【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)達(dá)到最大時(shí)，立即“打開”開關(guān)的效果最好。如果 Q開關(guān)打開早了，上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)尚未達(dá)到最大時(shí)就開始起振，顯然輸出的巨脈沖功率會降低，而且還可能出現(xiàn)多脈沖。如果延時(shí)過長，即 Q開關(guān)打開得遲了，則由于自發(fā)輻射等損耗，也會影響巨脈沖的功率。 上圖所示的為調(diào) Q工作程序的示意圖。其過程是：（ 1）先開主電源對電容 C充電，并接于氙燈電極，但不導(dǎo)通故不點(diǎn)燃；（ 2）開動(dòng)晶體電源給 KD*P晶體加電壓，使腔處于關(guān)閉狀態(tài)； 觸發(fā)器， 使氙燈點(diǎn)燃，給工作物質(zhì)以能量，使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累。但此時(shí)由于 KD*P晶體上加有 Vλ/4電壓，所以諧振腔損耗最大，不能形成激光振蕩。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的柵極上 (使之導(dǎo)通 )，將 KD*P晶體上的電壓瞬時(shí)退掉，使諧振腔 Q值突增，形成激光振蕩，輸山巨脈沖?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)，精確調(diào)節(jié)延時(shí)電路，宜到輸出激光最強(qiáng)為止。 （ 3）由單結(jié)晶體管振蕩器產(chǎn)生 一脈沖時(shí)標(biāo)信號 輸入到控制電路， 再由控制電路將該信號分別送往激光主電源，使其停止對電容充電， 同時(shí)輸送到 調(diào) Q激光器與普通脈沖激光器相比，它具有超臨界振蕩的持點(diǎn)，因此，對 Q開關(guān)器件、激光工作物質(zhì)、光泵浦燈以及耦合輸出條件等有一些新的要求。 設(shè)計(jì)電光調(diào) Q激光器應(yīng)考慮的問題 一、調(diào)制晶體材料的選擇 電光晶體的質(zhì)量對調(diào) Q性能起著很重要的作用，目前能夠獲得較高光學(xué)質(zhì)量的線性電光晶體材料還是有限的。 1 消光比要高； 2 透過率要高； 3 半波電壓要低；抗破壞閾值要高等。 二、調(diào)制晶體的電極結(jié)構(gòu) 電極的結(jié)構(gòu)形式及晶體接觸的好壞直接影響晶體內(nèi)電場的均勻性，一個(gè)極不均勻的電場可能導(dǎo)致器件失去調(diào) Q效應(yīng)。因此， 晶體內(nèi)具有均勻的電場是設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)的基本出發(fā)點(diǎn) 。 需要有高質(zhì)量的 激光工作物質(zhì) ，具備儲能密度高的性能，還要求有較高的抗強(qiáng)光破壞閾值，能承受較高的激光功率密度。 三、對激光工作物質(zhì)的要求 四、對光泵浦燈的要求 要求泵浦燈的發(fā)光時(shí)間（脈沖波形的半寬度）必須小于工作物質(zhì)的熒光壽命（激光上能級壽命）。 但是，燈光半波寬度太窄，燈的效率又會降低，故應(yīng)根據(jù)激光工作物質(zhì)，選擇二者匹配比較好的泵燈。 五、對 Q開關(guān)控制電路的要求 要獲得最佳的調(diào) Q效果， 要求 Q開關(guān)速度要快 ，必須精確設(shè)計(jì)各部分電路，使其能很好地協(xié)調(diào)。 一、聲光調(diào) Q的基本原理 聲光 Q開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)，由聲光介質(zhì)、電 聲換能器、吸聲材料和驅(qū)動(dòng)電源組成。其裝置示意圖如圖所示。 聲光調(diào) Q sin ?B＝ λ / (2 n λs ) H2O、熔融石英、聚苯乙烯、 KRS、 TiO LiF、 Al2O aHIO玻璃、鉬酸鉛 石英、鈮酸鋰 鉛橡膠或玻璃棉 aLL0?z光波 波陣面 聲波波陣面 01?1?2?2?xz聲光介質(zhì)主要采用熔融石英、玻璃、鉬酸鉛等。換能器常采用石英、鈮酸鋰等晶體制成。