【正文】 咱們首 先來 理解一下 關(guān) 于 Q 值的含義，在無線電技術(shù)里 Q 值 是指 一個電學(xué)的諧振回路的品質(zhì) 要素 ，它 以為 著一個回路的電能損耗 狀況 ， Q 越小， 那么這個 回路的 功能即 品質(zhì)就越好。 如果 諧振腔的損耗越大， 那么 激光器的闕值 就會 越高，反之 也是一樣 。 下面 咱們 再 看一下 調(diào) Q 的 詳細(xì) 方法 和怎么 通過調(diào) Q 得到 高功率激光脈沖 的原理 。 如 圖 (a)中 所示 Q 開關(guān)處于 封鎖的工作 狀態(tài)， 5 這樣 開關(guān) 無法通過從 工作物質(zhì)發(fā)出的光， 所以 諧振腔 會有很高 的損耗闕值 ，同樣 很高 的還有 諧振腔的閉值粒子反轉(zhuǎn)數(shù) N。 當(dāng)然， 為了 將較 強的激光脈沖 得到 ，上能級積累的粒子越多越好， 但是這樣的 積累時間 不是無限的 ， 由于 粒子在上能級 只可以有 一定 時間的 停留， 所以 它有一定的壽命 (稱為熒光壽命 )。這種情況下 應(yīng) 該想方法馬上將 Q 開關(guān)打開， 那么 開關(guān) 將不會阻止 工作物質(zhì)發(fā)出的光 的 通過，損耗降到 非常 低，團(tuán)值粒子反轉(zhuǎn)數(shù)同樣非常 低。 這時 ，激光上、下能級間工作物質(zhì)的 偶爾 的 自發(fā) 輻射，便會 快速 增長在諧振腔內(nèi)， 進(jìn)而 上能級的粒子數(shù) 絕大部分全都 極快地感應(yīng) 而且 躍遷下來， 最后 一束持續(xù)時間極短 (約為 108一 104秒 )的 強激光脈沖 被 形成， 這個脈 沖光強 通常 可 以 達(dá) 到 數(shù)兆瓦以上。 理論上， 咱們 可 以將 調(diào) Q 形成激光巨脈沖的過程用數(shù)學(xué)來描述。在激光形成的過程中， 設(shè)定 工作物質(zhì)的增益系數(shù)為 g0， 通過激光原理 可以知道 粒子反轉(zhuǎn)數(shù)及受激輻射截面 和 g0成正比， 故而 在諧振腔內(nèi)光子一個單程的放大量是 : 0g Nl? ? ?? () 其中 諧振腔內(nèi)的光子數(shù)密度 為 ? ； 工作物質(zhì)的受激輻射截面 為 ? ； 工作物質(zhì)的長度 為 l。 因為 存在損耗， 這種情況下 內(nèi)腔中單位時間光子數(shù)的衰減量 : CtL?? ? ??? () 6 其 中諧振腔的單程損耗 是 ? ，它 相關(guān)于 Q 開關(guān)的形式 、 部分反射鏡的反射率 和 制作質(zhì)量等。 故而 單位時間內(nèi)在受激輻射過程中減少的反轉(zhuǎn)粒子數(shù) dNdt ： 2dN Cl Ndt L? ??? （ ） ()和 ()就是 咱們想要設(shè)定 的 Q 開關(guān)激光的速率方程。 不過 可 以運 用逐逼近法 獲得 精確的數(shù)值，或者是在一些 近似條件下得 到 近似解。 圖（ a） 8 圖（ b） 圖（ c） 圖（ d） 圖（ e） 圖 Q 原理裝置示意圖 （ a)轉(zhuǎn)鏡調(diào) Q （ b)電光調(diào) Q （ c)染料調(diào) Q （ d)受抑全內(nèi)反射調(diào) Q 原理圖 （ e)聲光調(diào) Q 同樣，依照 激光介質(zhì)的 差別 飛秒激光器 大抵 可 以 分 成 四類 ：應(yīng)用無機 染料 當(dāng)做 介質(zhì)的飛秒激光器是第一類 ，它能夠按照 染料 的差別射出 波長 也具有差異的 飛秒脈沖 ,紫外到紅外波段 均是它的影響范圍 。 應(yīng)用 摻 Ti:A1203 和 鎂橄欖石等固體 資源當(dāng)做 介質(zhì)的固體飛秒激光器 是 第二類。在 二十年以前早就進(jìn)行了 超短脈沖半導(dǎo)體激光的 鉆研 ,然而沖破 皮秒量級 一直是一個艱巨的任務(wù) ,感謝 超短脈沖半導(dǎo)體激光器 引進(jìn) 多量子阱 資源 ,才突破 了 這 個重大的 難題。 不存在龐大的體積是 這 類 激光器的 重要特征 ,超快光學(xué)邏輯門等 范疇 主要 運用的就是它 。 效率很高 、緊湊 的構(gòu)造 、損耗 很低 、全光光學(xué)和負(fù)色散 是其 重要的特征 ,由于它的 波長 ，它可以應(yīng)用 于光 通信 ,通過 光纖 具備 的 特別 性質(zhì) 完成 孤子進(jìn)程是它 主要的工作原理。 