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调Q的原理

发布时间:2022-07-01 14:08:56 浏览量:2989 作者:Zen

摘要

本文章介绍了激光器中调Q的原理,主动调Q和被动调Q的方法。调Q是通过在激光器的光学谐振腔内放置某种类型的可变衰减器来实现的。当衰减器工作时,离开增益介质的光不会返回,激光也不会激发。腔内的这种衰减对应于谐振腔的Q因子(品质因数)的降低。高的Q因子对应于低的谐振器损耗,反之亦然。


正文


调Q的原理


调Q是通过在激光器的光学谐振腔内放置某种类型的可变衰减器来实现的。当衰减器工作时,离开增益介质的光不会返回,激光也不会激发。腔内的这种衰减对应于谐振腔的Q因子(品质因数)的降低。高的Q因子对应于低的谐振器损耗,反之亦然。


最初,设置Q开关使谐振腔Q值低以防止光反馈到增益介质中。这会产生粒子数反转,但由于没有来自谐振器的反馈,激光不会发出。由于受激辐射的速率取决于进入工作物质的光子量,因此增益介质中存储的能量会随着持续泵浦而增加。由于自发辐射和其他过程的损失,经过一定时间,储存的能量会达到某个最大值;此时称为增益饱和。此时,Q开关器件迅速从低Q变为高Q,从而允许反馈和受激发射的光放大过程开始。由于增益介质中已经储存了大量能量,谐振腔中的光强度会迅速增加。这也导致存储在介质中的能量几乎以同样快的速度耗尽。最终激光输出的持续时间短峰值能量高的巨脉冲。



主动调Q中,Q开关是一个外部控制的可变衰减器。这可能是一个机械设备,例如放置在腔内的快门、斩波轮或旋转镜,或是某种调制器,例如声光设备、磁光效应设备或电光器件——普克尔盒或克尔盒。损耗的减少,通常由外部的电信号触发。因此可以从外部控制脉冲重频。调制器的另一个优点是损耗的光可以耦合出腔体并且可以用于其他用途。或者,当调制器处于其低Q状态时,外部产生的光束可以通过调制器耦合到腔中。这可用于用具有所需特性(例如横模或波长)的光束“播种”腔体。当Q值升高时,从种子源开始产生激光,产生具有种子源特性的调Q脉冲。



被动调Q,Q开关是一种可饱和吸收体,这种材料的透射率会在光强超过某个阈值时增加。该材料可以是离子掺杂晶体,如Cr:YAG,用于Nd:YAG 激光器的Q开关、可漂白染料或无源半导体器件。最初,可饱和吸收体的损耗很高,一旦大量能量存储在增益介质中,就可以产生一些激光。随着激光功率的增加,它会使吸收体饱和,即迅速降低谐振腔损耗,从而使功率可以更快地增加。理想情况下,这会使吸收器进入低损耗状态,以允许通过激光脉冲有效提取存储的能量。脉冲结束后,吸收体在增益恢复之前恢复到高损耗状态,从而延迟下一个脉冲,直到增益介质中的能量完全补充。脉冲重复率只能间接控制,例如改变激光器的泵浦功率和腔中可饱和吸收体的数量。


相关文献:

Development of diode end-pumped NdYLF lasers at 1314 nm for high power operation


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