第27講 調(diào)Q激光器

1、激光原理與技術(shù)激光原理與技術(shù)第二十七講第二十七講調(diào)調(diào)Q激光器激光器227.1電光調(diào)電光調(diào)Q方法方法Q在在激激光光諧諧振振腔腔內(nèi)內(nèi)，利利用用電電光光調(diào)調(diào)制制器器作作為為 開開關(guān)關(guān)。Qns電電光光 開開關(guān)關(guān)時時間間在在量量級級。Q調(diào)調(diào) 時時間間可可以以精精確確控控制制。PRMQ一一、式式電電光光調(diào)調(diào)1/ 2 、波波片片式式12/ / /XPPY 加加壓壓式式12/ /PPX 退退壓壓式式/290 oEOxiyVEEVQn , , 值值低低，光光路路斷斷120 PPREVOQT ， 值值光光高高，路路通通120 , PPiREOTVQn 光光路路, , 值值低低，斷斷/290 ,oEOxyVVQEE

2、 光光路路通通， 值值高高，327.1電光調(diào)電光調(diào)Q方法方法2/ 4 起起偏偏與與檢檢偏偏、波波片片式式：合合二二為為一一/4VV 退退壓壓式式/2/2EOEOxyEPTPE 0,iTQn光光路路斷斷, , 值值低低，0V 00EOEOxxEPTPE 100%,TQ 光光路路導(dǎo)導(dǎo)通通， 值值高高，10100QQQnsPRM 上上述述方方法法稱稱為為方方式式調(diào)調(diào) ，在在建建立立脈脈沖沖過過程程中中邊邊振振蕩蕩輸輸，出出，脈脈沖沖寬寬度度。/ 4/ 4QQ怎怎么么將將波波片片退退壓壓式式調(diào)調(diào) 變變成成波波片片加加壓壓思思題題：式式調(diào)調(diào)考考？427.1電光調(diào)電光調(diào)Q方法方法527.1電光調(diào)電光調(diào)Q方

3、法方法二二、偏偏振振器器件件627.1電光調(diào)電光調(diào)Q方法方法PTMQ三三、式式電電光光調(diào)調(diào)由由兩兩個個全全反反鏡鏡組組成成諧諧振振腔腔:10V max/2,2:nnVV in，不不能能振振蕩蕩11PMK Q 脈脈沖沖建建立立，沒沒有有輸輸出出損損耗耗，。,3:0mV 巨巨脈脈沖沖輸輸出出2PTMLtc12PPQ 思思考考：光光路路及及調(diào)調(diào) 過過程程如如何何？1/ 2 、波波片片式式 1PxKEP 波 0EOxEP 波 2PxEP 波A， 11PxMKEP 波波 EOyES 波波22PM EOxEP 波波 22PyESM 波波 1PxKEP 波波 0EOxEP 波波 2PxEP 波波A727.1

4、電光調(diào)電光調(diào)Q方法方法2/ 4 、波波片片式式：/41:VV 02: V /43:VV 1PxMKEP 波波 /2EO 圓圓偏偏振振光光 2M 圓圓偏偏振振光光 /2EOyESA 波波，,0,iP Tn不不能能通通過過激激光光不不能能振振蕩蕩， 1PxMKEP 波波 0EOxEP 波波 2MxEP 波波 0EOxEP 波波1PM ，Q 脈脈沖沖建建立立，沒沒有有輸輸出出損損耗耗，。 1PxMKEP 波波 /2EO 圓圓偏偏振振光光 2M 圓圓偏偏振振光光 /2EOyES 波波A，2PTMLtc巨巨脈脈沖沖輸輸出出，827.1電光調(diào)電光調(diào)Q方法方法Q四四、設(shè)設(shè)計計電電光光調(diào)調(diào) 激激光光器器要要考

5、考慮慮的的問問題題調(diào)調(diào)制制晶晶體體消消光光比比高高，調(diào)調(diào)制制器器的的電電極極結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)要要形形成成均均勻勻電電場場縱縱向向運運用用用用環(huán)環(huán)形形電電極極，橫橫向向運運用用用用平平板板電電極極。對對工工作作物物質(zhì)質(zhì)的的要要求求上上能能級級壽壽命命長長，抗抗激激光光破破壞壞閾閾值值高高。對對泵泵浦浦源源的的要要求求泵泵浦浦光光的的脈脈寬寬和和工工作作物物質(zhì)質(zhì)的的上上能能級級壽壽命命要要匹匹配配。Q對對 開開關(guān)關(guān)控控制制電電路路的的要要求求開開關(guān)關(guān)速速度度要要快快，控控制制要要精精確確。透透過過率率高高， 半半波波電電壓壓低低，抗抗激激光光破破壞壞閾閾值值高高。晶晶體體潮潮解解問問題題927.2 聲光調(diào)

