调Q技术

2.1 调Q基本原理

一、调Q目的

1.目的：压缩脉冲宽度、提高峰值功率

脉冲宽度	峰值功率(1J)	类型
10^-3^~10^-4^s	10^3^~10^4^s	普通脉冲激光器
10^-8^~10^-9^s	10^8^~10^9^s	调Q激光器

2. 举例

激光测距仪
激光阴影成像仪

二、脉冲固体激光器的输出特性

1. 特点

a. 输出脉冲呈尖峰振荡（由许多振幅、脉宽、脉冲间隔做随机变化的尖峰脉冲组成）弛豫震荡
b. 脉宽较宽，峰值功率低

2. 原因

激光谐振腔损耗不变，一旦光泵使反转粒子数超过阈值，便产生激光，上能级粒子数因受激辐射而减少，致使上能级无法积累大的反转粒子数。只能在阈值附近工作。增大泵浦能量也无助于峰值功率的提高，只会是小尖峰的个数增加。

提高输入能量==并不能==有效提高峰值功率：

泵浦功率越大，尖峰脉冲形成越快，尖峰的时间间隔越小，尖峰个数增加，输出能量增加，但峰值功率提高不多。
氙灯亮度一定，增加输入能量则泵浦时间加长，脉冲宽度增大。而且输入能量也不能无限制提高：氙灯和工作物质有一最大负荷。

三、调Q基本原理

既然激光上能级的最大反转粒子数受激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的反转粒子，可通过提高激光器的阈值来实现。在泵浦初期，提高阈值，反转粒子数积累。反转粒子数积累到最大时，突然降低阈值，上能级粒子雪崩式跃迁到低能级，输出巨脉冲

1. Q值定义（Qualify Factor）

Q值定义为，==谐振腔内储存的总能量与单位时间损耗的能量之比==。

$Q = 2\pi\nu_0 \frac{腔内储存的能量}{单位时间内损耗的能量}$

Q值是评价谐振器质量好坏的指标，称为谐振器的品质因数（Quality Factor）

设腔内储能为 W，腔的单程损耗率为 $\delta$，腔长为L，介质折射率为n，则

$Q = 2\pi\nu_0\frac{W}{dW} = 2\pi\nu_0\frac{W}{(\delta W)/(nL/c)}=\frac{2\pi nL}{\delta \lambda_0}$

2. 调Q途径

$Q =\frac{2\pi nL}{\delta \lambda_0}=2\pi\nu\frac{L'}{\delta c}=2\pi\nu\tau_R$

可见，Q值与激光介质的折射率n，激光器腔长L，以及腔的损耗 $\delta$有关。但在激光形成过程中n和L不易改变，所以只能改变损耗 $\delta$

==损耗大，Q值低，激光振荡阈值高，不易起振；
损耗低，Q值高，激光振荡阈值低，容易起振。==

3. 调Q技术的原理

调Q技术就是通过某种方法控制腔的损耗，使谐振腔的Q值按照一定的程序变化的技术。

泵浦初期，使腔处于高损耗（低Q值）状态，即提高振荡阈值，使激光难以起振，上能级反转粒子数得以大量积累；

当上能级粒子数积累到最大值时，==突然==降低腔的损耗（提高Q值），激光振荡迅速建立，上能级粒子数雪崩式的跃迁到低能级，形成巨脉冲输出。

4. 调Q过程

能量储存过程：低Q，增益<损耗，工作物质-谐振腔组合储能（反转粒子数上升）
激光产生与输出过程：高Q值，增益>损耗（反转粒子数下降）

Q值相当于一个开关
Q值低，开关关闭，储能
Q值高，开关打开，输出
Q调制器，又称为Q开关

5. 调Q技术分类

$\delta$=$\delta$~反射~+ $\delta$~衍射~+$\delta$~吸收~
$\delta$~反射~：机械转镜调Q，电光调Q
$\delta$~衍射~：声光调Q技术
$\delta$~吸收~：染料可饱和吸收调Q

6. 实现调Q对激光器的基本要求

工作物质抗损伤阈值高
上能级粒子寿命长：泵浦过程使上能级粒子增加，在没有产生受激辐射的情况下，自发辐射使上能级粒子减少，当两者平衡时就是上能级能够积累的最大粒子数。上能级寿命应该尽可能大，但不宜太大，否则会影响能量的释放速度
固体、液体激光器均可以实现调Q。但气体激光器，如He-Ne，只能在低电离情况下工作，泵浦速率不能太大，无法实现调Q运转。
光泵速度必须快于激光上能级自发辐射速率，否则不能实现足够多的粒子数反转
谐振器的Q值改变要快，一般应与==激光振荡的建立时间==相比拟

光电子技术第二章