激光调Q演示文稿.pptx

LD泵浦泵浦Nd:YAG/Cr4+:YAG被动调被动调Q 速率方程数值计算速率方程数值计算 姓名：姓名：xxx 指导老师：指导老师：xxx 第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 调调Q速率方程速率方程第一章第一章 绪论绪论 1.1激光简介及其发展 1.2调Q技术第二章第二章 调调Q速率方程速率方程 2.1被动调被动调Q原理原理 2.2调调Q速率方程速率方程 2.3研究主要内容研究主要内容1.1激光简介及其发展 1.1.1激光简介激光器能发射激光的装置，英文名laser，全拼Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation。1.1.2激光器原理 除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。1.1.3激光的发展 历史由来 激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。它使人们终于有能力驾驶尺度极小、数量极大、运动极混乱的分子和原子的发光过程，从而获得产生、放大相干的红外线、可见光线和紫外线（以至X射线和射线）的能力。激光科学技术的兴起使人类对光的认识和利用达到了一个崭新的水平。激光器 激光器的诞生史大致可以分为几个阶段，其中1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。这一理论指出，处于高能态的物质粒子受到一个能量等于两个能级之间能量差的光子的作用，将转变到低能态，并产生第二个光子，同第一个光子同时发射出来，这就是受激辐射。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即如多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。发展阶段 此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明，这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论，为激光器的产生进一步奠定了理论基础。20世纪40年代末，量子电子学诞生后，被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用，并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。如果一个系统中处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数，就出现了粒子数的反转状态。那么只要有一个光子引发，就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子，这两个光子又会引发其他原子受激辐射，这样就实现了光的放大；如果加上适当的谐振腔的反馈作用便形成光振荡，从而发射出激光。这就是激光器的工作原理。1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射。稍后，美国物理学家查尔斯汤斯以及苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计。成熟阶段 但科学家的努力终究有了结果。1954年，前面提到的美国物理学家汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器，成功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例。汤斯等人研制的微波激射器只产生了1.25厘米波长的微波，功率很小。生产和科技不断发展的需要推动科学家们去探索新的发光机理，以产生新的性能优异的光源。1958年，汤斯与姐夫阿瑟肖洛将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来，提出了采用开式谐振腔的关键性建议，并预防了激光的相干性、方向性、线宽和噪音等性质。同期，巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。此后，世界上许多实验室都被卷入了一场激烈的研制竞赛，看谁能成功制造并运转世界上第一台激光器。1960年，美国物理学家西奥多梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里，勉强赢得了这场世界范围内的研制竞赛。他用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使这一点达到比太阳还高的温度。“梅曼设计”引起了科学界的震惊和怀疑，因为科学家们一直在注视和期待着的是氦氖激光器。尽管梅曼是第一个将激光引入实用领域的科学家，但在法庭上，关于到底是谁发明了这项技术的争论，曾一度引起很大争议。竞争者之一就是“激光”(“受激辐射式光频放大器”的缩略词)一词的发明者戈登古尔德。他在1957年攻读哥伦比亚大学博士学位时提出了这个词。与此同时，微波激射器的发明者汤斯与肖洛也发展了有关激光的概念。经法庭最终判决，汤斯因研究的书面工作早于古尔德9个月而成为胜者。不过梅曼的激光器的发明权却未受到动摇。1960年12月，出生于伊朗的美国科学家贾万率人终于成功地制造并运转了全世界第一台气体激光器氦氖激光器。1962年，有三组科学家几乎同时发明了半导体激光器。1966年，科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外，还有输出能量大、功率高，而且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。1.1.4 Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石）最常用的固体激光器，工作波长一般为1064nm，这一波长为四能级系统，还有其他能级可以输出其他波长的激光。1.2.1调Q技术 通过改变光学谐振腔的Q值，把储存在激活媒质中的能量瞬时释放出来，以获得一定脉冲宽度(几个到几十个纳秒)的激光强辐射的方法。调Q技术的目的是压缩脉冲宽度，提高峰值功率。主要讲述LD泵浦Nd:YAG/Cr4+:YAG被动调Q速率方程数值计算 。2.1被动调Q原理 工作原理 利用染料的饱和吸收（光漂白）作用 控制谐振腔的损耗。将Nd:YAG染料盒放在谐振腔中，当光泵开始作用时，饱和吸收体对工作物质发出的较弱的荧光有强吸收，谐振腔损耗很大，激光器不能起振。随着光泵的继续激励，工作物质中反转粒子数不断积累，荧光光强变强。当光强与饱和光强Is可比拟时，吸收系数显著减小；当这一过程发展到一定程度，单程增益等于单程损耗，激光器开始起振。随着激光强度的增加，饱和吸收体的吸收系数又继续下降，而这又促使激光更迅速的增加，当吸收体完全饱和时，腔的损耗处于最低状态，而工作物质积累的反转粒子数大大超过此时的阈值，于是产生了受激辐射光子的雪崩过程，形成了巨脉冲输出。2.2调调Q速率方程速率方程 2.2.1速率方程 调Q速率方程由两能级模型给出 如果考虑到在Q突变过程中，激光器参数剧烈变化，可以忽略泵浦过程和自发辐射过程。同时令激光器在Q值突变之前处于低Q值状态，反转粒子数不断积累，假设Q值是阶跃式变化，则在Q值突变时刻定为零时刻，可以给出下面的方程：2.2.2调Q速率方程的求解 光子数密度与反转粒子数密度关系 峰值光子数密度 Q脉冲峰值功率 Q脉冲能量 Q脉冲能量利用率谢谢欣赏谢谢欣赏