光，上能级粒子数因受激辐射而减少，致使上能级无法积累大的反转粒子数。只能在在阈值附近工作。三、调Q的基本原理既然激光上能级的最大反转粒子数受激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的反转粒子，可通过提高激光器的阈值来实现。在泵浦初期，提高阈值，反转粒子数积累。反转粒子数积累到最大时，突然降低阈值，上能级粒子雪崩式跃迁到低能级，输出巨脉冲。1.Q值的定义Q值定义为，谐振腔内储存的总能量与单位时间损耗的能量之比。002Q为激光中心频率腔内储存的能量单位时间内损耗的能量Q值是 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 谐振腔质量好坏的指标，称为谐振腔的品质因数（QualityFactor）0d2dWQtW02WnWLc02nL设腔内储能为W，腔的单程损耗率为，腔长为L，介质折射率为n，则212tgnAQn激光振荡的阈值条件2.调Q值的途径02nLQ损耗大，Q值低，激光振荡阈值高，不易起振；损耗低，Q值高，激光振荡阈值低，容易起振。调Q技术就是通过某种方法控制腔的损耗，使谐振腔的Q值按照一定的程序变化的技术。(1)泵浦初期，使腔处于高损耗（低Q值）状态，即提高振荡阈值，使激光难以起振，上能级反转粒子数得以大量积累；(2)当上能级粒子数积累到最大值时，突然降低腔的损耗（Q值），激光振荡迅速建立，上能级粒子数雪崩式的跃迁到低能级，形成巨脉冲输出。3.调Q技术的原理可见，Q值与激光介质的折射率n，激光器腔长L，以及腔的损耗有关。但在激光形成过程中n和L不易改变，所以只能改变损耗。4.调Q技术的过程(2)激光产生与输出过程=min，高Q值增益>损耗，n↓(1)能量储存过程=max，低Q值损耗>增益，n↑工作物质储能工作物质-谐振腔组合储能Q值相当于一个开关Q值低，开关关闭，储能Q值高，开关打开，输出Q调制器，又称为Q开关Q-switch5.调Q技术的分类吸收衍射反射机械转镜调Q，电光调Q声光调Q技术染料可饱和吸收调Q6.实现调Q对激光器的基本要求(1)工作物质抗损伤阈值高，上能级粒子寿命长(2)光泵速度必须快于激光上能级自发辐射速率(3)谐振腔的Q值改变要快，一般应与激光振荡的建立时间相比拟固体、液体激光器均可以实现调Q。但一些气体激光器，如He-Ne，只能在低电离情况下工作，泵浦速率不能太大，无法实现调Q运转。2.2调Q激光器的基本理论一、调Q的速率方程二、阶跃式Q突变下的近似解三、调Q激光器的特点一、调Q的速率方程1.速率方程的建立13W32S12W21W21A3E1E2E三能级系统四能级系统2113112221221ddnnWnWnWnAt以三能级系统为例1113112221221ddnnWnWnWnAt21122121,vnWWnn221112ddnWnWt11321221d2dnnWnvnAt21ddnvt速率方程因E3寿命极短，n3≈0，≈二能级四能级系统类似2.调Q情况下速率方程的简化由于激光建立时间极短（ns量级），所以泵浦和自发辐射的影响可以忽略。调Q激光振荡的速率方程只有微弱ASE，光子密度很小，泵浦作用下n速率方程二、阶跃式Q突变下的近似解21d2dnnvt21ddnvt调Q激光振荡的速率方程速率方程为一阶ODE方程组，一般用数值方法求解。为了求解调Q的速率方程，必须知道Q开关的函数形式，即t实际的Q开关函数往往很复杂，甚至无法用简单的函数形式表示为了求解方便，一般假定Q开关为阶跃开关、线性开关或抛物线开关等阶跃式Q开关是最理想的Q开关，着重讨论这种开关1.阶跃Q突变情况下，调Q脉冲的建立过程即使是理想的阶跃Q开关，脉冲并非立刻形成，而是需要一个过程。（3个时间段）fnDtptDtt0tttnininBA00AtttBttfnDtptDtt0tttnininBA00AtttBttft0~Dtt仍以ASE为主(1)脉冲建立时间~iDpttnnt迅速，(2)脉冲前沿时间(3)脉冲后沿时间~,,pftfhttnnnn时，mthnn2.