6、聲光調(diào)Q方法方法一一、機機理理Q在在激激光光諧諧振振腔腔內(nèi)內(nèi)，利利用用聲聲光光調(diào)調(diào)制制器器作作為為 開開關(guān)關(guān)。10聲聲光光調(diào)調(diào)制制器器的的 級級光光為為腔腔內(nèi)內(nèi)損損耗耗，級級光光為為激激光光振振蕩蕩。sBraggG 單單程程聲聲光光調(diào)調(diào)制制器器件件采采用用行行波波場場，衍衍射射，要要求求Q聲聲光光調(diào)調(diào) 多多用用于于增增益益較較低低的的連連續(xù)續(xù)激激光光器器。Q思思考考題題：為為什什么么聲聲光光調(diào)調(diào) 中中，聲聲光光調(diào)調(diào)制制器器件件要要采采用用行行波波場場？1027.2 聲光調(diào)聲光調(diào)Q方法方法Q二二、調(diào)調(diào) 過過程程聲聲光光調(diào)調(diào)制制器器調(diào)調(diào)制制信信號號為為211sf 2mBBraggnf 在在如如上上

7、圖圖所所示示的的的的驅(qū)驅(qū)動動下下，軸軸向向光光線線受受衍衍射射作作用用，以以角角度度被被衍衍射射出出諧諧調(diào)調(diào)制制信信號號振振腔腔外外， 0siGQPumpnn 單單程程，。ssQfBraggf ，在在下下，消消除除了了衍衍射射，巨巨脈脈沖沖以以調(diào)調(diào)激激光光振振制制的的重重復(fù)復(fù)蕩蕩建建立立，率率輸輸出出。1127.2 聲光調(diào)聲光調(diào)Q方法方法1227.2 聲光調(diào)聲光調(diào)Q方法方法Q三三、聲聲光光調(diào)調(diào) 激激光光器器輸輸出出特特性性1Q、聲聲光光調(diào)調(diào) 實實驗驗裝裝置置 DsDsttt 脈脈沖沖建建立立時時從從超超聲聲場場消消失失到到巨巨脈脈沖沖形形成成有有一一時時間間間間隔隔，這這就就是是一一般般為為，

8、開開關(guān)關(guān)的的開開關(guān)關(guān)時時間間 必必須須小小于于間間。,QQ微微秒秒量量聲聲光光調(diào)調(diào) 的的開開關(guān)關(guān)時時間間是是比比電電光光調(diào)調(diào) 要要級級長長得得多多。1327.2 聲光調(diào)聲光調(diào)Q方法方法2、輸輸出出特特性性inMPPt ，sMfPtP ，10sfkHzQQ調(diào)調(diào) 的的平平均均功功率率不不調(diào)調(diào) 的的連連續(xù)續(xù)功功率率的的比比值值當(dāng)當(dāng)時時，動動靜靜比比1 11427.2 聲光調(diào)聲光調(diào)Q方法方法重重復(fù)復(fù)頻頻率率對對輸輸出出性性能能的的影影響響ssfA ，反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)粒粒子子數(shù)數(shù)未未飽飽和和；ssfA ，反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)粒粒子子數(shù)數(shù)飽飽和和；isnfQ ，較較低低，調(diào)調(diào) 脈脈沖沖的的峰峰值值功功率率較較低低，過過高高時

9、時脈脈寬寬較較寬寬；sf，部部分分反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)粒粒子子數(shù)數(shù)會會由由于于自自發(fā)發(fā)輻輻射射而而損損耗耗，過過低低時時影影響響效效率率:230451/ssssNd YAGsk zffH 一一般般取取，對對于于，取取，則則sHHf 定定義義，峰峰值值功功率率連連續(xù)續(xù)則則關(guān)關(guān)系系如如右右下下輸輸出出功功率率圖圖所所示示。1527.2 聲光調(diào)聲光調(diào)Q方法方法/itDnn 超超閾閾度度的的影影響響QDQD提提高高泵泵浦浦功功率率聲聲光光調(diào)調(diào) 的的 比比電電光光調(diào)調(diào) 低低很很多多，可可以以通通過過和和來來提提減減小小激激光光損損耗耗高高超超閾閾度度器器Q四四、聲聲光光調(diào)調(diào) 器器件件1石石英英鈮鈮部部件件 為為酸酸

