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莱因哈特·波普拉维教授

激光技术有限公司主席 亚琛工业大学

雅典大学激光技术协会主席认为激光

是一种特定光

针对相关应用的特定光

即

在空间方面的聚焦能力

时间方面的脉冲持续时间和频率

以及激光颜色的频谱频率

在接下来讲座中，我们将讲到在脉冲方面

特定激光的时间质量

这个非常重要，我决定分成两部分来讲

现在我先讲第一部分

这部分包括脉冲动机

脉冲激光辐射的表征

脉冲激光辐射的产生

获得转换和质量转换，Q转换代表质量转换

在第二部分中，我们将学习更短的脉冲

即限制在纳秒范围内的脉冲

大约十亿分之一秒

我们一般用右侧的图表

来解释脉冲的原理

从这图片上，我们可以看到黄色和蓝色两种脉冲，它们拥有相同脉冲能量

第一个，黄色的那个

脉冲强度是蓝色的四倍

然而脉冲长度仅是蓝色脉冲脉冲长度的四分之一

因为这些脉冲被物料吸收了

从下面这张图就可以看出来

较短脉冲的温度

是较长脉冲的两倍

你也应该看出来了物料的表面的温度

以及物料的穿透深度

与底部脉冲持续时间的相关性

换句话说，脉冲越短

物料的表面温度越高

物料中的热穿透深度就越小

接着

让我们来看一下定量结果

这里的热穿透深度（以米为单位）

与脉冲持续时间的关系图

也即

我们制作脉冲的时间越短，穿透深度就越浅

我将在本节的第一部分

介绍激光，激光有利于我们

达到纳秒的境界

换句话说，这能让我们得到

金属铁和铝的渗透深度

这两个图表

一个关于微米，一个关于微米一部分的熔化深度

这里已经达到了一个非常高的精度

这些激光用于精密钻孔和精确烧蚀

而且效果显著

首先

关于脉冲激光辐射的特性

一般来说，我们所指的是脉冲功率

脉冲功率的峰值，也就是最大功率

我们所说的脉冲功率，是与时间相关的

我们所说的脉冲宽度是以秒为单位的脉冲平均宽度的一半

在这种情况下，脉冲重复率表示脉冲的连续性

当它们出现在表面上时，重复率在2个脉冲之间的时间段内

仅为1

这是典型的激光参数

脉冲能量为1毫焦耳1千赫兹的重复率，相当于10纳秒的脉冲持续时间

那么该系统的平均功率为1瓦，峰值功率为100千瓦

在此前提下

我们现在将研究系统如何产生脉冲

以及脉冲如何在激光谐振器中产生

我们先看一下增益转换

你应该还记得我们之前关于速率方程的视频

红色方程非常简单

用时间导数反转，粒子数的时间导数

还有光子密度的时间导数，这两个微分方程

来描述谐振器中激光能量形成的整个过程

所以

如果我们现在发出脉冲

你会看到这里的增益是矩形的

并具有一定的时间常数

然后出现下一个脉冲，你现在看一下粒子数反转

你就能看到输出功率

而且你会发现开始的时候，会出现一些振荡

这是因为能量

在进行粒子数反转，另一方面

光子密度

你应该能猜到，能量在反转

或者在光子密度中，是完全不同的

如果我们仔细观察这一点，你就可以在右侧看到

现在让泵保持打开状态

粒子数反转增加到了临界阈值

然后，光子密度开始上升

第一个峰值脉冲产生了

它很强大，以至于受到发射的辐射

在产生新光子的阈值下耗尽了粒子数反转

因此，脉冲简单地回到零

然后粒子数反转再次增加

光子密度峰值再次上升

粒子数反转和光子密度之间的这种振荡，反转

最后光子密度达到稳态值

从而获得转换或者质量转换

我们用反转和光子密度之间的能量振荡

来识别和区分这些非常快速的

上升脉冲和下降脉冲

在达到稳态后，必须将峰值功率与平均功率

清楚地区分开来

如果我们仔细研究这个过程

我们会看一个我个人非常喜欢的图表

它非常清楚地显示了这里发生的反转密度

和光子密度

当然，我们从零开始

我们期望的是，先是反转增加

直到我们达到受激发射阈值

然后光子密度上升

在上升过程中，反转密度减小

直到光子密度再次降低，然后反转再次增加

依此类推等等

让我们看一下这个动态图，看看发生了什么

开始逐个循环

逐步进行

以期更接近稳定状态的值，这些值位于该图的中心

我们如何在谐振器中转换能量？

可以通过调整质量

提示你一下

品质因子是

系统储存能量

以及每个周期外界所提供能量的比例

换句话说

