激光调Q技术基本原理.DOC
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1.调Q的基本理论
（1）脉冲固体激光器输出的弛豫振荡
用示波器观察普通脉冲固体激光器输出的一个脉冲，发现它的波形并不是一个平滑的光脉冲，而是一系列不规则变化的尖峰脉冲组成。每个尖峰脉冲的宽度为0.1—1 μs，间隔为5—10μs。光泵越强，尖峰脉冲个数越多，但其包络的峰值增加并不多。将这种现象称为激光器输出的弛豫振荡(或尖峰振荡)。图6.2.1所示为实测到的钕玻璃脉冲激光器的输出波形。
图6.2.1 脉冲激光器的输出波形。
弛豫振荡现象形成的主要原因是：随着光泵的作用，激光器达到其振荡阈值产生激光振荡，腔内光子数密度上升，输出激光。随着激光的发射，上能级粒子数被大量消耗，使反转粒子数密度下降，到低于阈值时，激光发射停止。此时由于光泵的继续抽运，反转粒子数密度重又上升，到高于阈值时，产生第二个激光脉冲。如此往复，直至光泵停止上述过程才结束。由于每个尖峰脉冲均产生于阈值附近，故脉冲的峰值功率水平不高，且增大泵浦能量也无助于提高其峰值功率，只能是增加尖峰脉冲的个数。在脉冲形成的过程中，激光器的阈值始终保持不变是产生弛豫振荡最根本的原因。
（2）谐振腔的品质因数
在电子技术中，用Q值来描述一个谐振回路质量的高低。在激光技术中，用Q值来描述一个谐振腔的质量，称其为谐振腔的品质因数。
激光器的损耗可以用单程损耗来描绘，也可以用品质因数Q值描绘，其定义为：
品质因数是激光谐振腔的性能指标，与腔中介质的增益系数无关，光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为：
(6.1.1)
其中μ为介质折射率，c为真空中光速，t为光在腔内传播距离z所需的时间，则t时刻腔中光子数密度与光强的关系为：
(6.1.2)
上式可以改写为光子数密度的形式：
(6.1.3)
体积为V的谐振腔内存储的能量为：
(6.1.4)
每振荡周期损耗的能量为：
(6.1.5)
其中 为光子的平均寿命。
由品质因数的定义可以得到它与谐振腔的单程损耗的关系：
(6.1.6)
上式表明，谐振腔的损耗越大，Q值越小，谐振腔的损耗越小，Q值越高，它与谐振腔腔长无关，用它来标志谐振腔的性能比单程损耗系数要好。
（3）调Q的基本原理
通过上述对弛豫振荡现象产生原因的分析，普通脉冲固体激光器峰值功率不能提高的症结是在激光振荡形成过程中器件的阈值始终不变，使得每一个尖峰脉冲都产生在器件阈值附近，工作物质上下能级之间不能积累很高的反转粒子数。因此，可以通过改变器件的阈值来提高工作物质上能级粒子数的积累水平，即设法在光泵浦初期将器件的振荡阈值调高，从而抑制激光振荡的产生，使工作物质上能级粒子数得到积累。随着光泵的继续激励，上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时，突然将器件的阈值调低，那么，积累在上能级的大量粒子便雪崩式地跃迁到激光下能级，在极短的时间内将储存的能量释放出来，从而获得峰值功率极高的激光脉冲输出。
调Q技术的基本思想: 当激光上能级积累的反转粒子数不多时，人为地控制激光器阈值，使其很高，抑制激光振荡的产生。在这种情况下，由于光束的激励，激光上能级将不断地积累粒子数。当反转粒子数达到最大数量时，突然降低激光器的阈值 。此时亚稳态上的粒子的能量很快转换为光子能力，光子像雪崩一样以极高的速率增长，输出峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。
我们来看一下如何调节激光器振荡的阈值。
由激光原理可知，激光器振荡的阈值条件可表示为
式中，g为模式数；A21为自发辐射几率；为光子在腔内的寿命。因为 带人上式，有
上式表明，阈值反转粒子数密度与谐振腔的品质因数Q成反比。调节器件的振荡阈值，实际上就是调节谐振腔的品质因数Q，也就是调节谐振腔的损耗。因而，将这种获得巨脉冲的技术称为调Q技术或Q开关技术。
调Q激光器对工作物质、光泵
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