10、鋰鋰換換能能器器，由由、等等晶晶體體構(gòu)構(gòu)成成。 242TiOPbMO部部件件 為為聲聲光光介介質(zhì)質(zhì)，可可以以采采用用熔熔融融石石英英、玻玻璃璃、氧氧化化碲碲、鉬鉬酸酸鉛鉛等等材材料料。1627.2 聲光調(diào)聲光調(diào)Q方法方法3部部件件 是是吸吸聲聲材材料料，一一般般采采用用鉛鉛橡橡膠膠、玻玻璃璃棉棉等等材材料料。dcf 為為銳銳角角90oBadbcabc 面面一一般般采采用用平平行行四四邊邊形形，使使00sin222sBssskfnnBgkra g 公公式式：02LLBragg 判判據(jù)據(jù)：sG 單單程程rffstttt超超聲聲場場有有上上升升時時間間 和和下下降降時時間間 ，就就是是開開關(guān)關(guān)時時間

11、間 , ,由由兩兩部部分分構(gòu)構(gòu)成成：一一是是換換能能器器的的功功率率下下降降時時間間；/zd V二二是是光光束束的的渡渡越越時時間間。1/ssf 1727.2 聲光調(diào)聲光調(diào)Q方法方法PTM四四、聲聲光光激激光光器器2Ltc 輸輸出出效效率率高高，脈脈寬寬窄窄，MHz重重復(fù)復(fù)頻頻率率高高，可可達達以以上上對對聲聲光光器器件件有有更更高高的的要要求求：100%衍衍射射效效率率接接近近550nsm 開開關(guān)關(guān)速速度度要要求求快快得得多多，上上升升時時間間大大約約為為，則則要要求求光光束束必必須須聚聚焦焦到到一一個個直直徑徑的的區(qū)區(qū)域域上上1827.2 聲光調(diào)聲光調(diào)Q方法方法1927.2 聲光調(diào)聲光調(diào)Q

12、方法方法2027.3 被動調(diào)被動調(diào)QQQQQ主主動動式式調(diào)調(diào)人人為為的的利利用用某某些些物物理理效效應(yīng)應(yīng)來來控控制制激激光光諧諧振振腔腔的的損損耗耗，從從和和都都是是而而達達到到電電光光調(diào)調(diào)值值，即即聲聲光光調(diào)調(diào)得得突突變變；QQ被被動動式式調(diào)調(diào)利利用用某某些些可可飽飽和和吸吸收收體體本本身身特特性性來來改改變變激激光光諧諧振振腔腔的的 而而損損耗耗，達達到到調(diào)調(diào)方方式式，是是目目的的。2127.3 被動調(diào)被動調(diào)Q一一、可可飽飽和和吸吸收收體體可可飽飽和和吸吸收收體體采采用用二二能能級級近近似似，21,nn上上下下能能級級粒粒子子數(shù)數(shù)分分別別為為、12nnn 為為全全部部粒粒子子數(shù)數(shù)密密度度0

13、0120annn，Ic 可可飽飽和和吸吸收收體體的的能能光光強強為為激激光光入入射射時時級級速速率率方方程程為為： 為為可可飽飽和和吸吸收收體體的的縱縱向向弛弛豫豫時時間間121222121dnBn Bndtn 11222212Bn Bnnn 11212212=+n BBBn 2227.3 被動調(diào)被動調(diào)Q 121212212+dnn BBBndt 11212211121221+qn BBBn BBpB 對對于于給給定定的的輻輻射射場場 ，和和為為常常數(shù)數(shù)，令令，上上式式變變?yōu)闉椋?2dnqpndt 200n 21expqnppt 12112212+n BtBqnpB 2327.3 被動調(diào)被動調(diào)

14、Q20dndt 當(dāng)當(dāng)系系統(tǒng)統(tǒng)趨趨于于穩(wěn)穩(wěn)定定時時，有有，可可以以得得到到 12211221=+n BnBB 12 annn 11221111122112211aaBBnnnBBBB 下下面面考考慮慮可可飽飽和和吸吸收收體體中中光光強強的的變變化化：221112dn Bn Bdt Ich czct 可可以以得得到到：221112dIdhhn Bn BIIdzdtc 112221hn Bn Bc 上上式式可可以以用用另另一一種種方方法法求求得得：2427.3 被動調(diào)被動調(diào)Q 11222112211221121111221=+ahn Bn BcBnnBBBnnBB 11211221ah n BcBB