所以， 鎖模就有所謂 的 縱模鎖定、橫模鎖定 和 縱橫模同時鎖定等三種 ， 但 是 研究的最多 并 且 具 有實用價值的是縱模鎖定。腔內(nèi)第 q 個縱模的光波電場可 以用 式表示 ： 1 ( ) c os ( 2 )q q qE t E ?? ??? () 公 式中 ， 第 q 個縱模的振蕩頻率 用 Vq 表示。 假定 損耗頻率范圍內(nèi)的縱模個數(shù) 小于 諧振腔內(nèi)落在激光介質(zhì) 的 增益有（ 2N+1）個 (一般有數(shù)千個之多 )，因此 光波電場的表達(dá)式可寫成： ( ) c o s ( 2 )N q q qqNE t E t?? ?????? () 式中 ， 每 個 相鄰的兩縱模的頻率間隔△ νq可 以 由諧振腔的駐波條件確定： 1 /2q q q cL? ? ??? ? ? ? () 式中 ， 光速為 c， 諧振腔的長度為 L。即： 1qq??? ??常數(shù) （ ） 每個縱模的振蕩是 互相 獨立的 ， 它們的 相位無 規(guī)律 地分布在 ? ～ +? 的范圍 之間， 10 在時域圖中 ， 強度分布的特性 是 具有熱噪聲。設(shè) 定 振蕩的中心頻率為 ν0，并 且 0? =0，則有 0 0 0 0( ) c os( 2 ) c os( )E t E t E t? ? ??? 1 0 0 1 0 1( ) c o s[ 2 ( ) ] c o s[ ( ) ]E t E E t? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 0 0 0( ) c o s[ 2 ( ) ] c o s[ ( ) ]N N NE t E N t E N t? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 1 0 0 1 0 1( ) c os[ 2 ( ) ] c os[ ( ) ]E t E t E t? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 0 0 0( ) c o s[ 2 ( ) ] c o s[ ( ) ]N N NE t E N t E N t? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? 綜上 可知 ，光波電場可 以 統(tǒng)一表示成： 0( ) c o s [ ( ) ]NqNE t E q t q? ? ???? ? ? ?? （ ） 也可 以 用指數(shù)形式表示 成 為： 0[ / ) ]0() N i q t qqNE t E e? ? ?????? ? （ ）把與 其 無關(guān)的項移 動 至求和號之前 , 則 （ ） 式可 以 改寫 成 為： 0 ()0() tNj t iqqNE t e E e? ? ?????? ? () 11 由于 α和 Δω都是 定值，和式 ()0 tN iqqNEe???????必 定 為時間 t的函數(shù) ,則： ()0() tN iqqNA t E e??????? ? 則 ( ) ( ) ojtE t A t e ?? ()將其 還原成三角函數(shù)的形式： 0( ) ( ) cosE t A t t?? 0( ) [ 1 c os( ) c os( ) c os( )A t E t t N t N? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?c os ( )]N t N??? ? ? ? 利用三角函數(shù)積化和差 和 三角級數(shù)的公式 ,上式可 以 化簡為 : 0( ) sin( / 2 / 2) / sin[ ( ) / 2]A t E N t t N t? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ()如果 各縱模初始位相 相同 ，即：qq ?? ??1=0, 則 0( ) si n[ ( 2 1 ) / 2] / si n( / 2)A t E N t t??? ? ? ? ()光波電場 E(t)最后便可以變化成為下面的形式 00( ) sin[ ( 2 1 ) / 2 ] c o s / sin( / 2 )A t E N t t t? ? ?? ? ? ? ? ()綜上，可以得出結(jié)論： （ 1） 鎖模激光器的輸出時間為 T =2π/ω =2L/C的規(guī)則脈沖系列。 例如 ： 在釹玻璃中 ,Δν= 20nm～ 30nm， 可 以 得到 10 13～ 10 12S 數(shù)量級 的鎖模脈沖。 [6] 飛秒激光技術(shù)的 重要部分是其增強 和 形成 ， 相位穩(wěn)定技術(shù)等 是和它有緊密關(guān)聯(lián)的。中科院西安光機所 的 陳國夫研究員 1986年在英國 大學(xué)物理系 運用相同的 結(jié) 12 構(gòu) ， 19fs的光脈沖 從 CPM環(huán)形染料激光器上得到了 ,這是迄今為止染料激光器最好的結(jié)果 。特別是 自從 20世紀(jì) 90年代后期到本世紀(jì)初期 ， 飛秒固體激光器 完全成為了主要的發(fā)展方向 。但 是 Ti:Sapphire 晶體 還是非常好 的飛秒介質(zhì) ， 它 不但 熒光譜 (660～ 1100 nm)很寬、光學(xué)均勻性和導(dǎo)熱性 很 良好、 高 硬度、 高 損傷閾值等優(yōu)良的 特性 ，并且 還有綠光泵浦源 這種完全 商品化 了的 ， 固體飛秒激光器 剛好是由于這類 技術(shù)的發(fā)展 有了劃時代的邁進(jìn) 。 將 腔內(nèi)的自相位調(diào)制效應(yīng) 是進(jìn)行改善第一種方法 ，這種情況下可以得到 更寬的光譜 ，讓 寬度更短的脈沖可以形成 ；將 腔內(nèi)的色散補償 進(jìn)行 改進(jìn) 是第二種方法 ，這種情況下 光脈沖色散 被削減 ，同時 更短的脈沖 也可以被得到 。 由于想將 高階色散的影響 減弱的原因 ， R Szipocs 和 FKrausz在 1994年 建議 對脈沖的高階色散 運用 啁啾鏡技術(shù) 實行補救 。 脈沖寬度在 飛秒振蕩器 中被削減到 10fs以下 ，是由 啁啾鏡技術(shù) 引起的 。 兩千零一 年鈦藍(lán)寶石飛秒振蕩器 在利用 色散管理 方法和 增強自相位調(diào)制 的技術(shù)不單單只是得到 了 五飛秒 的脈沖寬度 ,同樣 鈦寶石的發(fā)射光譜 被趕超 了 ， 600～ 1200nm范圍都被其影響，實現(xiàn)了 一個倍頻程。 由于很多類別 飛秒振蕩器的 被發(fā)現(xiàn)的原因，給 超短脈沖合成技術(shù) 等 超快 鉆研給予 了 鉆研器材和鑒定牢靠 的前級。 飛秒脈沖 ()在 一個光周期 從 在理論上 分析是 可以被 鈦藍(lán)寶石熒光光譜 實現(xiàn) ，但是一般狀況下它的 光譜 擁有非常自由 的調(diào)制 ，所以， 最短也 僅可能有大概為 5fs的脈寬從振蕩器 被 直接輸出。經(jīng)過 光纖 里 注入腔倒空激光 完成了最初 的 打破 。 利用 空心光纖 里入射 放大光的 技術(shù)使得 寬度 為三點八飛秒 的脈沖 在 兩千零三 年 被捕捉到 ，這是 一個 超級靠近八百納米 的光周期。 結(jié)果兩 千零一 年 利用 惰性氣體 被大概為 100TW/cm2光強、 八百納米 中心波長 ，四十飛秒 脈沖寬度的飛秒脈沖 所沖擊 ， 250as的 脈沖寬度信號 在 高次諧波中 被發(fā)現(xiàn)了 ， 人類 邁進(jìn) 了阿秒的范疇。在 CPA技術(shù) 被發(fā)明以前 ,GW(109W)量級脈沖峰值功率 長時間沒有辦法被打破 ，是因為它被 激光元件損傷閾值 及 非線性效應(yīng) 所遏制引起的，因此同樣 造成了 很低的聚焦功率密度。 同樣 ,這些介質(zhì)的發(fā)現(xiàn) 也 快速增強了 聚焦功率密度 ，超過 1021W/cm2量級 是現(xiàn)如今實現(xiàn) 的 最棒的 記錄。增強 脈沖 緊縮 的極限 依靠 寬帶 來保障 ， 高效率的 增強依靠 高增益 來保障 。 Nd:g lass,Nd:glass是 摻 Nd3+類中最 經(jīng)常用來增強的 的 ， 它的特點是：具有很長的 熒光壽命 ,很高的 飽和能流 ,比較適宜增強 高能量 ；然而 它 也有缺點： 導(dǎo)熱 性能極其不好 , 非常狹窄的增益譜寬 ,短脈沖 (100fs)的增強 不 是非常合適 。 14 在 超短脈沖放大 領(lǐng)域內(nèi)最為完美的 介質(zhì)。 下面 CPA放大系統(tǒng) 可以被劃分為三大類別，其主要分類依據(jù)是其應(yīng)用 的重復(fù)頻率 ,增益介質(zhì) 與 輸出峰值功率 ,這同樣也是 CPA系統(tǒng) 現(xiàn)在改進(jìn)的三個大趨勢 。 通常情況下 Nd:glass是其最重要的 放大介質(zhì) , 這類放大系統(tǒng) 能夠?qū)Ⅲw積做的非常大 ，再者它能擁有大于 300μs的 上能級弛豫時間 ，而且 可以 在 八百納米周圍擁有非常好 的吸收 性 ， 半導(dǎo)體激光器直接泵浦 領(lǐng)域 它是非常符合