调Q速率方程求解21d2dnnvt21ddnvt21d0dtntv令，(2)/(1)d11d2tnnn(1)(2)d2dtntnnd1dtnnt1d1d2tnnn01d1d2mtintnnnn1ln2tmititnnnnn---最大光子密度(1)调Q脉冲的峰值功率提高初始反转粒子数与阈值反转粒子数比可以提高调Q脉冲的峰值功率(2)调Q脉冲的能量及能量利用率finnn若以由下降到的时刻作为脉冲结束，则-12iffiEhEnVEnV激活介质体积，11iffiiiifEEEEEEEnn能量利用率，1ln02itfinnnnn且，expffiitnnnnnexpitnnfitinnEnn提高初始反转粒子数与阈值反转粒子数比也可以提高能量利用率(3)调Q脉冲的时间特性—脉宽、波形(1)(2)d2dtntnnd1dtnnt(a)脉冲建立时间,innn变化很小，近似认为dd1titnn由(2)式01ln1iDDitttnn两边积分提高初始反转粒子数与阈值反转粒子数比还可以缩短脉冲建立时间1ln,2itinnnnn如前，代入(3)式dlntinpDnittinttnnnnnnndd2tntnn由(1)式(3)(b)脉冲前沿时间(c)脉冲后沿时间dlnftnfpnittinttnnnnnnn同理，只能数值求解提高初始反转粒子数与阈值反转粒子数比还可以缩短脉冲宽度脉冲宽度:光强半极大间的宽度（FWHM）。由上述讨论可见，增大可以提高峰值功率和脉冲能量、压缩脉宽，这正是调Q的目的，所以该比值越大，调Q的效果越好。应尽量提高它。(1)增大in(2)减小tn强泵浦—要求激光介质破坏阈值高尽可能的提高光泵的抽运速率，减少ASE对反转粒子数的消耗，以增大in要求激光工作物质上能级寿命较长Q开关开启前，损耗要足够高，避免受激辐射选择效率高的激光工作物质和合适的谐振腔结构，减小损耗，以降低tnQ开关开启后，各种损耗要尽可能低3.提高的方法itnnitnn三、调Q激光器的特点1.通过改变改变Q值—改变阈值，控制激光产生的时间3.Q开关—改变Q值的关键器件2.工作过程分两阶段最理想的Q开关是阶跃式Q开关，即Q值的切换不需要时间。任何实际的Q开关，Q值切换都需要一定的时间。Q值从最低切换到最高所需要的时间，称为Q开关的开关时间ts。(1)储能阶段(延迟时间）高损耗，低Q值(=max,Gmax<,无受激辐射、忽略ASE，只有泵浦作用)(2)激光建立和输出阶段(建立时间、前沿时间、后沿时间)低损耗，高Q值(=min,G>,忽略泵浦和ASE),ni/nt大，峰值功率高脉宽窄sDsDtttt快开关慢开关如，电光Q开关、声光Q开关…如，转镜Q开关2.3电光调Q一、电光调Q的原理二、Q开关的其他应用三、电光调Q激光器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 考虑四、脉冲透射式（PTM）调Q一、电光调Q的原理利用晶体的电光效应，调节谐振腔的反射损耗，实现调Q。1.原理：电光强度调制—损耗调制2120PP=sin2IVTIV时，透过率Q=100%,VVT，时光全部通过，高值电光晶体P1P2电光强度调制器R=100%R=50%工作物质泵浦源0Q=0,VT时，光不能通过，低值电光Q开关是一种特殊的电光强度调制器电压阶跃变化无需1/4波片区别：12QPP退开关压式12QPP加压式开关分类：以退压式、KDP纵向应用为例来分析工作原理：第一阶段：储能阶段-n积累阶段无受激辐射，ASE可忽略，氙灯的能量转变为上能级的n。控制加压时间—延迟时间，使n达到最大值ni。V100500T(%)VV2退压加压201sin2ITImaxmin,0,VVQQT“关门”状态特点：电光晶体P1P2电光强度调制器R=100%R=50%工作物质泵浦源应注意的问题：（max越大越好，有利于n积累-ni大）(1)保证在晶体上加V电压否则，产生受激辐射，消耗n—“关不死门”(2)晶体的方位P1||P2||x(y)如：P1||x但与P2不平行，晶体出来的线偏光虽相对P1转90°但不⊥P2；再如：P1||P2但不平行于x，x’、y’分振动振幅不等，会有部分光通过；总之，三者不平行会有光通过调制器，造成“关不死门”。(3)晶体的位置应靠近全反镜若放在半反镜一侧，则增益介质发出的光会经全反镜返回，二次通过增益介质，消耗n；而放全反镜一侧，光经半反镜直接输出，返回较少，因此调Q的效率高。(4)控制V时间（氙灯点燃的时间）加压期间积累n，这是延迟时间。这段时间过短或过长都不利于n积累过短：n小，输出功率低。