激光原理與技術(shù)：第六章 調(diào)Q技術(shù)

激光技術(shù)-第二講調(diào)Q激光器的基本理論概述第六章調(diào)Q技術(shù)聲光調(diào)Q電光調(diào)Q被動(dòng)調(diào)Q調(diào)Q技術(shù)應(yīng)用第一節(jié)概述6.1.1固體激光器的輸出特性弛豫振蕩的形成（Dn&Nl

的瞬態(tài)變化）t1-t2

泵浦激勵(lì)使Dn增加的速率>受激輻射使Dn減小的速率泵浦能量低于閾值泵浦能量高于閾值

t2-t3

受激輻射使Nl

急劇上升

Dnn極大

t3-t4

受激輻射使Dn<Dnt

Nl急劇下降，Dn

t4-t5

t=t4，受激輻射使Dn減小的速率=泵浦使Dn增加的速率若泵浦作用尚未停止，受激輻射減弱導(dǎo)致t>t5又開始第二個(gè)脈沖的建立過程，在整個(gè)脈沖泵浦過程中，這種過程反復(fù)發(fā)生，造成輸出激光的一連串尖峰結(jié)構(gòu)。Nl極大n極小Nl極小6.1.2調(diào)Q的基本原理2．調(diào)節(jié)Q值的途徑一般采取改變腔內(nèi)損耗的辦法來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的Q值。1.諧振腔品質(zhì)因數(shù)Q的定義：ε為腔內(nèi)儲(chǔ)存的總能量，P為單位時(shí)間損耗的能量諧振腔的損耗越小，品質(zhì)因數(shù)越高。諧振腔光程長閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度增益介質(zhì)幾何長度真空光速3．調(diào)Q的過程

(1)能量存儲(chǔ)過程諧振腔處于低Q值（高損耗）狀態(tài)，當(dāng)光泵的能量被激光介質(zhì)吸收后，上能級粒子數(shù)不斷積累，由于閾值太高不能起振，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值。若泵浦功率一定，且Q開關(guān)一直不打開，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在泵浦和上能級壽命的雙重作用下達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。

該過程的基本特點(diǎn)是：泵浦能量存儲(chǔ)在激光上能級上。能量存儲(chǔ)過程(2)激光產(chǎn)生與輸出過程在t0時(shí)刻，損耗突然下降，Q值升高，振蕩閾值隨之下降，通常滿足ΔniΔnt，因此，受激輻射增強(qiáng)非常迅速。

激光快速建立，增益介質(zhì)中存儲(chǔ)的能量在極短的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榧す獾哪芰?，產(chǎn)生一個(gè)峰值功率很高的窄脈沖。激光產(chǎn)生過程6.1.3實(shí)現(xiàn)調(diào)Q對激光器的基本要求（1）工作物質(zhì)在強(qiáng)泵浦下工作，因此抗損傷閾值要高。并且上能級壽命2較長，使得儲(chǔ)能很高。穩(wěn)態(tài)時(shí)（2）泵浦速度應(yīng)盡量快，以減小自發(fā)輻射的損耗，在低重復(fù)頻率調(diào)Q激光器中，為得到足夠多的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，通常取泵浦的持續(xù)時(shí)間約等于或小于上能級壽命。（3）諧振腔的Q值改變要快，應(yīng)小于建立激光振蕩的時(shí)間，如果Q開關(guān)時(shí)間太慢，會(huì)使脈沖變寬，甚至產(chǎn)生多脈沖現(xiàn)象。第二節(jié)調(diào)Q激光器的基本理論6.2.1調(diào)Q的速率方程1.三能級系統(tǒng)速率方程速率方程是調(diào)Q激光器的基本理論假設(shè)條件：(1)g1=g2；

