§ § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §
第2章
————————————————
调Q（Q开关）技术
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 1
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
一. 电光调Q原理
• 利用晶体的电光效应可做成电光Q开光器件。具有开关时间 短，效率高，输出脉宽窄，峰值功率高等优点，目前应用比
经过全反镜反射回来，再次通过电光晶体，又会产生π/2的相位差，往返一次 共产生π相位差，合成后得到沿y方向的线偏振光，偏振面相对于入射光旋转
了90o，不能通过偏振器，此时电光Q开关处于“关闭”状态。
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 10
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3). 调Q过程
较广泛的一种调Q技术。
• 电光效应：某些晶体或液体在外加电场作用下，折射率发生 变化的现象。
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 2
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
1. 带偏振器的电光调Q器件-（双偏振器） 激光 输出镜 氙灯 激光介质：Nd:YAG晶体； 起偏器与检偏器的偏振方向相同； 电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾）； YAG 起偏器 KD*P 全反镜
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 9
YAG 偏振器
KD*P
全反镜
x y z
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2). Q开关“关闭”时： 激光 YAG KD*P 全反镜
x
输出镜 氙灯
偏振器
U /4
y
z
当在电光晶体上施加λ/4电压，由于纵向电光效应，当沿x方向的线偏振光通过
晶体后，两分量之间便产生π/2的相位差，从电光晶体出射后合成圆偏振光；
Page: 19
E
C
E
C
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 从上面的分析可看出：
① 第一个45o反射面的前段，相当于一个起偏器，它能产生o光 和e光；第二个45o反射面的后段，相当于一个检偏器，故双 45o的LN晶体等效于在两个偏振器之间夹了一块调制晶体。
② 不加电压时，入射光经过电光晶体后，出射光仍平行于入射 光，此时对应于Q开关“打开”。 ③ 加半波电压后，出射光偏离原入射光方向，腔内光路不通， 此时对应于Q开关“关闭”。谐振腔处于低Q值，激光振荡无 法形成，在外界泵浦下，反转粒子数积累。 ④ 当对电压进行周期性调制后，便可得到Q开关“打开”、“ 关闭”的周期性变化，从而得到调Q脉冲输出。
x
U /2
检偏器
y
z
纵向电光效应：z轴加电压，z轴通光。
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 3
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
1). Q开关“打开”时： 激光 输出镜 氙灯
Nd:YAG晶体在闪光灯或二极管泵浦下，发射自然激光，无偏振性
。通过起偏器后，变成沿x方向振动的线偏振光。电光晶体未加电压时 ，光沿轴线方向通过晶体，其偏振态不发生变化，可以通过检偏器，
YAG 起偏器
KD*P
全反镜
x
检偏器
y
z
经全反镜反射后，沿原路返回，此时电光Q开关处于“打开”状态。
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 4
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2). Q开关“关闭”时： 激光 输出镜 氙灯
当在电光晶体上施加λ/2电压，由于纵向电光效应，当沿x方向的线偏振光通 过KD*P晶体后，两分量之间便产生π的相位差，从电光晶体出射后仍为线偏振光 ，但偏振面相对入射光旋转了90o，沿y方向，因而不能通过检偏器。此时电光Q 开关处于“关闭”状态。
45 B
no sin 45 ne sin
(3)
no>ne，则θ>45o。由于e’光不是垂直晶体出射 面射出晶体，故在出射面上又发生折射，所 以o光最终经晶体出射后，出射方向并不与入 射方向平行。
长春理工大学电子科学与技术系
AB 光性质 o
折射率 no
BC oe
no
CE e
ne
Page: 17
YAG 起偏器
KD*P
全反镜
x
U /2
检偏器
y
z
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 5
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3).电光调Q的过程：
在氙灯刚开始点燃时，事先在调制晶体上加λ/2电压，使 谐振腔处于“关闭”的低Q值状态，阻断激光振荡的形成。 待激光上能级反转的粒子数积累到最大值时，突然撤去晶 体上的λ/2电压，使激光器瞬间处于高Q值状态，于是产生雪 崩式的激光振荡，就可输出一个巨脉冲。
y
z