吸聲材料常用鉛橡膠或玻璃棉等。把聲光 Q開關(guān)器件插入諧振腔內(nèi)，當(dāng)聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號加在聲光調(diào)Q器件的換能器上時(shí)，在聲光介質(zhì)中，使折射率發(fā)生變化，形成等效的“相位光柵”，當(dāng)光束通過聲光介質(zhì)時(shí)，便產(chǎn)生布拉格衍射。衍射光相對于 0級光有 2θ角的偏離 (如當(dāng)超聲頻率在 20～ 50MHz范圍時(shí)，石英對 ～ )，這一角度完全可以使光波偏離出腔外，使諧振腔處于高損耗低 Q值狀態(tài)，不能產(chǎn)生振蕩，或者說 Q開關(guān)將激光“關(guān)斷”。 當(dāng)高頻信號的作用突然停止，則聲光介質(zhì)中的超聲場消失，于是諧振腔又突變?yōu)楦?Q值狀態(tài)，相當(dāng)于 Q開關(guān)“打開”。 Q值交替變化一次，就使激光器輸出一個(gè)調(diào) Q脈沖。 二、聲光調(diào) Q器件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì) 被動(dòng)式可飽和吸收調(diào) Q 前面介紹的都是主動(dòng)式調(diào) Q方法，即是 人為地利用某些物理效應(yīng)來控制激光諧振腔的損耗，從而達(dá)到 Q值的突變。 這里將介紹一種被動(dòng)式 Q開關(guān)，即 利用某些可飽和吸收體本身特性，能自動(dòng)地改變 Q值的一種方法。 一、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)，即其吸收系數(shù)并不是常數(shù)，當(dāng)在較強(qiáng)激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減小直至飽和，對光呈現(xiàn)透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數(shù)。 α0為光強(qiáng)很小 (I→0) 時(shí)的吸收系數(shù)； Is為染料的飽和吸收光強(qiáng) 式中， α0為光強(qiáng)很小 (I→0) 時(shí)的吸收系數(shù)； Is為染料的飽和吸收光強(qiáng)，其大小與染料的種類和濃度有關(guān)，一般來說，染料的濃度增加， Is值也增加； I為入射光強(qiáng)。由上式可以看出， 當(dāng) I Is 時(shí)，吸收系數(shù)趨于零，染料對通過的光束于是變?yōu)橥该鳌? (圖為染料透過率與光功率密度的關(guān)系，透射率 = 1 吸收率） 染料透過率與光功率密度的關(guān)系 那么，將具有這種性能的染料 (溶液或固態(tài)片 )置于諧振腔內(nèi)時(shí) 開始，腔內(nèi)自發(fā)熒光很弱，染料吸收系數(shù)很大，使光的透過率很低，腔處于低 Q值 (高損耗 )狀態(tài)，故不能形成激光振蕩。隨著光泵的繼續(xù)作用反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的積累，腔內(nèi)熒光逐漸變強(qiáng)，當(dāng)光強(qiáng)能與 Is相比擬時(shí)，染料的吸收系數(shù)變小，透過率逐漸增大，到一定數(shù)值時(shí)，染料吸收達(dá)到飽和（吸收最小）值，突然被“漂白”而變得透明了，這時(shí)腔內(nèi) Q值猛增，產(chǎn)生激光振蕩輸出調(diào) Q激光脈沖。 泵浦一定是脈沖式 染料調(diào) Q激光器 因?yàn)楸闷质敲}沖式的，腔內(nèi)光場迅速減弱（ I→0) ，因而染料又恢復(fù)了吸收特性（透過很?。鸬綄⑶魂P(guān)閉的作用，然后再重復(fù)以上的過程。 影響調(diào) Q效果的因素 主要討論吸收體、輸入能量、吸收體濃度對調(diào) Q效果的影響。 1. 染料吸收體 吸收體是染料 Q開關(guān)的核心，它對調(diào) Q的效果影響最大。因此合理的選擇染料很重要，并不是什么樣的染料都可以做調(diào) Q開關(guān)，而且不同的工作物質(zhì)所需要的染料不同。