(2)增益介質(zhì)長度等于腔長，設(shè)為l，模式體積設(shè)為V；

(3)Q突變過程中，忽略泵浦和自發(fā)輻射過程。n3=0w13S32A21S21w21w12E1E2E3忽略泵浦和自發(fā)輻射過程，取g1=g2：光子數(shù)密度，和教材一致根據(jù)：左式即藍(lán)信鋸《激光技術(shù)》2.2-4式，為三能級調(diào)Q激光振蕩的速率方程。注意：教材中=1/R，表示單位時(shí)間的損耗。2.四能級系統(tǒng)速率方程類似推導(dǎo)得到：w03S32S21A21W21E3E2E1E0S10n3=0n1=06.2.1調(diào)Q的速率方程假定腔內(nèi)損耗在時(shí)間上有一階躍突變在t=0之前，初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為ni，其求解方法見第四章第四節(jié)。對于三能級系統(tǒng)：在t=0時(shí)刻，初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為ni，光子數(shù)密度=i

=0。之后，急劇增加，n開始劇減。在n=nt時(shí)，腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到極大值m從對n積分積分得到1.調(diào)Q脈沖的峰值功率如果初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)ni大大超過閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)nt（高Q值狀態(tài)）則得：若除輸出外其它損耗可忽略否則2.調(diào)Q脈沖的能量及能量利用率激光脈沖的能量是由消耗反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的受激輻射過程產(chǎn)生的，若以光子數(shù)密度從極大值m下降到f的時(shí)間作為脈沖結(jié)束，f

0，f對應(yīng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度為nf脈沖能量能量利用率有效輸出占總損耗的比重3.調(diào)Q脈沖的時(shí)間特性當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度降低到n′時(shí)，光子數(shù)密度為′對特定時(shí)刻為t，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度n，對應(yīng)光子數(shù)密度為光子數(shù)密度滿足：從而得到與t的關(guān)系，進(jìn)一步得到輸出功率與t的關(guān)系。脈沖寬度t的半高寬定義：在激光脈沖中，功率降到峰值功率的一半所對應(yīng)的兩個(gè)時(shí)刻之差ni/nt是一個(gè)極為重要的參量，其值越高，輸出功率越高，脈沖寬度越窄，nf越小，總體效率越高。ni/nt越高，激光脈沖的上升時(shí)間越短；諧振腔損耗越高，脈沖的下降時(shí)間越短。在激光器設(shè)計(jì)中，應(yīng)對增益和損耗進(jìn)行綜合優(yōu)化。工程上脈沖寬度的計(jì)算公式：解：峰值光子數(shù)峰值功率脈沖能量脈沖寬度自學(xué)：快開關(guān)和慢開關(guān)的特性注意：在慢開關(guān)的情況下必須數(shù)值求解具體計(jì)算作為作業(yè)損耗系數(shù)對于四能級系統(tǒng)，可采用相同方法求解：峰值光子數(shù)密度峰值功率脈沖能量能量利用率工程上脈沖寬度的計(jì)算公式：思考：調(diào)Q速率方程還可以從哪些方面進(jìn)行修正?第三節(jié)電光調(diào)Q

