02-调Q(Q开关)技术.pptx
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第二章调Q（Q开关）技术,主讲：
韩群,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,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,11:
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03,2.1调Q的基本概念,一、调Q的目的二、脉冲固体激光器的输出特性三、调Q的基本原理,QunHanTianjinUniversity2012年10月9日,17:
00:
48,一、调Q的目的,1.目的：
压缩脉冲宽度、提高峰值功率,普通脉冲激光器,脉冲宽度,峰值功率（1J）,调Q激光器,2.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,拍摄效果,模糊,清晰,QunHanTianjinUniversity2012年10月9日,17:
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50,二、脉冲固体激光器的输出特性,1、特点,输出脉冲呈尖峰振荡脉宽较宽，峰值功率低,QunHanTianjinUniversity2012年10月9日,17:
00:
52,QunHanTianjinUniversity2012年10月9日,17:
00:
54,2.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：
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。
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。
Q值是评价谐振腔质量好坏的指标，称为谐振腔的品质因数（QualityFactor）,QunHanTianjinUniversity2012年10月9日,17:
00:
56,2.调Q值的途径,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,2012年9月28日,10:
08:
03,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,QunHanTianjinUniversity2012年10月9日,17:
00:
57,Q-switch,4.调Q技术的分类,5.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。
2012年9月28日,10:
16:
39,2.2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,2012年9月28日,11:
00:
37,一、调Q的速率方程,1.速率方程的建立,以三能级系统为例,四能级系统类似,QunHanTianjinUniversity2012年10月9日,17:
01:
02,2.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。
（1）储能过程,
（2）激光产生过程,调Q激光振荡的速率方程,2012年9月28日,11:
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36,只有微弱ASE，光子密度很小，泵浦作用下n,二、阶跃式Q突变下的近似解,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,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,2012年9月28日,11:
00:
33,1.阶跃Q突变情况下，调Q脉冲的建立过程,即使理想的阶跃Q开关，脉冲并非立刻形成，而是需要一个过程。
（3个时间段）,
（1）脉冲建立时间,
（2）脉冲前沿时间,（3）脉冲后沿时间,2012年9月28日,11:
00:
34,2.调Q速率方程求解,-最大光子密度,2012年9月28日,10:
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57,
（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,2012年9月28日,10:
38:
33,
（2）调Q脉冲的能量及能量利用率,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,2012年9月28日,10:
43:
15,（3）调Q脉冲的时间特性脉宽、波形,（a）脉冲建立时间,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,2012年9月28日,10:
52:
11,（b）脉冲前沿时间,（c）脉冲后沿时间,2012年9月28日,10:
57:
10,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,
（2）减小,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,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,Q开关开启后，各种损耗要尽可能低,2012年9月28日,11:
00:
24,3.提高的方法,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,忽略泵浦和ASE）,ni/nt大，峰值高脉宽窄,如，电光Q开关、声光Q开关,如，转镜Q开关,2012年9月28日,11:
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42,2.3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激光器的设计考虑四、脉冲透射式（PTM）调Q,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,09:
45:
50,一、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,电光Q开关是一种特殊的电光强度调制器,2012年9月28日,11:
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05,以退压式、KDP纵向应用为例来分析工作原理：
2012年9月28日,11:
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07,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。
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21,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：
nni后，ASE使n下降；最佳：
n=max（n），退去V。
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32,第二阶段：
脉冲形成与输出阶段,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。
2.简化结构,2012年9月28日,11:
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12,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。
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；,2012年9月28日,11:
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46,先开主电源对C充电，并接于氙灯电极，但不点燃。
开晶体电源加1/4波电压。
使谐振腔处于低Q值状态。
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,2012年9月28日,11:
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49,2.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。
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56,3.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。
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37,三、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。
（1）消光比要高,
（2）透过率要高,（3）半波电压要低,（4）抗破坏阈值要高,（5）物理化学性质稳定,2012年9月28日,11:
30:
42,2.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,2012年10月9日,11:
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37,四、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，在瞬时释放出去，因此又称为“腔倒空”。
PTM有利于压缩脉宽。
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12,2.PTM式调Q激光器的工作原理,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,10:
05:
43,3.PTM式调Q激光器的特点,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1030nsPTM式调Q的输出脉宽2L/c，只有约13ns,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）,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,10:
09:
39,2.4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,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,10:
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13,一、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：
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51,2.声光调Q的基本原理,Bragg衍射效率,
（1）储能过程,以0级光工作为例,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,撤去超声场，低损耗，高Q值，巨脉冲输出。
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03,二、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（10-710-8s）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23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（120kHz）的脉冲输出。
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20,三、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。
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17,2.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。
（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。
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37,
（2）提高,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。
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11,四、声光腔倒空激光器,
（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,1.原理,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,10:
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54,2.声光腔倒空激光器的特点,
（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50m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。
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43,2.5被动可饱和吸收调Q,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,11:
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16,一、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做为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！
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38,1.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,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。
A（）是光频率的函数，吸收率极大值处的频率称为吸收材料的吸收峰；吸收物质的吸收峰与光强有关。
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22,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,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。
如果把可饱和吸收体置于激光器的谐振腔内,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,10:
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14,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n2A（），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。
定性分析,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,10:
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04,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，（）可形象的视为每个光子的挡光面积，（）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,定量分析,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,10:
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23,定量分析,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。
n2可由速率方程求得【当g1=g2时，B12=B21】,u为激光能量密度，B12u=W12，B21u=W21.一阶常微分方程,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,10:
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00,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。
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。
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。
可以把它放在谐振腔，腔内的光强是时间的函数，光强的变化导致染料的吸收系数变化，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。
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54:
06,1.染料Q开关激光器的形式（两种）,染料盒和全反射镜合为一体，利用染料盒的后壁做全反镜。
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。
QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,10:
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47,2.染料Q开关的工作过程,max、Q低、G，n积累（储能阶段）,氙灯未点燃，n1=N，吸收率很高氙灯点燃，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。
G，激光形成与输出阶段,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。
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。
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,QunHanTianjinUniversity2012年10月10日,1
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