第五节：调Q和Q开关
这是通过改变激光器共振腔Q值，提高激光器输出功率和压缩激光脉冲宽度的技术．共振腔的Q值（也称腔的品质因子）是描述激光器共振腔光学损耗大小的量．光学损耗低的腔，其Q值高．共振腔的Q值由下式计算
Q＝２πν腔内存储的能量／每秒损失的能量
当泵浦源向激光器工作物质输入的能量（功率）达到振荡阈值时，激光器便产生激光振荡，输出激光．如果泵浦源继续泵浦，维持激光器在阈值以上，它就连续输出激光．激光振荡阈值与共振腔的光学损耗，亦即与共振腔的Q值有关．如果激光器的工作物质在受泵浦的期间，让共振腔的Q值保持很低，则激光器因振荡阈值很高而不能发生激光振荡，大量的泵浦能量继续存在工作物质内．当工作物质已“吸饱”泵浦能量时，突然升高共振腔的Q值，相应地，激光振荡阈值也突然降低，在阈值之上那部分储存能量便在短时间内发射出来，形成功率很高的激光脉冲．用这个办法得到的激光能量虽然比自由振荡（即不加Q开关）时得到的激光能量低一个数量级，但是，自由振荡激光器输出的光脉冲宽度是毫秒量级，而采用Q开关后得到的激光脉冲宽度大大缩窄，是几十纳秒量级．总的来说，还是使激光器输出功率净增加104到105倍，达几百兆瓦到几千兆瓦．
实施共振腔Q值突变的方法（也称Q开关）基本上有两种：被动法（被动Q开关）和主动法（主动Q开关）．前者是靠激光器本身完成共振腔Q值的变化，后者是由外部机械或电子学信号使共振腔Q值发生变化．两种方法都要求共振腔Q值变化迅速，变化幅度大．假定Q值变化速度缓慢，储存在共振腔内的能量将以宽脉冲形式释放出来，结果是降低了激光功率水平，Q值变化幅度太小，实际可转化为激光的能量数额也小．
常用Q开关有如下几种： 1．可饱和吸收体Q开关
这是属于被动Q开关．在共振腔内放可饱和吸收染料盒（或染料片）、色心晶体等（见图3-4）．它们对腔内的激光透过率是光强的函数，在开始时，共振腔内的受激辐射强度低，它们对光辐射的吸收率大，即共振腔的Q值很低；当工作物质被充分泵浦而达到激光振荡阈值时，它们发生饱和吸收，透过率上升到接
近 100%，共振腔的 Q值也随即突然升高到很高的数值．
2．电光Q开关
在共振腔内放电光元件和偏振分析器（如果激光器工作物质产生的辐射是偏振的，可以不用放偏振分析器）（见图3-5）．当给电光元件加上外电场时，会使通过的激光的偏振面发生旋转，由此可控制光束通过分析器的透过率．共振腔的Q值直接与分析器的透过率有关．现在最常用的电光元件是克尔盒和普克尔盒．
3．机械Q开关
用马达带动共振腔的一块反射镜高速旋转（见图3-6），当旋转的镜子转到与共振腔另一块反射镜精确平行的位置时，腔的Q值最高，在其它位置时腔的Q值都比较低．反射镜的转动必须与闪光灯的触发同步，使两块反射镜达到平行时，工作物质已得到充分的泵浦．通常使用Porro棱镜做转镜，其转轴和激光束轴线之间的小角度偏差并不影响共振腔的准直．这种Q开关的主要优点是重复性好，主要缺点是容易产生噪声．
机械Q开关
第六节：激光的锁模技术
激光锁模技术是使用适当方法，让激光器中发生振荡的各个模之间建立稳定的相位关系，发生相位“干涉”，形成脉冲宽度极窄、功率极高的激光的技术．
常用的激光器增益宽度都比较宽，在其频率范围内可同时容纳许多个模，而且它们当中有不少会同时达到激光振荡条件．这些振荡模不仅在频率上有些差别，振荡相位 也彼此没有关联．这些振荡步伐不划一的光波混杂在一起，总的
光辐射强度分布便呈现无规则起伏状态．激光器输出的光强实际上是各个振荡模强度按时间平均的统 计平均值．因此，脉冲展得比较宽，得到的功率也不会很高．
图3-7（a）是三个振荡模v1，v2，v3独立行动的状态，因为它们的相位彼此不一致，结果是总体光强体现不出规则的变化．如果各个模的相位保持稳定的关系，如图（b）那样，就会出现在A，B，C等地方三个模的光振动波峰相叠加，总的光波振幅为单个模的三倍，而在其它地方，则因为出现波峰、波谷相遇，光振动彼此抵消，总的光波振幅很小．这么一来，我们就可获得一列振幅高低差别悬殊、波形重复出现的光波，或者说得到一列功率很高、脉冲重复出现的光脉冲序列．