利用某些晶體的電光效應(yīng)可以做成電光Q開關(guān)器件。特點(diǎn)：開關(guān)時(shí)間短（約10-9s），調(diào)Q時(shí)刻可以精確控制，輸出脈沖寬度窄（～10ns），峰值功率高（幾十MW以上）6.3.1帶偏振器的電光調(diào)Q器件激光工作物質(zhì)是Nd:YAG晶體；偏振器采用方解石空氣隙格蘭-傅克棱鏡，或采用鍍光學(xué)薄膜的偏振分光鏡；調(diào)制晶體用KDP，縱向或橫向應(yīng)用，晶體兩端的電極與電源相接調(diào)Q過程：YAG晶體在氙燈的光泵下發(fā)射自發(fā)輻射光，經(jīng)過偏振棱鏡后變成x方向線偏振光。若電光晶體未加電壓，光通過電光晶體后，其偏振狀態(tài)不發(fā)生變化，經(jīng)全反鏡反射后，再次通過電光晶體和偏振器，電光Q開關(guān)處于“打開”狀態(tài)。若電光晶體上施加/4電壓，沿x方向的線偏振光通過晶體后，變成圓偏振光，經(jīng)全反射鏡反射回來，再次通過調(diào)制晶體，變成沿y方向振動(dòng)的線偏振光，不能再通過偏振棱鏡，電光Q開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)，阻斷激光振蕩的形成。通常在氙燈剛開始點(diǎn)燃時(shí)，事先電光在晶體上加/4電壓調(diào)Q過程：待激光上能級反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)積累到最大值時(shí)，突然撤去晶體上的/4電壓，使激光器瞬間處于高Q值狀態(tài)，產(chǎn)生雪崩式的激光振蕩，就可輸出一個(gè)巨脈沖。Q開關(guān)打開的時(shí)機(jī)：對于氙燈的脈沖泵浦，時(shí)機(jī)的選擇很重要，當(dāng)上能級反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)達(dá)到最大時(shí)，立即“打開”開關(guān)的效果最好。對于LD泵浦，泵浦時(shí)間大于上能級壽命時(shí)，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，通常取泵浦時(shí)間約等于上能級壽命。調(diào)Q工作程序：對電容C充電，并接于氙燈電極，但不導(dǎo)通故不點(diǎn)燃。給KDP加電壓，使腔處于關(guān)閉狀態(tài)。時(shí)標(biāo)信號發(fā)生器發(fā)出脈沖信號，停止對電容充電，同時(shí)觸發(fā)器點(diǎn)燃氙燈，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)開始大量積累。當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)到最大時(shí)，通過延時(shí)電路的信號加到閘流管，電光晶體上的電壓瞬時(shí)退掉，形成激光振蕩和巨脈沖輸出。調(diào)節(jié)延時(shí)時(shí)間，使輸出激光最強(qiáng)。關(guān)斷效果的調(diào)試：為達(dá)到最好的關(guān)斷效果，必須嚴(yán)格保持偏振棱鏡的起偏方向與電光晶體的x軸或y軸方向一致。調(diào)試方法：在晶體加電的狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振棱鏡和晶體的相對角度，直到激光不能振蕩。必要時(shí)調(diào)試驅(qū)動(dòng)電壓。對電光晶體的要求：/4電壓低、消光比高、激光波長處吸收系數(shù)小、能承受的功率密度高。常用的電光晶體：KDP，KD*P，ADP，LiNbO3，LiTaO3等RTP，200kHz，1000VRTP，200kHz，1000V(/2)KD*P，6000V(/2)萊茵光電，1-10Hz,10ns,1J中科紫玉，1-5Hz,10ns,100J國科，1-20Hz,10ns,2J西物激光,10ns,1J6.3.2單塊雙45°電光調(diào)Q器件(不做要求)LiNbO3晶體同時(shí)產(chǎn)生電光晶體和偏振器的作用。工作原理：未加電壓的情況

無規(guī)偏光沿y軸入射晶體，分解為沿x軸振動(dòng)的o光和沿z軸振動(dòng)的e光。

o光反射后沿晶體的光軸傳播。

e光反射后振動(dòng)方向仍平行于主截面，其折射率變?yōu)閚e′(no)

第二次反射時(shí)，o光仍以45°反射，與入射光平行。

e光折射率由ne′變回ne，其反射角又變回45°，反射光與入射光平行。

兩束光之間的距離為光軸（z軸）沿長方體的軸向，電壓沿x軸加到晶體上工作原理：加電壓Vx=V/2

在AB段，入射光的傳播情況與未加電壓時(shí)基本相同。

Vx=V/2時(shí)，BC段相當(dāng)于半波片。

原來的o光變成了e′光。

原來的e光變成o′光，經(jīng)過第二個(gè)反射面反射時(shí)，計(jì)算得到

第一個(gè)反射面的前段相當(dāng)于一個(gè)起偏器，第二個(gè)反射面的后段相當(dāng)于一個(gè)檢偏器，加電后的晶體相當(dāng)于在兩個(gè)偏振器之間夾一塊調(diào)制晶體。調(diào)Q過程：加電壓Vx=V/2