同时，由于氙灯能量大会产生多脉冲；过长：nni后，ASE使n下降；最佳：n=max(n)，退去V。第二阶段：脉冲形成与输出阶段minmax0,1,QTQV“特点：入射光不分态解开门”状应注意的问题：（min越小越好-nt小，光损耗小、脉宽窄、峰值功率高）(1)选择合适的腔型，减小腔内各元件的反射、吸收等损耗(2)选择质量好的电光晶体—光学性能好、均匀性好、透光性好Q开关的消光比：晶体的质量影响到折射率均匀和电光效应，实际，对一定晶体为定值，晶体质量好，大，Q开关好。(3)对晶体加工的要求要求两通光面平行。平行度在1’以内，而每个面要平，平面度在/4内，表面的光洁度要高—减少散射、吸收等损耗。同时要保证光轴Z和两通光面垂直，使光沿Z轴传播，无双折射的影响，减少光的损耗。12II210022001-sin21-sin20VIIIVVII102,0III2.简化结构电光晶体偏振器R=100%R=50%工作物质泵浦源电光调Q激光器的典型结构第一阶段：加V/4线偏光经电光晶体产生/2相位差，变为（椭）圆偏振光；反射后再次通过晶体，产生/2相位差，不能通过偏振器。激光器处于高损耗、低Q值状态，反转粒子数得以积累。第二阶段：退掉V/4，光经过电光晶体偏振状态不变，反射后可以通过晶体。激光器处于低损耗、高Q值状态，产生巨脉冲输出。优点：(1)只需1/4波电压，工作电压可降低一半；(2)减少一个偏振片，损耗降低，有利于减小nt，提高调Q质量。④当粒子数反转达到最大时，通过延时电路的控制信号加到闸流管的栅极上，使之导通，电光晶体上的电压瞬时退掉。谐振腔处于高Q值，输出巨脉冲。3.电光调Q的工作程序(4)精确控制Q开关“打开”的延时时间。(1)偏振器偏振方向要严格对准晶体的主轴；(2)保证加1/4波电压，否则会“关不死”；(3)Q开关靠近全反镜端；关键：①先开主电源对C充电，并接于氙灯电极，但不点燃。②开晶体电源加1/4波电压。使谐振腔处于低Q值状态。③时标信号发生器发出信号，经控制电路同时送往主电源、触发器和延时电路。使主电源停止对C充电，点燃氙灯。二、Q开关的其他应用1.削波器控制电缆长度，控制延迟可将调Q激光器输出的几十ns的脉冲，削减到几ns削出的脉冲宽度与半波电压的宽度近似相等2.隔离器与削波器类似，有脉冲时点燃火花隙使其通过。无脉冲时可防止因放大器的光返回而损害振荡器。控制火花隙点燃时间，可同时削波。3.选通开关用于锁模激光器选单脉冲不加电压，不能通过P2；加半波电压，可通过。控制加压的时间，可选出单脉冲。三、电光调Q激光器的设计考虑1.调制晶体的选择要获得高质量的调Q激光器，Q开关、工作物质、控制电路需要符合一定的要求。43KDP10LN10(1)消光比要高maxmaxKDP0.2~2mT>85%;LN0.4~5mT>98%(2)透过率要高(3)半波电压要低*232KDP~6000V;LiNbO~9000VLVVd(4)抗破坏阈值要高223KDP500MW/cm;LiNbOMW/cm可达几十(5)物理化学性质稳定KDP;LN易潮解，需密封不潮解2.调制晶体的电极结构要求调制晶体内电场尽量均匀。KDP多纵向运用，电场方向与通过方向一致，多采用环状电极结构。LN都是横向运用，电场方向与通过方向垂直，采用平板电极可得均匀电场。电极与晶体用粘合剂粘在一起，为保证接触密切，要求电极表明光洁度高。3.对激光工作物质的要求(1)储能密度高，即上能级寿命长(2)抗光破坏阈值高，能承受较高的激光功率密度常用的有Nd:YAG、红宝石、钕玻璃等。4.对泵浦灯、Q开关电路的要求(1)泵浦灯的发光时间要小于工作物质的荧光寿命减少ASE消耗也不能太窄(2)Q开关速度要快，能迅速、准确的接通/关闭谐振腔光路四、脉冲透射式（PTM）调Q前面介绍的电光调Q激光器属于工作物质储能调Q，即能量以激活粒子的形式存储在工作物质的高能态，当达到最大值时将Q开关“打开”，一面形成激光振荡，一面从输出镜输出。这种由输出反射镜输出激光脉冲的调Q方式称为脉冲反射式（PRM:Pulse-Reflection-Mode）调Q。1.PRM式和PTM式调Q另外，还有一种谐振腔储能调Q方式，即能量以光子的形式存储在谐振腔内，这种激光器无透反输出镜，Q开关打开后，光子只能在腔内振荡而无输出，直到工作物质的反转粒子数储能全部变为腔内的光子能量时，腔内的特定光学元件才将腔内储存的最大振荡能量瞬间全部透射输出。