目录

一、调Q技术的基本原理

        1、基本背景

        1.1、什么是调Q技术？

        1.2、常见脉冲固体激光器的输出特性

        1.3、驰豫振荡产生的物理过程（重要！！） 

        2、调Q的基本原理

        2.1 Q的定义

        2.2 调Q的物理过程

        2.3  常见的调Q技术

        2.4 实现调Q对激光器的基本要求

二、实现调Q的方法

        1、主动调Q

             1.1 电光调Q

                1.1.1 电光效应：

                1.1.2 带偏振器的电光调Q器件

                1.1.3 带有起偏器P1和检偏器P2的脉冲透射式（PTM式）调Q激光器

                1.1.4 Q调制技术的其他功能

                1.1.5 设计电光调Q激光器考虑的主要问题

            1.2 声光调Q

                1.2.1 声光效应

                1.2.2 声光调Q的基本原理

        2、被动调Q

     2.1 被动式可饱和吸收调Q

3、三种调制方法的优缺点

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一、调Q技术的基本原理

        1、基本背景

        1.1、什么是调Q技术？

        作为一种代表性的短脉冲技术，调Q技术是将一般输出的连续脉冲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提高几个数量级的技术。

        1.2、常见脉冲固体激光器的输出特性

特点：振幅、脉宽和间隔随机变化；每个尖峰的宽度约为0.1~1us，间隔为数个微秒。

普通脉冲激光器输出波形是一种驰豫振荡（Relaxation oscillation）波形。

        1.3、驰豫振荡产生的物理过程（重要！！） 

A、特点：

(1) 峰值功率不高，在阈值附近；

(2) 加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数(缩短尖峰间隔)，不能增加峰值功率。

B、原因：激光器的阈值始终保持不变，上能级不能积累很大的反转粒子数。

C、具体物理过程：

（1）t1时刻之前，未能形成激光

（2）t1-t2: Δn= Δn(th)， Φ =0；泵浦使得Δn增加的速率>受激辐射使Δn减小的速率，腔内光子数Φ 开始积累，反转粒子数Δn增加，在t2时刻达到最大值，在t2时刻腔内光子数增速最快。

（3）t2-t3: Δn→Δn(max),  Φ ↑→Δn ↓ ；反转粒子数开始减少，此时由于反转粒子数大于阈值，腔内光子数继续增加，在反转粒子数减小到阈值时，即t3时刻，腔内粒子数达到峰值；

（4）t3-t4: Δn=<Δn(th), 增益<损耗，Φ 急剧下降；

（5）t4-t5: 泵浦重新作用， Δn↑，t5时刻达到阈值→第二个尖峰脉冲

（在我的理解来看，反转粒子数就是对应的腔内光子数对时间的导数，反应的是光子数变化的速率大小；反转粒子数大于阈值且值越大时，增长越快；低于阈值时光子数减小。）

        2、调Q的基本原理

                2.1 Q的定义

谐振腔的品质因数Q的定义：

 //这里不描述主要的推导过程。主要从讲一下基本的理论原理。基本公式推导结论如下：

 结论：

当激光中心波长     与谐振腔参数L一定时，谐振腔的品质因数Q值与腔的损耗成反比，Q值可以表征谐振腔损耗的大小。

Q值低，则腔的损耗大，阈值就高，不容易形成激光振荡；Q值高，则腔的损耗小，阈值低，容易形成激光振荡。

要改变激光器的阈值，可以通过改变谐振腔的Q值（或损耗d）来实现。

                2.2 调Q的物理过程

（1）在泵浦激励开始时：低Q值状态--不能产生激光振荡--上能级的反转粒子数可以大量的积累，能量可存储的时间由激光上能级的寿命所决定；

（2）当积累到最大值时: 突然降低腔的损耗--Q 值突增--大大超过阈值--受激辐射极为迅速地增强。在极短的时间内，反转粒子数被大量消耗，转变为腔内光能量，而通过耦合镜输出一个极强的激光巨脉冲。

