【正文】 0E0I(t) 0E(t)v3=3 v1, v2=2 v1， 初相位無規(guī)律v3v2 v1未鎖相前的三個(gè)光波的疊加 B C D G Etime3 E02 /2 但若設(shè)法使 ? 1 = ? 2 = ? 3 =0時(shí)，有 E1 = E0cos(2πν1 t) E2 = E0cos(4πν1 t) E3 = E0cos(6πν1 t) 9E029E02321 t1/ v10 2/ (3v1)1/ (3v1)E0E00I (t )E (t ) v3=3 v1, v2=2 v1， 初位相相同 (0 )v3 v2v1三個(gè)光波的相位鎖定 當(dāng) t=0 時(shí) , E = 3E0, E2 = 9E02。 nlcqq 21 ?? ???先看三個(gè)不同頻率光波的疊加： Ei = E0cos(2π νi t+ ? i ) i=1,2,3 設(shè)三個(gè)振動(dòng)頻率分別為 ν1 、 ν2 、 ν3 的三個(gè)光波沿同一方向傳播，且有關(guān)系式： ν3=3ν1， ν2= 2ν1 , E1 = E 2 =E3 = E0 若相位未鎖定，則此三個(gè)不同頻率的光波的初位相 ? 1 、? 2 、 ? 3 彼此無關(guān)，如左圖，由于 破壞性的干涉疊加 ，所形成的光波并沒有一個(gè)地方有很突出的加強(qiáng)。 如果采用適當(dāng)?shù)拇胧┦惯@些各自獨(dú)立的縱模在時(shí)間上同步，即把它們的 2)相位相互聯(lián)系起來，使之有一確定的關(guān)系 (φq+1 φq＝常數(shù) )，那么就會(huì)出現(xiàn)一種與上述情況有質(zhì)的區(qū)別而有趣的現(xiàn)象；激光器輸出的將是脈寬極窄、峰值功率很高的光脈沖，如圖所示。當(dāng)脈沖帶寬△ ω比平均光頻 ω0窄，在時(shí)域內(nèi)光脈沖可以寫成 式中， A(t)是脈沖的振幅；是 φ(t)相位。 ωq及 φq是縱模序數(shù)為 q的模的角頻率及相位。 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(chǎng)是 N個(gè)縱模電場(chǎng)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。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。 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。 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。 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。從 1974年來 , Haus 從事鎖模理論的研究。 由于它能使脈沖的持續(xù)時(shí)間壓縮到皮秒（ ps,1012s）量級(jí)，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(cè)量技術(shù)）得到了迅速的發(fā)展。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。但由于它對(duì)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。 (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 。它能產(chǎn)生窄脈沖，且同步性能好，使用壽命長(zhǎng)，輸出巨脈沖 穩(wěn)定。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。 能很大。 。不需要同步裝置 — 簡(jiǎn)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)。漂白后，其他模能夠振蕩。 。一般 109nS量級(jí)。 。放諧振腔中即可。 n?()() 1 vNlvAe s???()0 vA()vAn?染料 Q開關(guān)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 。 R對(duì)延遲時(shí)間有影響。一般盡量選薄一些的染料盒（ 1mm左右）。 ? 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(duì)于穩(wěn)定的脈沖輸出是有利的。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)。此時(shí)激光器輸出單脈沖，峰值功率最高。如果濃度過小，則實(shí)際上是尖峰振蕩。 （ 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。 ? 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(zhǎng)，即延遲時(shí)間長(zhǎng)。 (4) 染料有適當(dāng)?shù)娘柡凸鈴?qiáng)。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(zhǎng)對(duì)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。 1. 染料吸收體 吸收體是染料 Q開關(guān)的核心，它對(duì)調(diào) Q的效果影響最大。 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(chǎng)迅速減弱（ I→0) ，因而染料又恢復(fù)了吸收特性（透過很?。?，起到將腔關(guān)閉的作用，然后再重復(fù)以上的過程。 (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。 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)。 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。 Q值交替變化一次，就使激光器輸出一個(gè)調(diào) Q脈沖。衍射光相對(duì)于 0級(jí)光有 2θ角的偏離 (如當(dāng)超聲頻率在 20～ 50MHz范圍時(shí)，石英對(duì) ～ )，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”。