这种调Q方式称为脉冲透射式（PTM:Pulse-Transmission-Mode）调Q。因为PTM式调Q不是边振荡边输出，而是先振荡达到最大值，再瞬时释放出去，因此又称为“腔倒空”。PTM有利于压缩脉宽。2.PTM式调Q激光器的工作原理12PPM1M2、均为全反镜起偏器检偏器V2VV谐振腔储能偏振棱镜V14VV始终加在晶体两端2V为方波电压12VVV0V工作物质储能20V工作物质储能24VV谐振腔储能0V输出20V输出三个过程3.PTM式调Q激光器的特点优点：(1)峰值功率比PRM式调Q高PRM式调Q是振荡和输出同时进行的。Q开关打开后，激光振荡开始建立，需往返多次（与工作物质有关，红宝石大约10几次）才能完成脉冲输出，每次往返均有输出。而PTM式调Q是先振荡、后输出，是当腔内光子密度达到最大时，将全部光能量顷刻“倒”出，只往返一次。(2)脉宽比PRM式调Q窄PRM式调Q的输出脉宽约10~30nsPTM式调Q的输出脉宽∝2L/c，只有约1~3ns缺点：对驱动电路系统的要求较高要得到上述理想效果，必须精确控制开关时间。可用火花隙反馈控制（图）2.4声光调Q一、声光调Q的基本原理二、声光Q开光的特点三、声光调Q激光器及设计考虑四、声光腔倒空激光器一、声光调Q的基本原理1.声光Q开关与声光调制器的比较利用晶体的声光效应，调节谐振腔的衍射损耗，实现调Q。不同点：相同点：都是利用晶体的声光效应。声光介质在超声波作用下，折射率发射周期性的变化，形成“相位光栅”，光通过时发生衍射。控制超声功率可以控制衍射光的强度（或损耗）。(3)声光调制器可采取行波和驻波结构；声光Q开关考虑到开关速度，只采取行波结构。(2)声光调制器的控制信号是连续变化的；声光Q开关的控制信号是阶跃式变化的。(1)声光调制器可采用Raman-Nath衍射和Bragg衍射两种方式；声光Q开关考虑到衍射效率，一般只采用Bragg衍射方式。2.声光调Q的基本原理2122sin,2sisIvvMHIPL其中Bragg衍射效率入射光1级光0级光2BBragg声光衍射入射光1级光0级光2BBragg声光衍射(1)储能过程sPP以0级光工作为例,12sBPP如果入射光全部化成级光，出射方向相对入射方向旋转；0,sP如果入射光不发生衍射，从0级光方向出射，出射方向不变。QsPP控制，使之在和0之间跳变，便可控制腔的衍射损耗，实现调。入射到晶体上的光偏离出腔外，高损耗，低Q值，不能产生激光振荡，反转粒子数积累。(2)激光形成并输出过程0sP撤去超声场，低损耗，高Q值，巨脉冲输出。二、声光Q开光的特点声光Q开关属于快开关。但由于从超声源关闭到声波消失（被吸收）需要一定的时间，所以其开关速度（10-7~10-8s）要比电光Q开关慢。一般用于增益较低的连续泵浦激光器，输出脉冲脉宽在几十ns、峰值功率一般只有kW量级（比电光调Q低2~3个数量级）。声光Q开关所需的驱动调制电压很低（<200V），容易获得高重复频率（1~20kHz）的脉冲输出。高频振荡器脉冲调制器高频振荡器脉冲调制器声光调Q激光器示意图泵浦功率保持不变Q值周期性变化三、声光Q激光器及设计考虑1.应用激光器连续泵浦。脉冲调制器产生矩形脉冲信号，开关高频振荡器，实现调Q。2.声光调Q激光器的设计考虑(1)重复频率的选择(a)重复频率过低，对n影响不大。由于是连续泵浦，ASE消耗的粒子数会由泵浦补充。但高Q值时间过长会产生多脉冲。QIQI(b)重复频率过高，n在低Q值阶段达不到饱和（最大），峰值功率会降低。重复频率的选择：以输出的都是单脉冲，峰值功率最高最适宜。(2)提高itnn前面讲过，提高Q开关的关、开粒子数比可以压缩脉宽、提高峰值功率和输出能量。由于声光Q调制器多为连续泵浦，所以可以通过提高泵浦功率来提高ni；同时要选择合适的腔型、输出反射镜的透过率等来降低nt。(3)提高声光Q开关的衍射效率衍射效率=100%时，是最佳的“关门”状态。实际的声光Q开关衍射效率<100%,相当于“门关不死”，影响n的积累，使调Q质量下降。在“门关不死”的情况下，通过提高泵浦功率虽可在一定程度上提高ni，但同时会加重“门关不死”的状况，产生静态激光，使巨脉冲的输出特性变差。因此尽量提高Q开关的衍射效率更为关键。只有在提高衍射效率以增加衍射损耗的情况下，才能进一步增加泵浦功率以获得较高的峰值功率。