染料需滿足下面條件： （ 1）吸收體的吸收峰和激光器的中心波長對應(yīng) BDN染料（ YAG:Nd3+)、葉綠素和甲醇溶劑 (Al2O3:Cr3+) （ 2）染料配成溶液要具有一定的穩(wěn)定性。 （ 3）選擇的染料必須有高的開關(guān)效率。 (4) 染料有適當(dāng)?shù)娘柡凸鈴?qiáng)。 Is太小，很容易漂白； Is太大，不易飽和，開關(guān)速度慢。 ? 2. 染料濃度的影響 （ 1）染料濃度大 初始飽和光強(qiáng)大，因此染料從初態(tài)到飽和需要的時(shí)間 長，即延遲時(shí)間長。 如果染料濃度過大，飽和光強(qiáng)大，腔內(nèi)的光強(qiáng)不能使 染料達(dá)到飽和，這時(shí)染料起不到 Q開關(guān)的作用。 （ 2）染料的濃度小 濃度小，初始飽和光強(qiáng)小，延遲時(shí)間短 — 初始反轉(zhuǎn)粒 子數(shù)小，輸出功率小。由于 Q開關(guān)打開的時(shí)間早，容 易出現(xiàn)多脈沖。如果濃度過小，則實(shí)際上是尖峰振蕩。 結(jié)論：在一定的輸入能量下，存在一個(gè)最佳濃度，延遲時(shí)間正好使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值。此時(shí)激光器輸出單脈沖，峰值功率最高。 ? 3. 輸入能量 一定的輸入能量對應(yīng)一個(gè)最佳濃度。輸入能量改變，最佳濃度變，當(dāng)輸入能量增加時(shí)，最佳濃度向著濃的方向移動(dòng)。因?yàn)檩斎肽芰康淖兓?，相?dāng)于腔內(nèi)光強(qiáng)變化，延遲時(shí)間變化， 變。 ? 4. 染料盒的影響 最佳濃度 N一定， 若 l（盒的厚度）變，則 一定時(shí)（ 一定），最佳濃度N變， l 小， N大，對于穩(wěn)定的脈沖輸出是有利的。溶劑的比例小，因此溶劑的吸收損耗小。一般盡量選薄一些的染料盒（ 1mm左右）。 ? 反射率 R大，腔內(nèi) u高； R小，腔內(nèi) u小（在相同輸入能量下， R大延遲時(shí)間短）。 R對延遲時(shí)間有影響。 R比靜態(tài)激光器低，使延遲時(shí)間更長，利于 的積累。 n?()() 1 vNlvAe s???()0 vA()vAn?染料 Q開關(guān)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 。這種 Q開關(guān)只要配好溶液放在染料盒內(nèi)，或做成染料片成品。放諧振腔中即可。而電光調(diào)Q中還需要一套電路系統(tǒng)控制 Q開關(guān)。 。染料 Q開關(guān)屬于快開關(guān)。一般 109nS量級。 益的調(diào)諧。 。在中心頻率附近的模式，增益高，先振蕩，消耗；而增益低的模式被抑止（在漂白前）。漂白后，其他模能夠振蕩。 缺點(diǎn)： 。不需要同步裝置 — 簡單，但要得到很好的調(diào) Q效果需要經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)。而實(shí)際要求和 Q開關(guān)激光器同步，染料 Q開關(guān)不能使用。 。染料的溶液不穩(wěn)定，影響輸出的功率不穩(wěn)定。 能很大。因?yàn)槿玖险{(diào) Q激光器實(shí)際上在閾值附近工作。因此染料 Q開關(guān)激光器適用于同步精度要求不高，穩(wěn)定性要求不高的實(shí)際應(yīng)用。 綜上所述，調(diào) Q激光器的工作方式是多種多樣的，且都具有各自的特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用中可以選用，現(xiàn)歸納如下： (１ )電光晶體調(diào) Q 由于其開關(guān)時(shí)間主要取決于電路的高壓脈沖上升和退壓時(shí)間，一般都能做到小于脈沖建立時(shí)間，故屬于 快開關(guān)類型 。它能產(chǎn)生窄脈沖，且同步性能好，使用壽命長，輸出巨脈沖 穩(wěn)定。可獲得峰值功率為幾十兆瓦以上、脈寬為十幾納秒的巨脈沖，故 是目前應(yīng)用最廣泛的一種 Q開關(guān) ，其主要缺點(diǎn)是半波電壓較高，需要幾千伏的高壓脈沖，對其他電子線路易造成干擾。 (２ )聲光調(diào) Q 其開關(guān)時(shí)間小于脈沖建立時(shí)間，屬于 快開關(guān)類型 。