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激光调Q技术
产生背景
一般固体脉冲激光器输出的光脉冲不是单一的光滑脉冲,而是一群由宽度在微秒量级的强度不等的小尖峰脉冲组成的序列。这种光脉冲序列持续的时间长达几百微秒甚至几毫秒,其峰值功率也只有几十千万的水平,远远满足不了诸如激光雷达、激光测距、激光制导、高速摄影,以及激光核聚变等许多重要实际应用的要求。
因此,在1961年,就有人提出了调Q的概念,并于1962年制成了第一台调Q激光器。
调Q激光器的作用
调Q激光器的出现,使激光脉冲输出性能得到了几个数量级的改善,脉冲宽度压缩到纳秒级,峰值功率高达千兆瓦。这对于激光测距、激光雷达、激光加工和动态全息照相等应用的发展起到了决定性作用。同时,还对因强光所引起的光学现象的研究开辟了一系列新的学科方向。
激光谐振腔的品质因数Q
激光器的损耗可用品质因数Q值描绘。Q值的定义为
这一定义是由电子学中推广来的。
Q与谐振腔的单程总损耗的关系
光强I0在谐振腔中传播距离z后会减弱为
由于,上式可以改写为光子数密度的形式
体积为V的腔内存储的能量为
每振荡周期损耗的能量为
由品质因数的定义可得其与谐振腔的单程总损耗的关系为
此时表明谐振腔的损耗大,Q值低;损耗小,Q高。
调Q技术
激光调Q技术是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中,从而使激光光源的峰值功率提高几个数量级的一种技术。其目的就是压缩脉冲宽度,提高峰值功率。
调Q技术的关键
动态损耗:Q 开关处于关闭状态时,谐振腔应具有最大的损耗,以保证Q 开关打开之前没有激光产生;
插入损耗:Q 开关处于打开状态时,由开关本身引起的损耗应最小,一般会引入反射及散射损耗;
开关时间:Q 开关应有优异的开、关转换性能,快的开关时间, 将产生窄而且高功率峰值的脉冲;慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭;
同步性能: Q 开关应能够精确地控制,与外界信号保持同步。
电光调Q
电光调Q是利用晶体的电光效应作为Q开关的元件。
电光调Q装置示意图
利用晶体的电光效应,在晶体上加一阶跃式电压,调节腔内光子的发射损耗。开始工作时,晶体两端加一电压,由于晶体的偏振效应,谐振腔的损耗很大,Q值低,激光不振荡,激光上能级不断积累粒子数,Q开光处于关闭状态。某一特定时刻,突然撤去晶体两端电压,谐振腔突变至损耗低,Q值高,Q开关打开,形成巨脉冲激光。