授误教案」 第六章发光器件 参数 单位 红宝石 Nd:YAG钕玻璃 激光波长 6943 10641 10623 光子能量 2.86×101.86×10-19 1.86×10-19 受激发射截面 m2 2.5×1020 88×10-20 3.03×10-20 自发发射寿命 3000 240 300 掺杂浓度 1.58×109 1.38×102 2.83×102 %(重量) 0.05 0.75 3.1 荧光线宽 A 5.5 4.0 260 GHz 330 120 7500 热导率(300K) Wcm-IK-1 0.42 0.14 0.012 4×1017 反转粒子数（每厘米1%增益） cm-3 +7.6×1018 1.1×1018 3.3×107 储能（每厘米1%增益） J/cm 0.115 0.002 0.060 +2.18 增益系数（储能1J) cm-1 0.087 4.73 0.160 六、调Q激光器原理 1.以Q值突变的方法产生巨脉冲 调Q的目的：获得高峰值功率、窄脉宽(10°s)的激光输出。 谐振腔Q值的定义： 腔内存储的激光能量_2π沙 Q=2加每秒损失的微光能量 (6.4) 2.调Q激光器的基本原理 调Q的原理：通过调节腔内损耗率6来控制Q值。激光器刚开始工作 时，Q值低，阈值高，不易起振，可在高能级（亚稳态能级）上积累大量粒 子；随后调节Q值突然增大，在腔内快速建立振荡，可在极短时间内将存储 在上能级的能量突然释放转变成光能量脉冲（巨脉冲）输出
授课教案 第六章 发光器件 六、调 Q 激光器原理 1. 以 Q 值突变的方法产生巨脉冲 调Q的目的：获得高峰值功率、窄脉宽（10-9s）的激光输出。 谐振腔 Q 值的定义： δλ πη π L vQ 2 2 ＝ 每秒损失的激光能量 腔内存储的激光能量 = （6.4） 2. 调 Q 激光器的基本原理 调 Q 的原理：通过调节腔内损耗率δ 来控制 Q 值。激光器刚开始工作 时，Q 值低，阈值高，不易起振，可在高能级（亚稳态能级）上积累大量粒 子；随后调节 Q 值突然增大，在腔内快速建立振荡，可在极短时间内将存储 在上能级的能量突然释放转变成光能量脉冲（巨脉冲）输出。 11
授课教案 第六章发光器件 泵浦 光强 ↑△n 粒子数 △n 反转值 激光 脉冲 图6.21Q值变化引起窄脉冲产生示意图 Q值改变速度太慢对激光输出的影响： (1)使亚稳态上粒子数反转下降变慢，延长前沿时间，导致脉冲宽度变窄，输 出功率下降。 (2)若Q值变化时间大于激光脉冲建立时间，会导致多脉冲激光输出 图6,22Q值变化速度对脉冲宽度的影响
授课教案 第六章 发光器件 图 6.21 Q 值变化引起窄脉冲产生示意图 Q 值改变速度太慢对激光输出的影响： （1） 使亚稳态上粒子数反转下降变慢，延长前沿时间，导致脉冲宽度变窄，输 出功率下降。 （2） 若 Q 值变化时间大于激光脉冲建立时间，会导致多脉冲激光输出。 图 6.22 Q 值变化速度对脉冲宽度的影响 12
授教案 第六章发光器件 图6.23Q值变化太慢导致两个以上脉冲的产生 3.调Q技术举例 (1)转镜调Q技术 将腔的全反射镜装在高速电动机的转轴上，该转轴垂直于腔轴。当反射镜 转到与部分反射镜平行时，Q值很大：当反射镜转到其它位置时，腔损耗增大使 得Q值减小。 工作物质■ 激光输出 全反射转镜 半反半透镜 图6.24转镜调Q开关原理图 (2)电光调Q技术 工作物质 起偏器 检偏器 激光输出 个个个 华后 氙灯 电光 半透镜 晶体 图6,25电光调Q激光器原理图
授课教案 第六章 发光器件 图 6.23 Q 值变化太慢导致两个以上脉冲的产生 3. 调 Q 技术举例 （1）转镜调 Q 技术 将腔的全反射镜装在高速电动机的转轴上，该转轴垂直于腔轴。当反射镜 转到与部分反射镜平行时，Q 值很大；当反射镜转到其它位置时，腔损耗增大使 得 Q 值减小。 图 6.24 转镜调 Q 开关原理图 （2）电光调 Q 技术 图 6.25 电光调 Q 激光器原理图 13