開關(guān)的調(diào)制電壓只需一百多伏，易與連續(xù)激光器配合調(diào) Q，可獲得 kHz高重復(fù)頻率的巨脈沖，且脈沖的重復(fù)性好，可獲得峰值功率為幾百千瓦，脈寬約為幾十納秒的巨脈沖。但由于它對高能量激光器的開關(guān)能力較差，所以， 只能用于低增益的連續(xù)激光器上。 (３ )可飽和吸收體調(diào) Q 這是 一種被動(dòng)式的快開關(guān)類型 ，這種 Q開關(guān) 結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，沒有電的干擾 ，可獲得峰值功率為幾兆瓦、脈寬為十幾納秒的巨脈沖。其主要缺點(diǎn)是，由于它是一種被動(dòng)式 Q開關(guān)，產(chǎn)生調(diào) Q脈沖的時(shí)刻有一定的隨機(jī)性，不能人為地控制。另外， 染料易變質(zhì)，需經(jīng)常更換，輸出不穩(wěn)定。 由于它能使脈沖的持續(xù)時(shí)間壓縮到皮秒（ ps,1012s）量級，所以也稱為超短脈沖技術(shù)，從 60年代到 70年代，超短脈沖技術(shù)（包括主動(dòng)鎖模、被動(dòng)鎖模、同步泵浦鎖模等相應(yīng)的測量技術(shù)）得到了迅速的發(fā)展。 70年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室 Shank和 Ippen使脈沖寬度達(dá)到亞皮秒 (1013s)量級。從 1974年來 , Haus 從事鎖模理論的研究。 1981年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的 ，并在六鏡環(huán)形腔中實(shí)現(xiàn)了碰撞鎖模，得到穩(wěn)定的 90fs的光脈沖序列。 90年代，自鎖模技術(shù)的出現(xiàn)，在鈦藍(lán)寶石自鎖模激光器中得到了 沖序列。鎖模技術(shù)能產(chǎn)生脈寬為飛秒（ fs,1015s）、峰值功率為太瓦（ TW,1012W）以上的超短脈沖，為物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及光譜學(xué)等學(xué)科對微觀世界和超快過程的研究提供了重要手段。 雅里夫 ,1964年他和他的博士生在世界上首先提出了壓縮脈寬、提高功率的新機(jī)制 鎖模理論，并且首先作出了鎖模脈沖序列，開創(chuàng)了超短脈沖激光研究。 激光 鎖 模技術(shù) Amnon Yariv 自鎖模 (被動(dòng)鎖模 ) 討論 超短脈沖激光器的原理、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)的方法 ，幾種 典型的鎖模激光器及有關(guān)的超短脈沖技術(shù) ，如超短脈沖脈寬的測量方法、超短脈沖的壓縮技術(shù)等。 為了更好地理解鎖模的原理，先討論未經(jīng)鎖 模 的多縱模自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出特性。腔長為 L的激光器，其 1)縱模的頻率間隔 自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個(gè)超過閾值的縱模，如圖所示。這些模的振幅及相位都不固定， 一、多模激光器的輸出特性 自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光器的輸出一般包含若干個(gè)超過閾值的縱模，如圖所示。這些模的振幅及相位都不固定，激光輸出隨時(shí)間的變化是它們無規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時(shí)間平均的統(tǒng)計(jì)值。 N=11 熒光光譜 假設(shè)在激光工作物質(zhì)的凈增益線寬內(nèi)包含有 N個(gè)縱模，那么激光器輸出的光波電場是 N個(gè)縱模電場的和，即 和頻率描述的非鎖模激光脈沖和完全鎖模激光脈沖兩種情況的圖形。在頻率域內(nèi)光脈沖可以寫為 式中， q＝ 0， ? 1， ? 2， … ， ? N是激光器內(nèi) (2N+1)個(gè)振蕩模中第 q個(gè)縱模的序數(shù)；