四、声光腔倒空激光器1234,,,MMMM均为全反镜(1)声光Q开关不加超声场时，谐振腔处于高Q值状态，在腔内建立起极强的激光振荡，但无输出—谐振腔储能(2)腔内光子数达到最大值后，突然在Q开关上加超声场，使激光束几乎全部发生偏转，从M4耦合输出—腔倒空光束聚焦到Q开关1.原理2.声光腔倒空激光器的特点(1)输出效率较高(2)脉冲宽度窄∝2L/c几ns(3)重复频率可达MHz以上优点：(1)为了尽可能实现腔倒空，声光器件必须只有1级衍射光，且衍射效率应尽量接近100%，因此必须用严格的Bragg衍射器件。(2)腔倒空要求开关速度比普通声光调Q激光器中的Q开关的速度快得多，上升时间大约为5ns，光束必须聚焦到约50m的直径。(3)为提高Bragg衍射效率，腔倒空器件的调制频率比普通Q开关高得多，高达MHz以上。缺点：对器件要求很高2.5被动可饱和吸收调Q一、可饱和吸收染料调Q的基本原理二、染料调Q激光器三、影响调Q效果的因素四、染料Q开关的特点一、可饱和吸收染料调Q的基本原理利用一种可饱和吸收体作为Q开关，这种可饱和吸收染料是一种非线性吸收物质，把它放在谐振腔内，利用它对光的可饱和吸收特性来改变谐振腔内的吸收损耗，起到Q开关的作用。可饱和吸收体的吸收特性是被动式Q开关的关键！1.可饱和吸收体的吸收特性可饱和吸收体是一种非线性吸收物质。假设一束光强为Ii的光通过吸收物质时，吸收系数为()，透过率T()，吸收率为A()，则1loutiiiIIeITIA1-()()-()()其中lTelAe可见，输出的光强和物质的吸收率A()有关，A()越大，则输出光强越小，即物质吸收的光越多。因此吸收率A()是反映物质吸收特性的物理量。(1)A()是光频率的函数，吸收率极大值处的频率称为吸收 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的吸收峰；(2)吸收物质的吸收峰与光强有关。AITI光强较弱时，,大，,小吸收率A()的特性吸收率与频率的关系吸收率/透过率与光强的关系,,，,IAITI01sIAITII当时，,，,sI称为饱和吸收光强吸收率与光强有关，随着入射光强的增加，吸收率减小。当时，不再吸收，全部透光，这称为吸收体对光达到饱和。材料的这种特性称为可饱和吸收特性。sII如果把可饱和吸收体置于激光器的谐振腔内0QQssIAIIIIAI当<时，,大，低值当<时，,，高值可实现调Q（被动Q开关）2.可饱和吸收原理染料具有饱和吸收的原理可以用能级跃迁的量子理论来解释。假设吸收物质为二能级结构。吸收物质初始状态：染料分子处于基态n1=N,n2=0。N－吸收物质总粒子密度，n1、n2分别为基态和高能态粒子数密度。染料从基态到高能态吸收光子，故初始A()大。染料吸收光子从基态跃迁到高能态，n1减小，n2增大，染料中存在两个过程n2A()，当n1=n2时，A()=0，即染料对光表现为不再吸收（被突然“漂白”了），达到饱和吸收状态。12放出吸收光光nn定性分析其中N为染料总粒子密度，()为平均吸收截面，l为吸收体厚度。当N、l一定时A()主要由()决定。在激光原理中讲过，()可形象的视为每个粒子的挡光面积，()大，说明挡光面积大，粒子吸收光多。因此染料饱和吸收的过程实际上是吸收体对光的吸收变化的过程。即()由大变小到0（饱和）的过程。与激光介质类似，染料饱和过程中同时存在光子吸收、发射两个过程，这两个过程与材料本身特性有关，分别由吸收截面和发射截面来描述：染料对频率的激光的总吸收可由平均吸收截面描述11-()()()NllAee吸收率()1212()21(()21)2112hnncBhnncB吸收（未考虑染料的线形函数）发射112221()()nnN定量分析定量分析1122212122212121221nnnnnNNNN从上式可以看出，()为与材料的吸收和发射截面、掺杂浓度、n2有关。对一定材料，()的变化主要由n2引起。02012011222120,--0lNnTennn染料的初始状态:最大，最小染料吸收光子，当时，饱和n2可由速率方程求得【当g1=g2时，B12=B21】212121221212212ddssnBnuuuBnnBBBntNuAAu为激光能量密度，B12u=W12，B21u=W21.