通過晶體后的o光和e光都偏離原來入射光的傳播方向，這時(shí)，腔內(nèi)光路不通，不能形成激光振蕩。在光泵的作用下，積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)。撤去電壓

腔內(nèi)構(gòu)成光的通路，相當(dāng)于處于“開啟”狀態(tài)，Q值突增，激光振蕩形成。

實(shí)際上，由于晶體的退偏度、光束的發(fā)散角、晶體幾何尺寸的誤差，從第一個(gè)斜面上反射的光不是完全線偏振光，而是偏心率很大的橢圓偏振光，使得輸出四條光線。光預(yù)偏置技術(shù)（自學(xué)）：目的：使兩束線偏振光都旋轉(zhuǎn)90°，改善關(guān)斷效果。方法：使入射光束預(yù)先偏斜一個(gè)小角度。單塊單45°電光Q開關(guān)（了解）6.3.3脈沖透射式（PTM）調(diào)Q脈沖反射式（PRM）與脈沖透射式（PTM）調(diào)Q：PRM:常規(guī)調(diào)Q激光器中，以上能級粒子數(shù)的形式存儲(chǔ)能量，輸出反射鏡輸出激光脈沖，稱為脈沖反射式調(diào)Q。PTM

基本特點(diǎn)：以腔內(nèi)光子數(shù)的形式存儲(chǔ)能量，高Q儲(chǔ)能低Q釋放。

結(jié)構(gòu)與原理：將PRM式調(diào)Q激光器的輸出鏡換成全反鏡，Q開關(guān)打開后，光子在腔內(nèi)往返振蕩而無輸出，直到工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子全部轉(zhuǎn)化為腔內(nèi)光子能量，此時(shí)瞬間將光子能量全部透射輸出，稱為脈沖透射式（PTM）調(diào)Q。

先振蕩達(dá)到最大值，再瞬間釋放出去，故又稱為“腔倒空”。實(shí)現(xiàn)方式一：儲(chǔ)能過程

首先電光晶體上不加電壓，積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，而后在電光晶體上加上半波電壓，Q值突增，激光振蕩迅速形成。釋放過程

當(dāng)腔內(nèi)激光振蕩的光子密度達(dá)到最大值時(shí)，迅速撤去晶體上的電壓，腔內(nèi)存儲(chǔ)的最大光能量瞬間透過棱鏡P2而耦合輸出。實(shí)現(xiàn)方式二：儲(chǔ)能過程

首先電光晶體上加/4電壓，Q開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，而后瞬間撤去電壓，Q值突增，激光振蕩迅速形成。釋放過程

當(dāng)腔內(nèi)激光振蕩的光子密度達(dá)到最大值時(shí)，迅速在晶體上加/4電壓，腔內(nèi)存儲(chǔ)的最大光能量瞬間經(jīng)棱鏡P反射而耦合輸出。單塊雙45°電光調(diào)Q器件的PTM運(yùn)轉(zhuǎn)(不要求)：儲(chǔ)能過程

首先電光晶體上不加電壓，腔損耗很大，積累反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，而后瞬間加上半波電壓，Q值突增，激光振蕩迅速形成。釋放過程

