【正文】 調(diào) Q 脈沖從振蕩開(kāi)始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時(shí)間 t?（也就是 Q 開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的持續(xù)時(shí)間）。 由圖還可看出，調(diào) Q 脈沖的建立還有個(gè)過(guò)程，當(dāng) Q 值階躍上升時(shí)開(kāi)始振蕩，在 0tt?振蕩開(kāi)始建立至以后一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程中，光子數(shù) ? 增長(zhǎng) 十分緩慢，如圖 所示，其值總是很小（ i??? ），受激輻射幾率很小，此時(shí)仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢(shì)。在泵浦過(guò)程的大部分時(shí)間里諧振腔處于低 Q 值（ 0Q ）狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級(jí)的粒子數(shù)不斷積累，直到 0t 時(shí)刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到最大值 in? ，在這一時(shí)刻， Q 值突然升高（損耗下降），振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開(kāi)始建立。 調(diào) Q 激光脈沖的建立過(guò)程，各參量隨時(shí)間的變化情況，如圖 所示。 3) 調(diào) Q 激光的建立 （ ） 6 調(diào) Q 技術(shù)就是通過(guò)某種方法（如改變損耗）使腔的 Q 值隨時(shí)間按一定程序變化的技術(shù)。當(dāng)積累到最大值，突然使腔內(nèi)損 耗變小，Q 值突增。由（ ）式和（ ）式可見(jiàn)，當(dāng) ? 和 L 一定時(shí)， Q 值與諧振腔損耗成反比，即損耗大， Q 值就低，閾值高，不易起振；當(dāng)損耗小， Q 值就高，則閾值低，易于起振。由此，光在腔內(nèi)每秒鐘損耗的能量為 /WnLc? 。用 W 表示腔內(nèi)存圖 Q開(kāi)關(guān)激光脈沖建立過(guò)程 儲(chǔ)的能量 ,δ表示光在腔內(nèi)傳播單次能量的損耗率，那么光在 一個(gè)單程中的能量損耗為δ W。 2) 調(diào) Q 的原理 5 從激光產(chǎn)生的原理得知，激光器振蕩的閾值條件可以表示為 thn? ≥211cgA ? () 而2c Q? ??? ，所以 thn? ≥212gAQ? () 式中 g 是模式數(shù)目， 21A 是自發(fā)輻射幾率， c? 是光子在腔內(nèi)的壽命。如此，激光器的能量分散在這樣一串脈沖中，因而不可能有很高的峰值功率，這是因?yàn)橥ǔ５募す庵C振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到或略超過(guò)閾值時(shí)，激光器便開(kāi)始振蕩，于是激光上能級(jí)的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級(jí)不能積累很大的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值 反轉(zhuǎn)數(shù)附近 [7]。 2: 調(diào) Q 技術(shù)原理 1) 調(diào) Q 的意義 普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，是由許多振幅、脈寬和間隔作 隨機(jī)變化的尖峰脈沖組成的，如圖 。這一切都是以之前所述的原子系統(tǒng)受激吸收 —— 受激輻射一系列機(jī)制為根據(jù)的。使頻率適中的電磁波入射到該“反轉(zhuǎn)”的 4 激光材料上，入射光子將使高能級(jí)的原子降落回低能級(jí)而發(fā)射出附加的光子，形成光波放大。有這種輻射過(guò)程產(chǎn)生的光便是激光 [7]。 （ 3）受激輻射 在光的受激吸收過(guò)程的同時(shí)，還有一個(gè)相反的過(guò)程，即當(dāng)原子受到外來(lái)的能量為 hγ21的光子照射時(shí)，如果 hγ21=E2E1，則處在高能態(tài) E2上的原子也會(huì)受到外來(lái)的能量為 hγ21的光子的誘發(fā)，而從高能態(tài) E2躍遷到低能態(tài) E1上去。 原子的受激吸收幾率與外來(lái)的光輻射能量密度ρ (ν )的數(shù)值大 小有關(guān)，ρ (ν )越大，幾率 W12 就越大。即原子自發(fā)輻射是完全隨機(jī)的，各個(gè)原子在自發(fā)躍遷中彼此無(wú)關(guān)，這樣產(chǎn)生的自發(fā)輻射光在相位、偏振態(tài)以及傳播方向上都是雜亂無(wú)章的，光能量分布在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)。這種在沒(méi)有外界作用的情況下，原子從高能態(tài)向低能態(tài)的躍 3 遷方式有兩種：一種是在躍遷過(guò)程中，釋放的能量以熱量的形式放出，這稱為無(wú)輻射躍遷；另一種躍遷過(guò)程中，釋放出的能量是通過(guò)光輻射的形式放出，這稱為自發(fā)輻射躍遷?？梢哉f(shuō)，處于基態(tài)的原子，從外界吸收能量以后，將躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。在熱平衡時(shí)，材料中處于下能態(tài)的原子數(shù)遠(yuǎn)比上能態(tài)的多，電磁波與其發(fā)生作用，能使原子從低能級(jí)上升到高能級(jí)。采用 PKD* 電光晶體進(jìn)行電光調(diào) Q，可實(shí)現(xiàn) ns 級(jí)脈寬激光的輸出 二 : 實(shí)驗(yàn)原理 （一） : 激光原理簡(jiǎn)介 1：激光原理 （ 1）自發(fā)輻射 根據(jù)已知的理論，原子只能存在分立的能態(tài)，處在不同能態(tài)的原子具有不同的能量。 