一阶常微分方程12212211exp其中ssBunutAAABNAABu从上式可以看出，染料确定后()仅与激光能量密度u和时间t有关。0ex())p(sssuAAAAAAvvtuut()吸收截面随时间的增加而降低u()在u时，()=0，染料达到饱和，Tmax=1染料吸收饱和的条件是腔内的激光密度很大。上面讨论前提条件是把染料分子看成二能级系统，因此在染料饱和时无吸收损耗Tmax=1。但实际上染料分子并非全是二能级系统，可能是三能级、四能级。高能态的粒子可以吸收光子被激发到更高的能级，这样使n2减少。min()0。（实际中主要u变使()变）。在三能级中饱和激光功率密度比一般利用二能级系统计算的要高两个数量级。120()hBcv初始吸收截面二、染料调Q激光器有机染料的吸收特性主要由入射光功率密度决定。可以把它放入谐振腔，腔内的光强是时间的函数，光强的变化导致染料的吸收率变化，从而改变腔内的吸收损耗，调节谐振腔的Q值—Q开关。一般把有机染料配成溶液装在染料盒内，或形成有机染料片，放在谐振腔内即可。1.染料Q开关激光器的形式（两种）(a)染料盒和全反射镜合为一体，利用染料盒的后壁做全反镜。(b)染料盒单独放在腔内。（靠近全反镜一端）因染料盒介质表面较多，为避免各通光表面的反射干扰而产生寄生振荡，一般染料盒倾斜一个小角度1o-2o放置，也可倾斜布儒斯特角。2.染料Q开关的工作过程(1)max、Q低、>G，n积累（储能阶段）(a)氙灯未点燃，n1=N，吸收率很高(b)氙灯点燃，n开始积累。工作物质自发辐射产生的荧光被染料吸收。高损耗，低Q值，不能形成激光振荡。(2)<G，激光形成与输出阶段(a)随着荧光不断被染料吸收，吸收率下降，透过率上升，当=G时达到阈值开始震荡-Q开关开始打开。(b)激光起振后腔内激光功率密度很大，染料很快饱和，吸收率为0，Q开关完全打开-输出一巨脉冲。(3)Q开关关闭阶段脉冲输出后腔内光子数密度迅速下降，染料吸收率上升-Q↓，Q开关关闭。Q开关过程由腔内光子密度和染料本身特性决定—被动Q开关2.染料Q开关的工作过程开关时间：Q开关开始打开到完全打开所需的时间。由腔内激光能量密度u决定。A()变化快-开关时间短。属于快开关，开关时间可达ns量级。可饱和吸收物质激光器和其他调Q激光器一样要得到良好的调Q效果，必须消除各种影响调Q效果的因素。染料上能级寿命比较长>2L/c，如果很短会怎样？三、影响调Q效果的因素主要讨论吸收体材料、浓度、输入能量对调Q效果的影响。1.染料吸收体的选择吸收体是染料Q开关的核心，它对调Q的效果影响最大。因此合理的选择染料很重要，并不是什么样的染料都可以做调Q开关，而且不同的工作物质所需要的染料不同。染料需满足下面条件：(1)染料的吸收峰应与激光器的工作波长尽量相吻合吸收峰处A()最大，而调Q激光器希望低Q阶段损耗尽量高、高Q阶段损耗尽量低。例如：五甲川染料吸收峰1.05m，因此适于1.06m的YAG、钕玻璃激光器等；隐化氰、叶绿素、氯铝酞菁的吸收峰位于7000Å，适用于波长为6943Å的红宝石激光器；SF6的吸收峰位于9.48m，因此适用于二氧化碳激光器(10.6m)。(2)染料配成溶液要具有一定的稳定性染料应用时要溶解到溶剂中，有很多染料配成溶液后很不稳定，使用几次放几天，性能变坏，失去Q开关作用。现在大部分使用时，都做成固体染料片，大大提高稳定性。影响染料Q开关稳定的因素：由于强光的照射，染料氧化和分解。采取的措施：a)在染料盒的通光表面镀紫外干涉膜（滤光膜或选用滤光片），防止紫外线进入溶液。b)在溶液中加入脱氧剂，并把染料盒真空密封或者充以惰性气体来消除氧化影响。c)选用稳定的染料和溶剂。但目前来看仅有很少的几种染料可用于染料Q开关例如：红宝石：隐化氰、叶绿素溶解在丙酮、乙醇中YAG：五甲川、十一甲川溶解在丙酮、乙醇中(3)选择的染料必须有高的开关效率11WWWW其中为动态输出能量；为静态输出能量由于腔内存在插入损耗（染料的吸收损耗+染料盒的吸收、反射损耗等），所以。1,1WW染料的吸收损耗：a)染料实际上并不是二能级，高能态的粒子吸收光可以跃迁到更高的能级（视染料种类定）；b)腔内的激光功率密度u并不是无穷大，饱和时Tmax<1；c)染料的吸收损耗与染料有关–染料的选择minmaxmin0exp()()NvlsssTevAAuAAvAAuutv其中为最小吸收截面而(3)选择的染料必须有高的开关效率染料饱和的条件是u很大，使。