脉冲调Q激光器原理.doc

脉冲调QNd:YAG倍频激光器实验
激光原理
光与物质的相互作用可以归结为光与原子的相互作用，有三种过程：吸收、自发辐射和受激辐射。
如果一个原子，开始处于基态，在没有外来光子，它将保持不变，如果一个能量为hv21的光子接近，则它吸收这个光子，处于激发态E2。在此过程中不是所有的光子都能被原子吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔E1-E2时才能被吸收。
hv21
E2
E1
(a)
E2
E1
(b)
E2
E1
(c)
光与物质作用的吸收过程
激发态寿命很短，在不受外界影响时，它们会自发地返回到基态，并放出光子。自发辐射过程与外界作用无关，由于各个原子的辐射都是自发的、独立进行的，因而不同原子发出来的光子的发射方向和初相位是不相同的。phase
E2
E1
(c)
E2
E1
(a)
hv21
E2
E1
(b)
光与物质作用的自发辐射过程
处于激发态的原子，在外界光子的影响下，会从高能态向低能态跃迁，并且两个状态间的能量差以辐射光子的形式发射出去。只有外来光子的能量正好为激发态与基态的能级差时，才能引起受激辐射，且受激辐射发出的光子与外来光子的频率、发射方向、偏振态和相位完全相同。激光的产生主要依赖受激辐射过程。
hv21
E2
E1
(a)
E2
E1
(b)
hv21
hv21
光与物质作用的受激辐射过程
激光器主要由：工作物质、谐振腔、泵浦源组成。工作物质主要提供粒子数反转。
泵浦过程使粒子从基态E1抽运到激发态E3，E3上的粒子通过无辐射跃迁（该过程粒子从高能级跃迁到低能级时能量转变为热能或晶格振动能，但不辐射光子），迅速转移到亚稳态E2。E2是一个寿命较长的能级，这样处于E2上的粒子不断积累，E1上的粒子又由于抽运过程而减少，从而实现E2与E1能级间的粒子数反转。
E1
E3
E2
三能级系统示意图
激光产生必须有能提供光学正反馈的谐振腔。处于激发态的粒子由于不稳定而自发辐射到基态，自发辐射产生的光子各个方向都有，偏离轴向的光子很快逸出腔外，只有沿轴向的光子，部分通过输出镜输出，部分被反射回工作物质，在两个反射镜间往返多次被放大，形成受激辐射的光放大即产生激光。

激光按其泵浦方式可分为连续激光器和脉冲激光器两大类。连续激光器是采用连续或长脉冲（脉冲持续时间>>能级寿命）泵浦激励工作物质，使工作物质能级反转粒子数大于阈值并维持在稳定状态，连续输出激光。脉冲激光器是采用短脉冲（脉冲持续时间<能级寿命）泵浦激励工作物质,在整个激励持续过程期间，上能级粒子数处在不断增长的非稳定状态，由于脉冲持续时间很短，在尚未达到新的平衡之前，过程就结束，激光随着泵浦脉冲的到来而输出。若泵浦激励时间很短，则在激励持续期间E2能级上的自发辐射的无辐射跃迁的影响可以忽略不计，在这种情况下，要使E2能级增加一个粒子，只须吸收1个泵浦光子，当单位体积吸收的泵浦光子数大于阈值数时，便能产生激光。实验说明，脉冲持续时间越短，需要吸收泵浦能量的阈值会越小。超脉冲技术可以在不怎么增加成本的基础上获得相对高的功率的相对窄的脉宽，但是想要获得非常高的峰值功率或非常窄的脉宽必须使用调Q技术。超脉冲激光输出脉宽窄，峰值功率高等特点，优势应用在阈值要求高，热扩散要求少的材料上加工，比如玻璃，皮革，陶瓷等。激光热加工指当激光束照射到物体表面时，引起快速加热，热力把对象的特性改变或把材料熔解蒸发的过程
Q:品质因数
Q＝（圆频率）*振荡器内储存的能量/每秒钟损耗的能量
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