吸聲材料常用鉛橡膠或玻璃棉等。 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。 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。 但是，燈光半波寬度太窄，燈的效率又會(huì)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。 需要有高質(zhì)量的 激光工作物質(zhì) ，具備儲(chǔ)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。 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(chǎng)的均勻性，一個(gè)極不均勻的電場(chǎng)可能導(dǎo)致器件失去調(diào) Q效應(yīng)。 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(duì)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?？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。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。 上圖所示的為調(diào) Q工作程序的示意圖。如果 Q開關(guān)打開早了，上能級(jí)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(huì)降低，而且還可能出現(xiàn)多脈沖。 V?/4 待激光上能級(jí)反轉(zhuǎn)的粒子數(shù)積累到最大值時(shí)，突然撤去晶體上的 λ ／ 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。 如果在 調(diào)制晶體上施加 λ／ 4電壓 ，由于縱向電光效應(yīng)，當(dāng)沿 x方向的線偏振光 通過晶體后，兩分量之間便產(chǎn)生 π／ 2的相位差，則從晶體出射后合成為相當(dāng)于圓偏振光；經(jīng)全反射鏡反射回來，再次通過調(diào)制晶體，又會(huì)產(chǎn)生 π ／ 2的相位差，往返一次總共累積產(chǎn)生 π 相位差 ，合成后得到 沿 y方向振動(dòng)的線偏振光 ，相當(dāng)于偏振面相對(duì)于入射光旋轉(zhuǎn)了 900，顯然，這種偏振光不能再通過偏振棱鏡，此時(shí)，電光 Q開關(guān)處于 “關(guān)閉” 狀態(tài)。//x快 輸出 Nd:YAG晶體，偏振器采用方解石空氣隙格蘭 —付克棱鏡，調(diào)制晶體用 KD*P(磷酸二氘 鉀 )晶體，它是 z00切割的 (使通光面與 z軸垂直 )，利用其 γ63的縱向電光效應(yīng)。xV輸入 LVE ?KDP 起偏 檢偏 )39。 電光調(diào) Q 下圖所示是電光晶體調(diào) Q裝置的工作原理圖。 利用某些晶體的電光效應(yīng)可以做成電光 Q開關(guān)器件。線性開關(guān)函數(shù)的解與階躍式開關(guān)函數(shù)的解沒有本質(zhì)的差別， 不同之處只在于脈沖建立時(shí)的延遲時(shí)間，前者比后者多了開關(guān)時(shí)間 ts 。若腔內(nèi)損耗與時(shí)間呈線性函數(shù)的關(guān)系加圖所示，其調(diào) Q特性也有不同，根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究表明：設(shè)臨界振蕩點(diǎn)定為 t＝0的點(diǎn)，那么 t=ts就可理解為腔損耗從最大 (A點(diǎn) )減到最小 (B點(diǎn) )所需的時(shí)間。 tinn??tinn?? 所以在設(shè)計(jì)調(diào) Q激光器時(shí)，應(yīng)盡可能地提高光泵的抽運(yùn)速率以增大△ ni,；同時(shí)要選擇效率較高的激光工作物質(zhì)和合適的諧振腔結(jié)構(gòu)以減小△ nt和其他損耗。從上述速率方程的解可以看出， 在調(diào) Q激光器中， 是一個(gè)極為重要的參量 ， 它直接影響到輸出功率和脈沖寬度，亦即影響到總體效率 。 tinn??脈沖寬度Δt 與 的關(guān)系 tinn??脈沖寬度Δt 與 的關(guān)系 tinn?? 調(diào) Q脈沖波形與 Δni/ Δnt 上圖給出了幾種不同初始值時(shí)的計(jì)算結(jié)果。 )1(0ndnnd nnti????? ?? ?????3．調(diào) Q脈沖的時(shí)間特性 ndnndt Rt ????? ?21???????????????????nnittitiRinnnnnnnnndt)]ln(21[21?????????????????nnittiRinnnnnnnndt)ln(?這個(gè)積分方程不易直接得出解析解，但可以根據(jù)已給的初始值 ， 利用數(shù)值積分來求得 Δt的數(shù)值解，其結(jié)果列于下表。39。 下面再討論一下調(diào) Q脈沖的脈寬和波形問題。下圖示出 η和△ nf /△ ni 與△ ni /△ nt的關(guān)系。 由公式 知輸出光子的峰值功率 （最大數(shù)目）與 △ ni / △ nt的比值有關(guān)。因此， 調(diào) Q脈沖（三能級(jí)系統(tǒng)）的總能量可由下式?jīng)Q定 ： 在 t＝ 0時(shí)刻， △ n到達(dá)最大值△ ni ，而受激輻射光子數(shù)為零，即 ? ＝ ?i＝ 0 ? f △ nf ? f △ nf △ nf 因?yàn)?? f =0，所以 2．調(diào) Q脈沖的能量及能量利用率 通?！?ni △ nf ，所以由式可以看出，調(diào) Q脈沖能量隨參量△ ni 的變大而線性增加。因此 提高初始粒子反轉(zhuǎn)數(shù)△ ni與閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù)△ nt之比值有利于腔內(nèi)最大光子數(shù) ?m的提高。 nnnnnnnndd ttt?????????????? 22)1(?RtRtnndtndnndtd??????????????2)1(利用泰勒級(jí)數(shù)展開后，得近似式