u很大时（t很短，影响可忽略）。所以0min0()()ssAvvAuAexp0stuAA012min12210001111ssssssssAhBcAuAAuAAAuuAAABBAAA要使需，即而仅与染料材料有关降低染料的吸收损耗，提高开关效率应优先选择二能级且A/As大的染料，同时使sAuA2.染料浓度的影响N不同，初始n1=N不同；饱和时n1=n2不同。即N不同，染料吸收光子达到饱和时吸收光子数量不同，饱和光强不同，达到饱和需要的时间不同。Q()()()1,0QNNllvvAveTeAA低初始＝完成开关过程结论：染料的浓度影响饱和光强的大小和需要时间的长短。(1)染料浓度N大基态n1大，达到饱和需要吸收的光子多-饱和光强大。染料从初始到饱和需要的时间（延迟时间）长，积累n大，输出功率高。但N不能过大（图中Is3），否则腔内光强无法使染料达到饱和，起不到Q开关作用。22sNIt大1NIts1小2.染料浓度的影响N不同，初始n1=N不同；饱和时n1=n2不同。即N不同，染料吸收光子达到饱和时吸收光子数量不同，饱和光强不同，达到饱和需要的时间不同。Q()()()1,0QNNllvvAveTeAA低初始＝完成开关过程结论：染料的浓度影响饱和光强的大小和需要时间的长短。22sNIt大1NIts1小(2)染料浓度N小N小，饱和光强小，延迟时间短，积累n小，输出峰值功率低。由于Q开关打开的时间早，容易出现多脉冲。如果N过小，则实际上是尖峰振荡。结论：在一定的输入能量下，存在一个最佳浓度，延迟时间正好使n达到最大值。此时激光器输出单脉冲，峰值功率最高。3.输入能量的影响一定的输入能量对应一个最佳浓度。输入能量改变，最佳浓度变，当输入能量增加时，最佳浓度应该变大。因为输入能量的变化，相当于腔内光强变化，延迟时间变化，n变。如果增加输入能量，相当于腔内的光强增加，光强的曲线如1、2当输入能量对应腔内光强曲线1，最佳浓度对应饱和光强Is1--延迟时间t1--ni输入能量增加，对应光强曲线2，最佳浓度对应饱和光强Is2。若N不变，延迟时间降为t2，ni不变-脉冲能量不变。保持t1不变只能增加浓度。左图所示为染料溶液的浓度一定时，输入能量和输出能量之间的关系曲线。可以看出，N一定，输出单脉冲时，输入能量有一定的范围，超过这个范围为多脉冲。使激光器输出单脉冲需要的最低输入能量称为染料调Q激光器的阈值能量。4.染料盒的影响l小N大，溶剂的比例小，因此溶剂的吸收损耗小，对稳定的脉冲输出是有利的。因此，一般尽量选薄一些的染料盒（1mm左右）。()1lNNAelv最佳浓度一定，根据，吸收率与(染料盒厚度)有关5.输出镜反射率的影响反射率R大，腔内u高；R小，腔内u小（在相同输入能量下，R大延迟时间短）。R对延迟时间有影响。R比静态激光器低，使延迟时间更长，利于n的积累。四、染料Q开关的特点(1)简单方便。这种Q开关只要配好溶液放在染料盒内，或做成染料片成品，放谐振腔中即可。而电光调Q中还需要一套电路系统控制Q开关。(2)速度快。染料Q开关属于快开关。一般ns量级。(3)自动实现开关和增益的调节（由染料本身的特性决定）(4)具有选模的作用。在中心频率附近的模式，增益高，先振荡，消耗n；而增益低的模式被抑止（在漂白前）。漂白后，其他模能够振荡。(1)同步精度差。不需要同步装置—简单，但要得到很好的调Q效果需要经过反复实验。但实际要求和Q开关激光器同步时，染料Q开关不能使用。(2)稳定性差。染料的溶液不稳定，影响输出功率不稳定。(3)输出功率不能很大。因为染料调Q激光器实际上在阈值附近工作。优点缺点2.6转镜调Q简介1.基本原理：在激光器的谐振腔中，两反射镜的平行度直接影响着谐振腔的Q值，转镜调Q就是利用改变反射镜的平行度来控制Q值的方法。工作原理：全反镜用一直角棱镜取代，该棱镜安装在一个高速旋转马达的转子上，绕垂直于腔的轴线旋转，因此，腔内的Q值被周期的调制。2.同步装置转镜调Q的装置包括两个部分——谐振腔部分和同步装置。同步装置的目的是控制氙灯的点燃时间。在装有棱镜的架上装有一块磁钢，和棱镜一起旋转，磁头是固定的，当磁钢转到于磁头相切时，磁头线圈产生感应脉冲信号——触发氙灯。磁钢的位置可以调节——触发氙灯的时间可以变化。3.