 //就类似于开闸放水，先拉高水位，再放水；对应就是先提高阈值，再降低阈值。

从开始振荡到脉冲形成的过程分析：

三个特殊的时段：(1)自发辐射为主的阶段  (2)雪崩过程  (3)光子数密度衰减过程

 //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)。

                2.3  常见的调Q技术

            谐振腔的Q值与损耗δ成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的δ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、吸收损耗、衍射损耗、输出损耗等。

    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：

例如：机械转镜调Q、电光调Q技术（反射损耗）；声光调Q技术（衍射损耗）；可饱和吸收染料调Q技术（吸收损耗）等。

                2.4 实现调Q对激光器的基本要求

(1)工作物质 

        a.高抗损伤阈值，能在强泵浦条件下工作； b.有较长（不宜太长）的上能级寿命；

(2)光泵的泵浦速率

       必须快于激光上能级的自发辐射速率（即：光泵的发光时间必须小于激光工作物质的上能级寿命）；否则，不能获得足够多的粒子数反转。

(3) Q值突变

    一般应与谐振腔建立激光振荡的时间相近；太慢会导致脉冲变宽，甚至多脉冲。

在设计调Q激光器时，尽可能地提高光泵的抽运速率以增大△n_i；同时要选择效率较高的激光工作物质和合适的谐振腔结构以减小△n_th和其他损耗。

在调Q激光器中，△n_i / △n_th 是一个极为重要的参量，△n_i / △n_th 越大，则峰值功率、输出的能量越大、脉冲宽度越窄，说明调Q效果越好。

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二、实现调Q的方法

        1、主动调Q

        1.1 电光调Q

                1.1.1 电光效应：

        某些晶体或者液晶在外加电场的作用下，其折射率将发生改变，这种现象称为电光效应。

当光波通过该类介质时，其传播特性，如相位、偏振态和强度等会受到影响而改变。

//一次项：线性电光效应，或Pockels效应；二次项：二次电光效应，或Kerr效应。对于大多数电光晶体材料，一次效应要比二次效应显著。

                1.1.2 带偏振器的电光调Q器件

         过程：调制晶体上施加λ／4电压，利用纵向电光效应，通过偏振片的y方向的线偏振光，经过晶体后变为圆偏振光，反射，再经过晶体，会变为x 方向偏振光，这使得Q值很低，损耗很大，使得可以积累较大的粒子数。撤去电压时，Q值增大，巨大脉冲输出。

获得高效率调Q的关键：精确控制Q开关“打开”的延迟时间；当工作物质上能级反转的粒子数达到最大时，立即“打开”开关的效果最好。

Q开关打开早了，上能级反转粒子数尚未达到最大时就开始起振，显然输出的巨脉冲功率会降低，而且还可能出现多脉冲；Q开关打开迟了，则由于自发辐射等损耗，会影响巨脉冲的功率。

                1.1.3 带有起偏器P1和检偏器P2的脉冲透射式（PTM式）调Q激光器

P1∥P2 ，M1，M2为全反镜，M2置于P2偏振棱镜界面反射偏光的光路上。

电光晶体上不加电压时，上能级反转粒子数密度逐渐增加，工作物质开始的自发辐射光可顺利通过P1和P2 ，但输出端无反射镜，腔的Q值很低，不能形成激光振荡。

当工作物质储能达到最大值时，在电光晶体上加上半波电压V_λ/2 ，光经棱镜的界面反射到全反射镜M2上。Q值突增，激光振荡迅速形成。当腔内激光振荡的光子密度达到最大值时，迅速撤去晶体上的电压，光路又恢复到加电压之前的状态，于是腔内存储的最大光能量瞬间透过P2耦合输出。

