激光脉冲技术.ppt

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1、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。现在，欲要获得峰值功率在兆瓦级(106w)以上，脉宽为纳秒级(10-9s)的激光脉冲已并不困难。调Q技术1，晶体棒2，反射膜；3，氙灯，4一电源晶体棒或玻璃棒的直径由1cm到几个cm不等，长度由十几个cm到几十个cm不等。棒的两端面磨的很光滑，平行度很高，镀上反射膜以后就可以当成反射镜组成光学谐振腔。泵浦源使用普通强光源，如氙灯等。固体激光器的优点是输出功率大，体积小，坚固，贮存能量的能力较强，适合实现Q开关、锁模等技术

2、。下边我们分别以红宝石激光器和掺钕离子激光器为例，简介其工作原理。氙灯晶体电源固体激光器的结构大体一致，如下图所示。激光工作物质被泵浦源激发后，对光的放大作用主要表现在它能补偿激光模式的能量损耗，使之满足振荡的阈值条件（反转粒子数大于△nth）、从而形成并维持激光模式的振荡。E1E2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2.1-1(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2.1-l(b)所示

3、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。一.脉冲固体激光器的输出特性E1E2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。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，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

4、增加。E1E2弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2.1-2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△nth因而不能形成激光振荡。)图2.1-2腔内光子数和粒子反转数随时间的变化图2.1-2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＝△nth，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

5、一t3)：△n到达最大值后开始下降，但仍然大于△nth，因此Φ继续增长，而且增长非常迅速，达到最大值。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△nth，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第三阶段(t3一t4)：△n＜△nth，增益小于损耗，光子数密度Φ减少并急剧下降。二、调Ｑ的基本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

6、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

7、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。激光器振荡的阈值条件可表示为式中，g是模式数目，A21自发辐射几率，τc是光子在腔内的寿命，(2.1-1)而所以（2.1-2)Q值称为品质因数，它定义为:Q=2πυ0×(腔内存储的能量/每秒损耗的能量）τc是腔内能量衰减到初始能量的1/e所经历的时间υ0为激光的中心频率。用W表示腔内存储的能量，δ表示光在腔内传播单次能量的损耗率，那么光在一个单程中的能量损耗为Wδ。设L为谐振腔腔长，n为介质折射率，c为光速，则光在腔内走一单程所需的时间为nL/c。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为：式中

8、，λ0为真空中激光中心波长。可见，当λ