當(dāng)腔內(nèi)激光振蕩的光子密度達(dá)到最大值時(shí)，迅速撤去電壓，腔內(nèi)存儲(chǔ)的最大光能量瞬間輸出。PTM運(yùn)轉(zhuǎn)方式：優(yōu)點(diǎn)：脈沖寬度窄，峰值功率高缺點(diǎn)：能量釋放時(shí)刻難以控制，脈沖噪聲大，光束質(zhì)量難控制6.3.4調(diào)Q技術(shù)的其它功能調(diào)Q的基本功能是獲得窄脈寬、高峰值功率的巨脈沖。Q開關(guān)不僅能有效的控制激光能量和功率特性，還可以控制激光的空間和頻率特性選橫模的功能:在臨界激光（預(yù)激光）狀態(tài)產(chǎn)生基橫?！胺N子”，接著Q開關(guān)完全打開，使種子放大，得到功率足夠高的基橫模激光。選單縱模的功能在單橫?；A(chǔ)上，開始時(shí)，Q開關(guān)處于不完全關(guān)閉的狀態(tài)。在靠近中心頻率附近形成單縱模振蕩，而后Q開關(guān)完全打開，以之為種子獲得單縱模脈沖激光輸出。第四節(jié)設(shè)計(jì)電光調(diào)Q激光器應(yīng)考慮的問題（了解）

6.4.1調(diào)Q晶體材料的選擇消光比高，晶體折射率的均勻性好透過率高。半波電壓低，驅(qū)動(dòng)功率低。抗破壞閾值高。晶體防潮，KDP類晶體易潮解，LN晶體不潮解6.4.2調(diào)Q晶體的電極結(jié)構(gòu)KDP類晶體大多采用縱向應(yīng)用，采用環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)。LN類晶體采用橫向應(yīng)用，采用平板電極結(jié)構(gòu)。6.4.3對激光工作物質(zhì)的要求儲(chǔ)能密度高，上能級壽命長。抗損傷閾值高。6.4.4對光泵浦燈的要求效率高，與激光工作物質(zhì)光譜匹配好。壽命長，可靠性高。6.4.5對Q開光控制電路的要求Q開關(guān)速度快。效率高，功耗小。電光調(diào)Q激光器的新進(jìn)展與新思想復(fù)合腔電光調(diào)Q微晶片激光器1995年

MIT，J.J.Zayhowski等提出Nd:YAG/LiTaO3結(jié)構(gòu)，腔長1.4mm輸出脈沖能量12μJ重復(fù)頻率1kHz，脈寬115ps，峰值功率90kW。重復(fù)頻率2.25MHz，脈寬8.8ns，峰值功率16W。鍍膜低壓電光調(diào)Q激光器思考：如何調(diào)Q？第五節(jié)聲光調(diào)Q6.5.1聲光調(diào)Q的基本原理聲光Q開關(guān)的結(jié)構(gòu)--與聲光調(diào)制器基本相同聲光介質(zhì)采用熔融石英、玻璃和鉬酸鉛等。換能器采用石英、鈮酸鋰等晶體等。吸聲材料采用鉛玻璃、玻璃棉等。高頻振蕩信號加到換能器上，當(dāng)光束通過聲光介質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生布拉格衍射，諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài)，即“關(guān)斷”狀態(tài)。撤去高頻信號，諧振腔處于低損耗高Q值狀態(tài)，即“打開”狀態(tài)。吸聲器換能器聲光介質(zhì)聲光Q開關(guān)的打開時(shí)間--由關(guān)斷到打開的時(shí)間主要由聲光渡越時(shí)間決定，對熔融石英約為200ns。為避免多脈沖的產(chǎn)生，聲光Q開關(guān)一般用于增益較低的連續(xù)泵浦激光器，重頻一般為1～200kHz。目前通過對激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，重頻可達(dá)到1MHz以上。6.5.2聲光調(diào)Q器件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

聲光調(diào)Q器件一般都采用行波工作方式，必須使用吸聲材料或吸聲裝置，以消除超聲波的反射。

應(yīng)用中應(yīng)減小超聲衰減時(shí)間（RFFallTime），減小超聲渡越時(shí)間。吸聲器換能器聲光介質(zhì)材料的選擇電聲換能器選擇石英晶體片和LN晶體片。聲光介質(zhì)的選擇應(yīng)考慮介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)、對激光的透過率、熱穩(wěn)定性、光學(xué)均勻性、抗損傷閾值等。