//先振荡达到最大值后，再瞬间释放出去，故又称为“腔倒空”。

                1.1.4 Q调制技术的其他功能

获得压缩脉宽的高峰值功率巨脉冲输出（能量特性）；调Q能有效地控制激光器的损耗与增益(增益Q开关)；控制激光的空间(横模)特性和频率(纵模)特性以及输出稳定性等。

                1.1.5 设计电光调Q激光器考虑的主要问题

（1）调制晶体材料的选择 ： 1 消光比要高；2 透过率要高；3 半波电压要低；抗破坏阈值要高等。

（2）需要有高质量的激光工作物质——具备储能密度高的性能，还要求有较高的抗强光破坏阈值，能承受较高的激光功率密度。

（3）对光泵浦灯的要求：发光时间（脉冲波形的半宽度）必须小于工作物质的荧光寿命（激光上能级寿命）。但灯光半波宽度太窄效率又会降低，故应根据激光工作物质，选择二者匹配比较好的泵灯。

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        1.2 声光调Q

                1.2.1 声光效应

        声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声传播方向的振动，引起介质的密度呈现疏密相间的交替变化，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”，该光栅间距等于声波波长。当光波通过此介质时，就会产生光的衍射。        

                1.2.2 声光调Q的基本原理

声光Q开关器件的结构：声光介质、电-声换能器、吸声材料、驱动电源。

脉冲产生过程：当高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，在声光介质中形成等效的“相位光栅”；当光束通过声光介质时，便产生布拉格衍射，使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能产生振荡，或者说Q开关将激光“关断”；当高频信号的作用突然停止，则声光介质中的超声场消失，于是谐振腔又突变为高Q值状态，相当于Q开关“打开”。Q值交替变化一次，就使激光器输出一个调Q脉冲。

        2、被动调Q

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。

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。这里简单地介绍一下可饱和吸收调Q。

        2.1 被动式可饱和吸收调Q

        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：

 //α_0为光强很小(I→0)时的吸收系数,I_s为染料的饱和吸收光强.

染料的饱和吸收光强I_s，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， I_s值也增加。当I >>Is 时，吸收系数趋于零，染料对通过的光束变为透明。

 具体物理过程：

开始，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，腔内荧光逐渐变强，当光强能与Is相比拟时，染料的吸收系数变小，透过率逐渐增大，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，产生激光振荡输出调Q激光脉冲。

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。

对染料选择的要求：（1）染料的吸收峰应与激光波长基本吻合；（2）染料要有适当的饱和光强值。太小会很快达到“漂白”；太大开关速度慢，影响调Q效果；（3）染料溶液要有一定的稳定性。

3、三种调制方法的优缺点

        (1)电光晶体调Q   

        由于其开关时间主要取决于电路的高压脉冲上升和退压时间，一般都能做到小于脉冲建立时间，故属于快开关类型。它能产生窄脉冲，且同步性能好，使用寿命长，输出巨脉冲稳定。可获得峰值功率为几十兆瓦以上、脉宽为十几纳秒的巨脉冲，故是目前应用最广泛的一种Q开关，其主要缺点是半波电压较高，需要几千伏的高压脉冲，对其他电子线路易造成干扰。

        （2）声光调Q   

        其开关时间小于脉冲建立时间，属于快开关类型。开关的调制电压只需一百多伏，易与连续激光器配合调Q，可获得kHz高重复频率的巨脉冲，且脉冲的重复性好，可获得峰值功率为几百千瓦，脉宽约为几十纳秒的巨脉冲。但由于它对高能量激光器的开关能力较差，所以，只能用于低增益的连续激光器上。

        （3）可饱和吸收体调Q  

          这是一种被动式的快开关类型，这种Q开关结构简单，使用方便，没有电的干扰，可获得峰值功率为几兆瓦、脉宽为十几纳秒的巨脉冲。其主要缺点是，由于它是一种被动式Q开关，产生调Q脉冲的时刻有一定的随机性，不能人为地控制。另外，染料易变质，需经常更换，输出不稳定。

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DONE!!