假定激光器同时发生振荡的模有n个，那么，锁模后得到的光脉冲宽度将缩窄为自由振荡时的1/n，而激光功率提高n倍，对于钕玻璃激光器，变化的倍数可达104倍．所以自从第一台激光器研制成功后，就注意使振荡模之间的相位关系稳定，以提高激光的功率．
使 各个振荡模相位关系稳定一致的基本做法是：在共振腔内放置象信号发生器那样的“主动”外激励调制器（现在常用的有电光调制器、声光调制器），或者放可饱和 吸收染料这样的“被动”调制器．相应地将前一种称为主动锁模，后一种称为被动锁模．下面以主动锁模为例，说明锁模的工作原理．
用频率fi驱动放在共振腔内的那只主动调制器工作，同时让最靠近增益峰值频率vm的模开始激光振荡．受调制器的作用，这个模的电磁场通过调制器之后将形成频率分别为vm+fi和vm-fi的边带．如果驱动频率fi等于两个纵模的频率间隔（数值等于c/2l，c为光速，l为共振腔腔长），那么，vm带将通过两个边带的“搭桥”与和它相邻近的两个模发生耦合，三者建立了振荡相位关系．当频率vm±fi的边带通过调制器时，又产生频率vm±2fi的新边带，它们又把vm与和它相隔频率2fi的模耦合起来，建立激光振荡相位关系．辐射在腔内来回通过调制器传播，与vm建立振荡相位关系的模越来越多，最后使在激光增益线宽范围内全部的纵模都耦合起来．我们说，振荡模此时已被锁定，激光器进入锁模状态．
除 前面谈到的主动锁模和被动锁模之外，还有同步泵浦锁模、碰撞锁模、主被动锁模等．用一台锁模激光器输出的连续脉冲序列泵浦另一台激光器，当被泵浦的激光器 共振腔长度与泵浦激光器的共振腔长度几乎相等或者是它的整数倍时，在一定条件下，也等效于在腔内放调制器，因而可以获得短脉冲激光输出，其脉冲宽度在最佳 条件下比泵浦光脉冲宽度小2～3个数量级．染料激光器、色心激光器、半导体激光器都可以采用这种锁模方法．碰撞锁模是让两个光脉冲在共振腔内相向传播，当它们在腔内的可饱和吸收体中重叠时，建立起对光束的调制作用，使激光器进入锁模状态．利用这个办法已获得脉冲宽度为飞秒（fs，1fs＝10-15s）量级的激光脉冲．
利 用被动锁模可以产生很窄的光脉冲，但这种方法也有一些缺点，比如为了产生稳态区必须非常严格地校正泵浦参数和共振腔参数，可调谐性还受可饱和吸收体的限 制．主动锁模能获得稳定性和重复性比较好的激光脉冲，而且适用的激光频率范围比较宽，但能够得到的脉冲宽度一般来说不如用被动锁模方法得到的窄．把被动锁 模和主动锁模相结合，就可以获得稳定性好脉冲宽度又窄的激光脉冲．比如，采用铌酸锂（LiNbO3）电光调制器作主动锁模器的红宝石激光
器，在共振腔内放入隐花青盒（被动锁模用的饱和吸收体），激光脉冲宽度便由原先的100ps（皮秒，1ps=10-12s）压缩到5ps．
第二章：激光技术的应用
从性质上来说，激光和普通光同属于光频波段的电磁波。但是，激光有它的特殊性，利用它能够做许多以往用普通光完成不了，或者完成得不好的工作。今天，激光技术意深入到国民经济建设和科学研究的各个领域，成为一门正走向实用化的高技术。
要想利用激光到现实生活中必须首先了解激光的特性：
激光有极高的亮度，大体上说，可以达到必太阳光的亮度还高100万亿倍。普通光源的亮度则比太阳光还低广元的单色亮度Bλ由下式表示
2Bλ=P/△S△λΩ
式中P是发光功率，△S是发光面积，Ω2是光辐射传播的立体角，△λ是光辐射频谱宽度，激光器的亮度极高主要源于：
1. 方向性好。激光器的天性就是知朝一个方向发射光，而且射出的光束发散角很小，接近衍射极限，称得上是高度平行的光束。迫同光源和激光器的发光范围
2. 单色性好。科学上用光辐射能量集中的频谱区间（称浦现宽度）衡量光的单色性，谱线宽度越窄，它的单色性越好。激光的单色性比别的光源更好，特制发红光的He—Ne激光器，波长632.8NM的谱线宽度只有2*10－9NM。