①氧化碲和鉬酸鉛的品質(zhì)因數(shù)高，但對1μm激光透過率低，不適于高功率激光。

②熔融石英品質(zhì)因數(shù)不高，但透光性好、抗損傷閾值高、聲光渡越時(shí)間小，是高功率激光器常用的聲光介質(zhì)。器件的設(shè)計(jì)布拉格衍射效率：L/H的比值越大，衍射效率越高。H的選擇應(yīng)比光斑直徑稍大。換能器的厚度為超聲波的半波長。聲光介質(zhì)的通光面與超聲波面磨成90°-B角，以保證垂直通光面入射，方便光路對準(zhǔn)，且此時(shí)表面反射損耗最小。聲光介質(zhì)與換能器的粘接工藝（了解）通光方向器件的結(jié)構(gòu)形式器件在工作過程中產(chǎn)生熱量，影響器件的性能，應(yīng)考慮散熱問題。驅(qū)動(dòng)聲功率的確定根據(jù)衍射效率公式，要使衍射效率逼近100%，所需聲功率

此外，在超聲場的狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，與其上升時(shí)間相比，超聲場的下降時(shí)間更重要，超聲場的下降時(shí)間和超聲渡越時(shí)間決定了Q開關(guān)的打開時(shí)間，該打開時(shí)間應(yīng)小于脈沖建立時(shí)間，以避免激光脈沖展寬或者多脈沖的產(chǎn)生。與水的品質(zhì)因數(shù)的比值.6.5.3聲光調(diào)Q動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)及輸出特性調(diào)Q運(yùn)行程序啟動(dòng)泵浦，輸出激光。向Q開關(guān)注入高頻電信號，關(guān)斷激光。向Q開關(guān)注入脈沖調(diào)制信號，產(chǎn)生周期

