光 电 信 息 学 院

第二章 调第二章 调 Q(QQ(Q 开关开关 )) 技术技术

周一主楼东 101 周三二教 206 第二大节 wphsci@uestc.edu.cn

主要内容：

一、调 Q 技术的基本概念和基本理论

二、实现调 Q 技术的方法： 1. 电光调 Q ； 2. 声光调 Q ； 3. 染料调 Q ； 4. 色心晶体调 Q ； 5. 转镜调 Q 。

2.1 概述

一、什么是调 Q ？ Q 值？

二、调 Q 技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。

三﹑调 Q 激光（短脉冲）的应用强相干光与物质的相互作用短脉冲的应用

2.2.1 一般固体脉冲激光器的输出特性

输出的脉冲是系列尖峰振荡

驰豫振荡

脉冲激光器输出的尖峰结构

驰豫振荡产生的物理过程第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段

普通激光器峰值功率不能提高的原因

获得巨脉冲激光输出的方法

腔内光子数和粒子反转数随时间的变化

2.1.2 调 Q 的基本原理

定义： Q 值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标 ---- 品质因数。 Q 值 -- 定义为在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。

调节 Q 值的途径

一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的 Q 值。

21

21

0

00

1

22

2

W 22

W c nL

thc

c

th

gn

A

Q

vg v

nA Q

Q v

nLQ v

腔内存储的能量每秒损耗的能量

稳定调 Q 脉冲的建立过程

实现调 Q 对激光器的基本要求

工作物质抗损伤阈值要高 , 同时有较长的能级寿命

泵浦速度必须快于激光上能级的自发辐射速率

谐振腔的 Q 值改变要快 , 一般应与谐振腔建立激光振荡的时间相比拟 .

2

0,

2

Q

1

t

t

t

d n An

dt g

d An

dt g

dn g

dt Ad n n

dt n

d n

dt n

二能级系统的模型

令 将 代入上式得：

调 激光振荡的速率方程

2.2 调 Q 激光器的基本理论

调 Q 的速率方程

速率方程的求解

0

2

1( 1)

21

( 1)2

1[ ln( )]

2

14

m t

i

t

nt

n

tm i t t

i

t im

t

nd

d n nn

d d nn

nn n n

n

n n

n

调 Q 脉冲的峰值功率( ln )

2

( ln )2

1

2

i tc i

tm i t t

c i

i

c

hv nP n n n

t n

nhvP n n n

t n

nP hv

t

1( )

2

exp[ ( 1)]

exp( )

i f

fif i

t i

f f i

i t

E n n h V

nnn n

n n

n n n

n n

调 Q 脉冲的能量及能量利用率

调 Q 脉冲的时间特性

0

2

12 [ ( ln )]

2

( ln )

i

i

t

n

ni

t t t i

n

ni

t t i

ndt d n

n

d nt

n n nn

n n n n

d nt

n n nn

n n n

非理想阶跃式 Q 开关函数的情况 腔内损耗与时间呈线性函数（左图） 稳变非线性 ( 抛物线 ) 开关函数（中图） 峰值光子数密度 φm随脉冲半宽度 Δt及脉冲建立的

延迟时间 tD的变化（右图）

Q 开关激光器的特点

1. 通过改变改变 Q 值——改变阈值，控制激光产生的时间。

2. 两阶段 （ 1 ）储能阶段（延迟时间） 反转粒子数达最大值 。 （ 2 ）激光产生输出 忽略泵浦和自发辐射的影响。

3. 开关时间 从 Q 值最小变到最大 Q 值即损耗从最大变到最小需要

的时间叫开关时间。 开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小

分为快、慢两种类型。

0n

2.3 2.3 电光晶体调电光晶体调 QQ 电光 Q 开关： 利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶

跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。

2.3.1 带偏振器的电光调 Q 器件

带偏转器的电光调 Q 装置

调 Q 工作程序示意图

对偏转器的要求

对调制晶体的要求

电光调 Q 工作程序示意图

2.3.2 单块双 45° 电光 Q 开关 带偏振器的 Q 开关激光器需加偏振器，使腔内元件增

多，因而增加了腔内损耗，降低了调 Q 效率。把晶体做成双 45° 的形式，使晶体起着偏振、 Q 开关两个作用，克服了上述 Q 开关激光器的缺点。

Q 开关原理

单块双 45°电光调 Q 激光器

工作原理 未加电压时的情况 加电压时的情况

Vx=0时的光路图

Vx≠0时的光路图

LN 晶体 Q 开关： （ 1 ）双 45° 晶体等效于在两个偏转器之间夹一块调制晶体 （ 2 ）晶体在加工时造成的误差。 45° 不够准确，光轴有些偏离。入射的光束不能严格地垂直入射面等。入射光有一定的发散角，因此相当于有一部分光束不是垂直入射面入射。

（ 3 ） o 、 e 光走的路程不同，因此当 时， o 、 e 光并非完全旋转 90°, 解决办法预偏置 . 2

VVx

双 45°晶体实际出射光斑情况

单块单 45° 电光开关 原理 ：以 LN横向运用退压式结构为例，分析原理和一般

Q 开关相同。 也是分两个阶段讨论其工作原理：粒子数积累阶段和脉冲形成阶段。结论：单 45°Q 开关相当于带一个偏振器的 Q开关。

2.3.3 脉冲透射式 Q 开关激光器 原理： 反射式 Q 开关激光器：由于激光的形成和输出同时进行，因此脉冲宽度的压缩受了限制。脉冲透射式 Q 开关打破了这种限制，把激光形成和激光的输出分成两阶段。共三个阶段：

a． 、 ，激光不能振荡，积累阶段（透射损耗大） b． 、 ，激光形成但不输出（透射损耗近似为零） c．激光输出阶段（透射损耗大） 具有以上特点的激光器为透射式 Q 开关激光器。

maxminQ

max minQ

透射式原理不同于反射式，结构做了改进： Q 开关的三个阶段： 1) 不加 ,2 ）加压 ,3 ）退压

2

V

PTM调 Q 激光器

PTM式电光 Q 开关

单块双 45° 电光 PTM 式调Q 开关

PTM 式调 Q 的优点 效率比 PRM 式高 脉宽窄

Q 开关的工作程序单块双 45° 电光 PTM 式调 Q 开关

2.3.4 Q 调制技术的其他功能

1.选横模的功能 2.选单纵模的功能 3.锁模 削波等功能

2.4 设计电光调 Q 激光器应考虑的问题 调制晶体材料的选择 消光比要高 透过率要高 半波电压要低 抗破坏阈值要高 晶体防潮 调制晶体的电极结构 对激光工作物质的要求 对光泵浦灯的要求 对 Q 开关控制电路的要求

2.5 声光调 Q

2.5.1 基本原理 声光调制原理 声光调 Q

声光调 Q 激光器示意图

连续激光器高重复率调 Q 过程

声光调 Q 激光器的特点 开关时间与脉宽 声光 Q 开关的缺点 声光 Q 开关与重复频率

连续激光器声光调 Q运转方式

2.5.2 声光 Q 开关的结构与设计

声光 Q 开关的结构和声光调制器完全相同。换能器、声光介质、吸收器三个部分组成，且材料、尺寸相同

不同点：声光调制器：有驻波和行波两种结构。 声光 Q 开关：只有行波结构。

1 、材料的选择 : 对声光介质材料的选择应综合考虑如下要求；介质的品质因数 M2 要大；对光的吸收要小 ( 即对光的透过率要高 ) ；对超声波的吸收要小；有良好的热稳定性；介质在光学上是均匀的，且有足够大的尺寸。对功率大的调 Q 器件，还要考虑采用激光损伤阈值高的材料。

2 、器件的设计 声光器件设计的关键是合

理地确定超声柱的尺寸换能器与声光介质的粘结

工艺也是十分重要的问题

超声场尺寸

声光器件结构形式声光器件的工作方式

3 、器件的结构形式

声光调 Q 器件典型结构

211

2

2

2

1sin ( ) (1 cos )