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 12
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3. 单块双45o电光调Q器件-（无偏振器） 激光 输出镜 氙灯 YAG
x z y 45
LN
45
全反镜
• 激光介质：Nd:YAG晶体 • 电光晶体：LiNbO3晶体，加工成具有两个45o斜面的矩形长方 体，光轴（z轴）沿长方体的轴向，电压沿x轴加到晶体上。 • 这样既不影响通光，而且电场又很均匀。这种结构不需要插入 偏振器，可减少插入损耗。 这是一种结构简单、比较理想的电 光Q开关。
AB 光性质 e
BC CE e o o no no
Page: 18
折射率
ne
长春理工大学电子科学与技术系
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
LN加半波电压后，出射光偏离原入射光方向，腔内光路不通，Q开关处 于“关闭”状态。谐振腔损耗大，Q值低，激光振荡无法形成。
长春理工大学电子科学与技术系
• 当氙灯刚开始点燃时，在电光晶体上加λ/4电压，使谐振腔处于光“关闭 ”状态，阻断经过振荡的产生，反转粒子数积累；当反转粒子数积累到 最大值时，突然撤去电光晶体上的λ/4电压，使激光器瞬间处于高Q值状 态，产生雪崩式的激光振荡，可输出一巨脉冲。 实验关键：
• 1）精确控制Q开关“打开”的延迟时间，即从泵浦开始后延迟一段时间 ，反转粒子数积累最多时，立即打开Q开关。Q打开过早，反转粒子数未 达最大，影响巨脉冲输出；Q打开过晚，由于自发辐射等损耗，影响巨 脉冲的功率。 • 2）格兰棱镜的起偏方向与电光晶体的x轴或y轴方向一致，以保证起偏方 向与电光晶体的感应主轴x’、y’成45o角。简单的方法时，在电光晶体加 电压时，转动格兰棱镜和晶体的相对方位，直至不能出光为止。
Page: 16
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2). 加电压（Uλ/2）时：
沿x轴加电压后，偏振光在AB段的传播情况 与不加电压时基本相同，差别在于BC段。晶 体上加半波电压后，电光晶体BC段相当于一 个半波片。 对于o光，在第一个45o面发生全反射，反射 后沿z轴传播。在BC段传播时，相当于通过 一个半波片，故其偏振面会旋转90o，由原来 的o光变为e’光；故经过第二个45o反射时，遵 循各向异性介质的反射定律： A x z C y E
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 20
§2.3 电光调Q
双45oQ开关的特点：
第 二 章 调 Q 技 术
①双45o电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光 的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件； ②对于横向运用的LN晶体，可以通过控制晶体的长度和 厚度的比值来降低半波电压值。 缺点： ①由于o光和e光在BC段中的路程不同，所以要求的半波 电压不同。为解决此问题，需要引入“光预偏置技术” ， 增加了电路的复杂性； ②晶体保证双45o的方位不容易，给加工带来了困难。 优点:
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 11
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
评 价
2. 带偏振器的电光调Q器件-（单偏振器）
• 在晶体上加Uλ/4，对于KD*P来说，约3kV~4kV。 • 腔内仅插入一个偏振片，减小了插入损耗。
激光 输出镜
YAG 偏振器 氙灯
KD*P
全反镜
x
U /4
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 13
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 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45o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。
长春理工大学电子科学与技术系
峰值功率>10MW；脉冲宽度6-10ns。
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 21
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 这种Q开关的工作过程与双45oQ 开关的差不多，主要是对一种线 偏振光(o光或e光)起振，而另一 线偏振光逸出腔外，所以产生偏 光脉冲输出。 • 优点：结构简单，加工容易，插 入损耗小；加电压Uλ/4比双45oQ 开关低一倍；适合各种工作物质 。 • 缺点：Q开关效率低。
KD*P
全反镜
x
U /2
检偏器
y
z
长春理工大学电子科学与技术系
Page: 7
§2.3 电光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2. 带偏振器的电光调Q器件-（单偏振器） 激光 输出镜 氙灯 激光介质：Nd:YAG晶体； 偏振器：格兰棱镜； 电光晶体：KD*P（磷酸二氘钾） YAG 偏振器 KD*P
全反镜
(1)
• 可求出反射角θ。当经过第二个45o 时，振动方向又沿z轴方向，即e’光 又变回e光，根据各向异性介质的反 射公式：