激光脈沖。聲光調(diào)Q激光器的新進(jìn)展1聲光調(diào)Q激光器的新進(jìn)展22005OpticalSocietyofAmerica聲光調(diào)Q激光器的新進(jìn)展3TsinghuaUniversity聲光調(diào)Q激光器的新進(jìn)展4—端面泵浦折疊腔AOQ-switch2006第五節(jié)被動(dòng)調(diào)Q特點(diǎn)：利用某些可飽和吸收體本身特性，自動(dòng)的改變Q值。不需要高壓、高速電源驅(qū)動(dòng)，綜合效率高。6.6.1可飽和吸收染料的調(diào)Q原理某些有機(jī)染料是一種非線性吸收介質(zhì)，其吸收系數(shù)隨著光強(qiáng)的增大而減小，直至透明，吸收系數(shù)的表達(dá)式為飽和吸收光強(qiáng)初始吸收系數(shù)飽和吸收光強(qiáng)與染料的種類和濃度有關(guān)，一般隨濃度的增加而增大。調(diào)Q過程描述1：見教材。調(diào)Q過程描述2：隨著反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累，到足以克服初始吸收和其它損耗時(shí)，激光開始建立，隨著光強(qiáng)的增大，吸收系數(shù)減小，即諧振腔損耗減小，這種“正反饋”作用，加速了激光脈沖的建立，產(chǎn)生一個(gè)窄而強(qiáng)的調(diào)Q脈沖。用作調(diào)Q對染料的要求：①對激光波長有吸收峰；②對激光的受激吸收截面比增益介質(zhì)的受激發(fā)射界面大；③染料的上能級壽命足夠長，應(yīng)大于光脈沖建立時(shí)間。6.6.2飽和吸收的速率方程將染料近似為二能級系統(tǒng)，對于四能級增益介質(zhì)，速率方程為其中，為腔內(nèi)光子數(shù)，N2為增益介質(zhì)上能級粒子數(shù)，Na1、Na2和Na0分別為染料基態(tài)能級、上能級和總粒子數(shù)，Wa12和Wa21分別為染料的受激吸收和受激輻射速率，Va為增益介質(zhì)內(nèi)的模式體積，a為染料上能級壽命被動(dòng)調(diào)Q速率方程的解析解可參考：吳念樂等，含Cr離子飽和吸收體被動(dòng)調(diào)Q解析解，光學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16（12）：1813－1818被動(dòng)調(diào)Q的過程腔內(nèi)光子數(shù)增益介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)可飽和吸收體基態(tài)和上能級粒子數(shù)之差單脈沖建立過程腔內(nèi)光子數(shù)增益介質(zhì)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)可飽和吸收體基態(tài)和上能級粒子數(shù)之差6.6.3染料調(diào)Q激光器及其輸出特性為避免寄生振蕩，最好把染料盒放置成與全反鏡有一傾斜角1.染料的選擇應(yīng)考慮的要求(1)染料的吸收峰應(yīng)與激光波長基本吻合(2)染料要有適當(dāng)?shù)娘柡凸鈴?qiáng)值，太小則反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累不充分，太大則閾值太高，難以形成激光振蕩(3)染料溶液要有一定的穩(wěn)定性，包括保存時(shí)間，強(qiáng)光輻射和紫外光照射的影響，染料的氧化。2.影響染料調(diào)Q輸出特性的因素(1)染料濃度，提高濃度，脈沖峰值功率提高，同時(shí)泵浦閾值提高，激光效率降低，存在一個(gè)最佳濃度（或初始透過率）使激光器的輸出能量和閾值能量之比最大。(2)輸入能量與多脈沖的產(chǎn)生。(3)染料盒，其厚度越大，損耗越大，但厚度太小會(huì)影響流動(dòng)性和使用壽命。(4)諧振腔輸出鏡反射率，太高則反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累不充分，輸出峰值功率低，激光效率低；太低則無法形成調(diào)Q脈沖；理論計(jì)算表明可飽和吸收體的初始透過率應(yīng)約等于輸出反射率*。*參考：J.J.Zayhowski,andA.L.Wilson,"Short-pulsedNd:YAG/Cr4+:YAGpassivelyQ-switchedmicrochiplasers,"inConferenceonLasersandElectro-OpticsEurope(2003,paperCThF2)6.6.4LiF:F2-色心晶體（可飽和吸收）調(diào)Q(了解)某些色心晶體具有合適的吸收截面和上能級壽命，在較低的光強(qiáng)作用下，可進(jìn)入非線性的飽和狀態(tài)。按照二能級系統(tǒng)粒子模型，可飽和吸收體的飽和光強(qiáng)LiF色心晶體的優(yōu)點(diǎn)：使用簡便，光學(xué)質(zhì)量穩(wěn)定，不潮解，熱導(dǎo)率高，損傷閾值高。LiF色心晶體在0.96μm處有一強(qiáng)吸收峰，與Nd離子的發(fā)射波長吻合較好，可作為Nd:YAG和釹玻璃激光器的Q開關(guān)。實(shí)施例：作為Nd:YAG激光器的Q開關(guān)，在37.5J泵浦能量下，獲得脈沖寬度25ns，能量100mJ的輸出。以Cr4+:YAG晶體的出現(xiàn)為代表，使被動(dòng)調(diào)Q固體激光器走向?qū)嵱?，并促使大量產(chǎn)品問世。6.6.5二極管泵浦的被動(dòng)調(diào)Q激光器（了解）Cr4+:YAG晶體具有優(yōu)異的光學(xué)質(zhì)量，性能非常穩(wěn)定，很高的熱導(dǎo)率和抗損傷閾值，是理想的可飽和吸收材料Cr4+:YAG晶體的能級結(jié)構(gòu)Cr4+:YAG晶體可作為0.8μm-1.2μm激光的被動(dòng)Q開關(guān)。其它常用的可飽和吸收體還包括GaAs、SE