15、 12211211ah n BccBIB 1201221=ash n BcIcBB 定定義義，01sII 最最終終可可以以得得到到：0sI 為為可可飽飽和和吸吸收收體體的的初初始始吸吸收收系系數(shù)數(shù)為為飽飽和和吸吸收收體體的的飽飽和和光光強強2527.3 被動調(diào)被動調(diào)Q可可飽飽和和吸吸收收體體的的透透過過率率為為：LTe 0T 為為可可飽飽和和吸吸收收體體的的初初始始透透過過率率1T 可可飽飽和和吸吸收收時時稱稱為為體體被被漂漂白白2:BDNLiFFCr YAG 染染料料色色可可飽飽和和吸吸收收材材料料心心晶晶體體有有、等等。對對于于可可飽飽和和吸吸收收材材料料有有如如下下一一些些要要求求：可可

16、飽飽和和吸吸收收材材料料對對激激光光波波長長有有吸吸收收峰峰“”可可飽飽和和吸吸收收材材料料的的吸吸收收截截面面要要遠遠遠遠大大于于激激光光工工作作物物質(zhì)質(zhì)的的吸吸收收截截面面，這這讓讓飽飽和和光光強強較較小小，易易于于 漂漂白白 。吸吸收收體體上上能能級級激激光光工工作作物物質(zhì)質(zhì)上上能能級級可可飽飽和和吸吸收收材材料料的的物物理理化化學(xué)學(xué)性性能能穩(wěn)穩(wěn)定定。0000lim,LITeT lim0,1IT 2627.3 被動調(diào)被動調(diào)QQ二二、被被動動調(diào)調(diào) 過過程程QTQ當(dāng)當(dāng)腔腔內(nèi)內(nèi)光光強強很很弱弱的的時時候候，調(diào)調(diào) 片片的的， 值值，。isnnII 隨隨著著泵泵浦浦強強度度增增加加，腔腔內(nèi)內(nèi)光光強

17、強在在自自發(fā)發(fā)輻輻射射作作用用下下逐逐漸漸增增長長，當(dāng)當(dāng)時時，。0Q在在正正反反饋饋作作用用下下，染染料料被被漂漂白白，激激光光振振蕩蕩形形成成， 脈脈沖沖輸輸出出，開開始始新新的的循循環(huán)環(huán)。0 10n 初初始始、max2/snIcI自自發(fā)發(fā)輻輻射射、1230,1nnT 、當(dāng)當(dāng)時時，飽飽和和體體被被“漂漂白白”，變變得得“透透明明”， Q調(diào)調(diào) 過過程程自自動動完完成成，非非人人為為控控制制，是是被被動動式式的的。2727.3 被動調(diào)被動調(diào)QQ三三、被被動動調(diào)調(diào) 激激光光器器的的運運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)特特性性0T 的的選選取取與與泵泵浦浦強強度度有有關(guān)關(guān)。對對不不同同參參數(shù)數(shù)的的激激光光器器有有各各自自的的最

18、最佳佳初初始始透透過過率率激激光光輸輸出出鏡鏡透透過過率率的的選選取取Q染染料料調(diào)調(diào) 激激光光器器的的輸輸出出鏡鏡反反射射率率一一般般取取值值應(yīng)應(yīng)低低于于靜靜態(tài)態(tài)激激光光器器的的最最佳佳值值強強泵泵浦浦、高高透透過過率率時時是是快快開開關(guān)關(guān)。Q脈脈沖沖被被動動調(diào)調(diào) 激激光光器器會會出出現(xiàn)現(xiàn)多多脈脈沖沖現(xiàn)現(xiàn)象象。Q連連續(xù)續(xù)被被動動調(diào)調(diào) 激激光光器器輸輸出出脈脈沖沖重重復(fù)復(fù)率率取取決決于于泵泵浦浦強強度度，不不能能人人為為控控制制；0QT連連續(xù)續(xù)被被動動調(diào)調(diào) 激激光光器器輸輸出出脈脈沖沖峰峰值值功功率率取取決決于于和和輸輸出出鏡鏡透透過過率率，與與泵泵浦浦強強度度無無關(guān)關(guān)。28 27.3 被動調(diào)被動調(diào)QQ四四、被被動動調(diào)調(diào) 過過程程速速率率方方程程激激光光腔腔內(nèi)內(nèi)平平均均光光強強變變化化方方程程激激光光介介質(zhì)質(zhì)激激光光介介質(zhì)質(zhì)采采用用四四能能級級模模型型可可飽飽和和吸吸反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)粒粒子子數(shù)數(shù)的的速速率率方方程程可可飽飽和和收收體