本裝置的準(zhǔn)直光源采用 650nmLD 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 HeNe 激光器，具有體積小、使用安全、調(diào)節(jié)方便、光強(qiáng)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，采用內(nèi)置三角導(dǎo)軌，具有良好的穩(wěn)定性。使學(xué)生全面了解激光原理和激光技術(shù)，掌握電光調(diào) Q 系統(tǒng)的調(diào)試方法。 1 DGTQ 型 固體激光器綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 2 固體激光器綜合實(shí)驗(yàn) 一 . 主要功能和特點(diǎn) 此套系統(tǒng)適用于光信息科學(xué)與技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)、應(yīng)用物理等相關(guān)專業(yè)。可測(cè)量閾值、轉(zhuǎn)換效率，倍頻效率等參量，開(kāi)設(shè)電光調(diào) Q，選模等實(shí)驗(yàn)。 電光調(diào) Q 固體脈沖激光器外罩機(jī)殼，整體美觀大方，并可保護(hù)內(nèi)部裝置。所有器件均采用標(biāo)準(zhǔn)件，互換性強(qiáng)，并且都可以拆卸，便于學(xué)生動(dòng)手裝調(diào)。本裝置采用脈沖氙燈泵浦 Nd3+:YAG 輸出1064nm 激光，經(jīng)倍頻后可以輸出 532nm 激光。若 原子處于內(nèi)部能量最低的能量狀態(tài)，稱此原子處于基態(tài)，其它比基態(tài)能量高的狀態(tài)，都叫做激發(fā)態(tài)。這種原子在兩個(gè)能級(jí)之間的變化叫做躍遷。 在高能態(tài)上的原子是不穩(wěn)定的，它總是力圖使自己處于最低的能量狀態(tài)；即使在沒(méi)有任何外界作用的情況下，它也有可能從高能態(tài) 2E 躍遷到低能態(tài)并把相應(yīng)的能 量釋放出來(lái)。輻射的光子能量滿足波爾關(guān)系： ?hEE 12 ?? 1 （ ） 圖 自發(fā)輻射 圖 受激吸收 圖 受激 輻射 原子自發(fā)輻射的特點(diǎn)是原子的自發(fā)輻射幾率 A21只與原子本身性質(zhì)有關(guān)，與外界輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)。 （ 2）受激吸收 當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來(lái)的能量為 hγ21 的光子照射時(shí)，如果 hγ21=E2E1，則處于低能態(tài) E1上的原子受到激發(fā)，躍遷到高能態(tài) E2上去，同時(shí)吸收一個(gè)能量為 hγ21的光子，這種過(guò)程稱為光的受激吸收。所以，與自發(fā)輻射幾率不同，原子的受激吸收幾率是隨ρ (ν )而變化的。這時(shí)原子將發(fā)射一個(gè)和外來(lái)光子能量相同的光子，這種過(guò)程叫做受激輻射。 在激光器中，外部泵浦源使激光材料中的粒子（原子）從低能態(tài)躍遷到 高能態(tài)，即泵浦輻射導(dǎo)致“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。最終，能量從原子系統(tǒng)萃取出來(lái)，供給到輻射場(chǎng)。 簡(jiǎn)言之，當(dāng)材料受到激勵(lì)，使得它的原子（分子）在高能級(jí)的分布多于低能級(jí)時(shí)，該材料就能夠以與能級(jí)差相應(yīng)的頻率使輻射放大，從而產(chǎn)生激光 [7]。 圖 靜態(tài)激光脈沖中的遲豫振蕩 每個(gè)尖峰的寬度約為 s，間隔為微秒量級(jí)，脈沖序列的長(zhǎng)度大致與閃光燈泵浦時(shí)間相等，這種現(xiàn)象稱為激光器遲豫振蕩。 調(diào) Q 能夠抑制弛豫振蕩，將輸出激光的脈寬從微秒量級(jí)壓縮到納秒量級(jí)，從而大大提高峰值功率。我們引入品質(zhì)因數(shù) Q，將它定義為 [8] 02Q ?? ??? ????腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量每秒損耗的能量 式中， 0? 為激光的中心頻率。設(shè) L 為腔長(zhǎng)， n 為介質(zhì)折射率，c 為光速，則光在腔內(nèi)走一單程所需的時(shí)間為 nL/c。這樣， Q 值就可表示為 0 022 /W n LQ W c n L ??? ? ???? 式中， 0? 為真空中激光中心波長(zhǎng)。由此提高振蕩閾值，振蕩不能形成，使激光工作物質(zhì)上能級(jí)的粒子數(shù)大量積累。這時(shí)，腔內(nèi)會(huì)像雪崩一樣以極快的速度建立起極強(qiáng)的振蕩，在短時(shí)間內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，并在輸出鏡一端輸出一個(gè)極強(qiáng)的激光脈沖，我們稱之為巨脈沖。在泵浦開(kāi)始時(shí)使腔處于低 Q 值狀態(tài)，即提高振蕩閾值使振蕩不能形成，上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)就可以大量積累，能量可以儲(chǔ)存的時(shí)間決定于激光上能級(jí)的壽命；當(dāng)積累到最大值（飽和值）時(shí)，突然使腔的損耗減少， Q 值突增，激光振蕩迅速建立起來(lái)，在極短的時(shí)間 內(nèi)上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)榍粌?nèi)的光能量，從腔的輸出端以單一脈沖形式釋放出來(lái)，于是就獲得