2 2

2

1 1

2

i

s

s

I vv

I

v

Lv M P

H

HP

L M

4 、驱动声功率的确定

2.5.4 声光腔倒空激光器

声光腔倒空激光器原理 优点 要求

声光腔倒空激光器

2.6 2.6 被动式可饱和吸收调被动式可饱和吸收调 QQ 2.6.1 可饱和吸收染料的调 Q 原

理 可饱和吸收体的吸收特性

可饱和吸收染料的调 Q 原理

2.6.2 饱和吸收的速率方程

染料透过率与激光功率密度的关系

0

1 / s

aa

I I

2.6.3 染料调 Q 激光器及其输出特性

染料 Q 开关激光器形式 两种，染料盒和全反射镜合为一体，利用染料盒的后壁做全反镜。在锁模中用。

染料盒单独放在腔内，这种机构注意避免染料盒的表面和反射镜之间形成寄生振荡。一般染料盒倾斜一个小角度 1 °~ 2° ，也可以倾斜布儒斯特角。

染料调 Q 激光器

1 、对染料选择的要求

染料的吸收峰应与激光波长基本吻合 染料要有适当的饱和光强值 染料溶液要有一定的稳定性

几种染料的吸收谱线

2 、影响染料调 Q 输出特性的因素 染料浓度的影响 输入能量 染料盒的影响 输出镜反射率的影响

染料调 Q 输出特性曲线

液层厚度对输出特性的影响 染料盒的结构

染料 Q 开关的特点：

优点： 1.简单方便。这种 Q 开关只要配好溶液放在染料盒内，或做成染料片成品。放谐振腔中即可。而电光调 Q 中还需要一套电路系统控制 Q 开关。 2. 速度快。染料 Q 开关属于快开关。一般 10-9nS量级。 3. 自动实现开关和增益的调谐。 4.具有选模的作用。在中心频率附近的模式，增益高，先振荡，消耗；而增益低的模式被抑止（在漂白前）。漂白后，其他模能够振荡。

缺点： 1. 同步精度差。不需要同步装置—简单，但要得到很好的调 Q 效果需要经过反复实验。而实际要求和 Q 开关激光器同步，染料 Q 开关不能使用。 2. 稳定性差。染料的溶液不稳定，影响输出的功率不稳定。 3. 输出功率不能很大。因为染料调 Q 激光器实际上在阈值附近工作。因此染料 Q 开关激光器适用于同步精度要求不高，稳定性要求不高的实际应用。

2.6.4 LiF可饱和吸收晶体 Q 开关 工作原理： LiF 晶体是无色透明晶体，不能做 Q 开关晶体

用，但当它经过射线辐射后就可以产生色心，开始变为棕红色。随着辐射剂量的大小不同，其着色的深浅也不同，产生不同的色心—— F ， F2 ， ， 心等。由于色心不同，吸收谱产生了明显的变化。

2F

2F

F2- 心的吸收谱线 在 1.06 微米激光作用下 F2

- 心的透过率

2.6.5 二极管泵浦被动调 Q 激光器

2 ） Nd:YVO4/Cr:YAG结构被动调 Q红外激光器

1 ） Nd:YVO4/Cr:YAG/KTP结构被动调 Q绿光激光器

调 Q 脉冲激光的远场光斑照片

稳定绿光脉冲波形图

3 ） Nd:YVO4/Cr:YAG/LBO结构被动调 Q绿光激光器

2.7 转镜调 Q

转镜调 Q 的工作原理

转镜调 Q 的运转过程

转镜调 Q 激光器示意图 转镜调 Q运转过程

关键的问题之一是准确地控制延迟时间

延迟原理

转镜调 Q 的特点

延迟装置示意图

本章小结 要掌握的知识要点 调 Q 原理、电光晶体调 Q 、单块双 45º 电光 Q 开关、声

光调 Q 、可饱和吸收染料调 Q

要熟悉的知识要点 调 Q 的速率方程、晶体电光调 Q 原理

要求了解的知识点 声光调 Q 器件的结构与设计、 LiF可饱和吸收晶体 Q 开关

作业： 3 、 5 、 6