如果有一个更高的反射，而且又非常小的过渡谐振器

就能得到更高的品质因子

因为在镜子之间只有一个往返行程

只有很小一部分能量被耦合输出

所以，损失非常小

那么，我们就拥有了一个高品质的谐振器

另一方面

如果你有一个高输出耦合

如果我们在谐振器中进行一个周期的实验，再取出所有东西

那么品质将非常差

因此，要启动激光器

我们就需要调制这种品质

可以简单地

将衰减器放入谐振器

让其进入腔体

衰减器有效阻止光子谐振累积激光束

使其不能达到相干激光束的谐振累积条件

如果取出衰减器

品质将转换到谐振器的标准值

即几乎为零

也就是说，它瞬间达到谐振器的值

我们也就得到了激光器的振荡周率

我们可以这样类比

我们在这里画一个

水箱图片

如果我们一直往水箱装水

同时也让水箱一直流水，你把它想像成

单个振荡谐振器

激光谐振器

振荡和光束耦合

持续辐射，持续泵

持续激光

现在，如果我们关上水箱的出口

让水位上升

这相当于增加粒子数反转

但是这样并不能产生激光束

此时，我们需要

更多的辐射系统的潜能

然后，取出插头，换句话说

提高谐振器的品质

让激光器开始振荡,这样我们就能得到一个极强的

光子发射

而且功率会增加，就像你之前看到的图片那样

如果更详细地

了解速率方程

你就会发现，其实很大程度上取决于谐振器中光子的寿命

光子的寿命是谐振器的两倍

这是往返距离

除以光传输的损耗

损耗至关重要

如果我们将谐振器挡住

光耦合器的外耦合器

能减少相当一部分光学损失

如果打开谐振器,光学损耗非常低

说得更详细一点

如果损耗自发增加

则谐振器的品质将降低

意思就是，我们无法发射光子

泵所有的功率都用来增加粒子数反转

当我们停止损耗，让谐振器启动以使品质增强时

我们立即就能形成光子脉冲

现在我们已经基本理解Q转换的工作原理了

问题是

我们如何实际地在谐振器中做到这一点

在这张图中

你可以看到几种转换方式，即几种转换

最简单的是给光盘打孔

有洞的，没有洞的

根据旋转频率

我们有传输

也有损耗

我们用一个声波的

晶体光学器件

和利用偏振

让方向变化的电光器件

接下来我将详细介绍这两个问题

可以说，自动版本的转换器

是可饱和的吸收器

在这种情况下

入射光子匹配

或者可饱和吸收体的材料与入射光子的频率匹配

我们得到完全吸收体

如果吸收体中的所有状态都是活性的

如果粒子数的上层和下层相等

那么它们在上层不能更高

因为如果更高的话，光子就会受激发射

因此，在这个均衡的时刻

吸收体将转向透明体

因为再也没有机会吸收光子了

这是一个非常简单的开关

因为它是被动的，是自我操作的

不需我们去触发它

让我们仔细看看各个方面

在这里你可以看到一个声光调制器

此时，我们将振荡中的电磁场放到换能器中

把换能器放在谐振腔的晶体中

从而产生声波

该声波就是共振声波

影响着折射率的调制

从激光束的角度来看

也就是光栅

一旦我们开启这个电压

这个振荡电压

我们就能获得光栅，从而在激光器的共振平面

产生强烈的衍射

然后，我们转换损耗

如果没有声音

那么只需要使谐振器中的晶体

达到完全传输

你可以看到细节

当我们选择声波的频率

我们就可以得到

相对于入射激光辐射的

高效光栅效果

这里有一个电光调制器

在这个腔中需要

两个极性立管

一个普克尔盒

我们的想法是，我们用一个线性偏振激光束

如果不改变偏振方向

肯定是完全透射的

然而，如果我们开启普克尔盒中的电压

辐射偏振相应产生变化

因此

如果我们选择，在第二偏振器处

90°非常有效地耦合

并且非常有效地调制损耗

以及调制谐振器的品质

现在我们理解了

如何调制谐振器的品质

从而调制

激光器的输出功率

并产生脉冲

这些方法

取决于活性物料

波长

系统

我们可以从几微秒到几十亿秒的Q转换中获得激光

总结一下

我们再回忆一下

我们之前关于脉冲动机的图片

如果你再看一下脉冲持续时间

现在就知道如何调制

从CW到大约一纳秒的值

因此，这时我们就可以使用Q 转换

如果我们现在想要更短的脉冲

问题是

这是完全有可能的，只是我们要怎么才能做到

答案是肯定的，这是可能的

我们可以做到

这是模式耦合再生的飞秒世界的范畴