授课教案 第六章发光器件 激光工作物质产生的激光通过起偏器后变为线偏振光，该线偏振光通过加 了电压的电光晶体后，其偏振面旋转90°（电光晶体的作用相当于12波片）。偏 振面旋转90°的线偏振光无法通过后面的检偏器（起偏器和检偏器的偏振轴平 行)，该状态相当于Q开关处于关闭状态，腔内的Q值很低。若瞬间去掉电光晶体 上的电压，则偏振光的偏振方向不发生旋转而能通过检偏器，相当于Q开关被打 开，Q值突然增大，完成调Q功能。 (3)声光调Q技术 YAG 半反 氪灯 半透镜 图6.26声光调Q激光器原理图 声光器件在腔内按布喇格条件放置。当介质引入超声场时，光束按布喇格 条件决定的方向发生偏折，从而偏离谐振腔的轴向，此时腔内损耗很大，Q值低， 不能形成激光振荡。若撤去超声场，光束可顺利通过均匀的声光介质而不发生光 束偏折，即腔的Q值增大，从而实现调Q功能 七、锁模激光器原理 锁模技术：利用多纵模输出的激光束，经过特殊的调制，使其各纵模之间有确定 的相位关系，使它们可以相互叠加从而获得一系列时间间隔一定的超 短脉冲输出。 锁模目的：为获得脉冲宽度更窄(103s)的激光脉冲。 相位锁定：腔内存在多个纵模，相邻模式之间初始相位之差保持恒定。 主动锁模：在谐振腔内插入频率为v=c(2)的调制器，对光束进行振幅（或相 位)调制。 被动锁模：在腔内插入具有饱和吸收特性的染料盒，利用其吸收特性进行锁模， 常用于脉冲激光器，稳定性较差。 1.锁模脉冲的形成与输出特性 振幅相等、但初相位不同的多个光波叠加：无规则的起伏波形 振幅相等、但初相位有确定关系的多个光波叠加：周期性脉冲
授课教案 第六章 发光器件 激光工作物质产生的激光通过起偏器后变为线偏振光，该线偏振光通过加 了电压的电光晶体后，其偏振面旋转 900 （电光晶体的作用相当于 1/2 波片）。偏 振面旋转 900 的线偏振光无法通过后面的检偏器（起偏器和检偏器的偏振轴平 行），该状态相当于Q开关处于关闭状态，腔内的Q值很低。若瞬间去掉电光晶体 上的电压，则偏振光的偏振方向不发生旋转而能通过检偏器，相当于Q开关被打 开，Q值突然增大，完成调Q功能。 （3） 声光调 Q 技术 图 6.26 声光调 Q 激光器原理图 声光器件在腔内按布喇格条件放置。当介质引入超声场时，光束按布喇格 条件决定的方向发生偏折，从而偏离谐振腔的轴向，此时腔内损耗很大，Q 值低， 不能形成激光振荡。若撤去超声场，光束可顺利通过均匀的声光介质而不发生光 束偏折，即腔的 Q 值增大，从而实现调 Q 功能。 七、锁模激光器原理 锁模技术：利用多纵模输出的激光束，经过特殊的调制，使其各纵模之间有确定 的相位关系，使它们可以相互叠加从而获得一系列时间间隔一定的超 短脉冲输出。 锁模目的：为获得脉冲宽度更窄（10-13s）的激光脉冲。 相位锁定：腔内存在多个纵模，相邻模式之间初始相位之差保持恒定。 主动锁模：在谐振腔内插入频率为 = Lcv )2( 的调制器，对光束进行振幅（或相 位）调制。 被动锁模：在腔内插入具有饱和吸收特性的染料盒，利用其吸收特性进行锁模， 常用于脉冲激光器，稳定性较差。 1. 锁模脉冲的形成与输出特性 振幅相等、但初相位不同的多个光波叠加：无规则的起伏波形 振幅相等、但初相位有确定关系的多个光波叠加：周期性脉冲 14
授教案 第六章发光器件 图6.27初相位不相等的三个光波波形 图628初相位相等的三个光波波形及叠加后产生的周期型脉冲波形 脉冲周期为 7=2-24 (6.5) Q c 相位锁定后输出脉冲功率为 Esin2q+IXQ+B) (6.6) sin+) 21+B=2mπ(m=0,L2.)时，可得输出脉冲的峰值功率为 1m=(2g+1)2E (6.7)
授课教案 第六章 发光器件 图 6.27 初相位不相等的三个光波波形 图 6.28 初相位相等的三个光波波形及叠加后产生的周期型脉冲波形 脉冲周期为 c L T 22 = Ω = π （6.5） 相位锁定后输出脉冲功率为 )( 2 1 sin ))(12( 2 1 sin )()( 2 22 0 2 β β +Ω ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +Ω+ =∞ t E tq tAtI （6.6） β =+Ω π mmt = K)2,1,0(2 时，可得输出脉冲的峰值功率为 max += )12( 2 EqI 0 2 （6.7） 15