3. 相干性极好：相干性是表示电磁场在空间不同位置上瞬时的或统计的相位相关性质。在辐射场中的两个不同的点上，长的相位差总是有某些无规律起伏。如果光束中的两点之间无规相位差平均值凑巧小于1RAD,这两个点之间的距离叫“相干强度”。把相干长度之内两点的场分离开，然后再用某些方式把它们重新叠合，会发生干涉效应，形成明暗相间的条纹。一般来说，沿光束传播方向和沿截面方向的相干长度是不相同的。光波沿其传播方向通过相干长度所需的时间叫“相干时间”。相干长度和相干时间与光波单色性有关。激光的单色性很好，所以，他的相干长度很长。
4. 光脉冲宽都可以极窄：光源的亮度正比于发光功率。光源发射的能量集
中在很短时间内发射出来，产生的光功率也就很高。普通光源很难产生脉冲宽度很窄的光脉冲，而激光器能产生宽度计窄的光脉冲，使用Q开关的激光器，可以输出脉宽10－9S作用的光脉冲，使用锁模技术的激光器，可以产生10－14S的光脉冲。
1. 激光精密计量：激光有很好的单色性和相干性，用它作计量检测，能获得很高的计量精度，且测量方便快捷。激光可以用来作长度计量，1983年第17届国际计量大会通过长度单位米的新定义：米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中的行程的长度。在重新定义米的讨论中，决定用精确测量的激光的频率V。
2. 长度测量：利用光的干涉方法能进行精密长度定位，但是，有效量程受单色性限制，但激光有很好的单色性，用它的计量的有效量程会大得多。
3. 测距和测速：利用激光照射在运动物体上产生的反射光多普勒频移，或利用从运动物体表面散射的激光衍射花样发生的移动，可以确定物体的运动速度。这种方法测量的速度范围宽，低的可以测出每秒移动0.007CM的速度，高的可以测出每秒几百米的速度。
4. 激光准直导向：光沿直线传播。激光的亮度高，方向性又好，是良好的天然准直线和导向指示线。它无重量，不发生重力弯曲，还可以通过光电子系统作自动准直校正，准直精度高，完成准直花费时间少，手续简便。
5. 激光表面质量检测：以激光的相干性和单色性为基础的检查技术，检查速度快，漏检率低，还可以在生产线上进行检查和分类。利用激光全息技术可以不用解剖样品而直接探出零件内部是否存在缺陷，以及缺陷的位置，大小。即激光无损检测。
激光信息处理
在现代社会生活中，需要存储传递和处理的信息量巨大，而且数量还与日俱增。激光技术能够大幅度提高信息处理能力。利用激光束来读取和写入信息在光盘上，存储量巨大而且读取信息时间很短在50ms~100ms之间，而且只要光点与光盘不发生机械磨擦，只要光盘材料稳定，使用寿命原则上是无限的。
无线电通信，传递信息迅速快捷，随着传递的信息量日益增大。提高传递信息容量比较简单而有效的方法时提高使用的载波频率，光波的频率在1014Hz1015Hz之间，所以光波通信的容量比以往的微波通信提高1万倍到10万倍。不过普通光源发射的是非单色光，并不适合做通信的载波。只有激光发明后，提供了单色性很好的光波，光通信才进入实用化。利用光波的载波通信，做法和微波通信相类似。激光器输出的光束经过光电调制器调制后送到发射天线（一只光学发射镜）发射出去。在用户接手段，接受天线（也是发射镜）把传送过来的光辐射汇集在光电接收器，它输出的电信号再经电发大和解调之后就可以得到传递的信息。在实际应用中，为避免光波在大气传播过程中受到大气吸收，散射造成的损失，光信号是在光纤内传送的。光信号在光纤中的损耗很小，现在的技术水平已达到0.2SB.KM-1,这就是光纤通信。
光计算
光波有并行性，又可以交叉，亦即几束光在一起不发生相互影响（电流则没有这个性质），所以，利用广播数代替电流构造计算机，会获得更高的计算速率和容量。数字光学计算机能克服电子计算机串行处理中的“瓶颈效应”使计算速度和容量大幅度提高。此外，激光图像处理技术（由于光束的并行及可交叉互联性）是一种高速信息处理技术，它可与计算机图像处理互为补充。在显示技术方