工作过程(1)由同步装置点燃氙灯，两腔镜不平行，Q低—n积累;(2)当n达到最大值时，激光形成，Q开关打开—Q最高—输出脉冲(3)延迟时间：从氙灯点燃到Q开关打开所需要的时间延迟时间过长或过短都是不利的：过短：未达到极大值，Q开关就打开，使输出功率降低。同时由于泵浦依然很强，第一个脉冲输出后，工作物质的反转粒子数仍然被泵浦超过阈值，产生第二个脉冲,多个脉冲。过长：达到极大值，Q开关未打开，由于自发辐射过程消耗，使n降低—减少输出功率。合适的时间：当n达到最大值时，正好Q开关打开，输出功率最大。延迟时间由同步装置来控制，延迟时间与工作物质的种类、上能级的粒子寿命、氙灯的放电波形、谐振腔的结构都有关。它的大小没有 计算公式 六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式 能计算出来，只有通过试验确定。一般测出氙灯放电波形，然后按延迟时间为氙灯放电达到极大值时间的1.5倍左右估算，延迟角：氙灯点燃时，全反镜的法线和腔轴线之间的夹角计算公式：00602 ppt 关于艾滋病ppt课件精益管理ppt下载地图下载ppt可编辑假如ppt教学课件下载triz基础知识ppt tnn延迟角，延迟时间，转速(转/分）4.特点：无插入损耗和光损伤。适用于大功率脉冲激光器。它属于慢开关类型，易产生多脉冲。机械磨损大影响寿命，且装配工艺要求高，已很少使用。第二章小结一.调Q技术的基本概念和基本理论实现调Q的方法：机械、电光、声光、染料。1.调Q的目的、Q值的物理意义、如何实现调Q目的：压缩脉冲宽度（一般脉冲激光器10-4s，调Q10-30ns，10-8~10-9s）提高峰值功率（可达106~109W以上）000Q222cWnLvvvdWdtcQ值：描述谐振腔质量的品质因数（QualityFactor）定义：谐振腔内储存的总能量与单位时间损耗的能量之比Q值高、腔内储能多，阈值低，利于光子积累方法：是控制激光产生的主要参量，调节来调节阈值-调Q2.基本理论(1)能利用速率方程分析调Q的过程为了压缩脉宽，克服一般脉冲激光器在阈值附近的尖峰振荡，调Q激光器的工作过程分为两个阶段：12sd2~dpinnWnvnAt粒子数变化方程d~dinvt光子数变化方程速率方程a)第一阶段：max、Q低，n累积阶段目的：使氙灯能量转成工作物质的能量1d2dpnnWt第一阶段要求损耗大2s,ipnAnvnWn自发辐射和受激辐射对的消耗可忽略理解调Q的原理、调Q过程。b)第二阶段：min、Qmax，激光形成和输出阶段过程短，自发辐射和泵浦可忽略d2dddiinnvttnv第二阶段/iddtnv要求：激光形成快，输出功率高（大），大-大小d()0ditinnt小~cnL单损耗系数0Qtnn总之在整个调过程中要求：大(2)峰值功率和脉冲宽度max0max12Ph变化不同对是有影响的max可由速率方程求得max011ln1ln22d''''lncrtiiitttttnnittinnnnnnnnnnntnnnnnnn快开关maxQttiinntnn可见：、均与有关。，峰值功率高大调、脉宽窄-效果好12ptitWnnnn（）延迟阶段大，大大提高：（）激光形成阶段小，减小腔损耗二.实现调Q的方法1.电光晶体调Q(1)脉冲反射（PRM）调Q原理，利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，改变Q值(2)脉冲透射式（PTM）调Q，三阶段：a.粒子积累，b.激光产生，c.激光输出。2.声光调Q(3)电光Q开关与电光调制器的联系与区别。声光调Q激光器的结构和特点。(4)电光调Q激光器的结构特点、简化结构、加压式/退压式工作过程。声光Q开关与声光调制器的联系与区别。3.可饱和吸收体调Q(1)染料的可饱和吸收特性吸收率与光强有关，随着入射光强的增加，吸收率减小。当I=Is时，不再吸收，全部透光，这称为吸收体对光达到饱和。染料的这种特性称为可饱和吸收特性。(2)染料Q开关激光器第一阶段：max、Q低、>G，n积累（储能阶段）第二阶段：<G，激光形成与输出阶段第三阶段：Q开关关闭阶段(3)影响因素(1)染料的选择：中心波长、稳定、提高开关效率等(2)染料的浓度，最佳浓度。(3)输入能量，一定的输入能量对应一最佳浓度。(4)染料盒，薄。(5)镜的反射率。4.转镜调Q（机械调Q，已不常用）