调Q(Q开关)技术(精)_职业技术培训_职业教育_教育专区。调Q(Q开关)技术(精)
光电子技术 精品课程 第二章 调Q(Q开关)技术 电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院 调Q(Q开关)技术 两个基本问题： 一、调Q技术的基本概念和基本理论 二、实现调Q技术的方法： 1. 电光调Q ； 2. 声光调Q ； 3. 染料调Q ； 4. 色心晶体调Q； 5. 转镜调Q 。 光电子技术精品课程 2.1 概述 一、调Q技术的目的： ? 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 光电子技术精品课程 二、一般固体脉冲激光器的输出特性 ? 1. 输出的脉冲是系列尖峰振荡 激光器在阈值附近工作。 2. 脉宽比较宽，输出功率低 光电子技术精品课程 三、调Q原理 ? 1. 定义：Q值是评定激光器中光学谐振腔质量 好坏的指标----品质因数。Q值--定义为在激光谐 振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的 能量之比。 式中W---腔内储存的总能量， dW/dt--光子 能量的损耗速率，即单位时间内损耗的能量。 ---激光的中心频率。 ? 2．调节Q值的途径 一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。 光电子技术精品课程 ? 3．调Q技术的过程 (1)能量贮存过程 a.激活介质贮能 当光泵的能量被激光介质吸收后，使激活离子贮存在 激活介质的高能态上（该能级有一定的寿命）。不产生激 光辐射－从而使反转粒子数达到最大值。实现这一过程， 满足的条件： 达到最大值，增益达到最大，而 很大，使阈值高， 满足 ，激光不振荡，Q低。 b.激活介质－谐振腔组合贮能 先是使反转粒子数达到最大值 ,但满足 然后 使 ～产生激光－又以光子的形式贮存在腔内。 光电子技术精品课程 (2)．激光产生与输出过程 条件：G ? ? , ? 减小到 ?min , Q达到最高。 因为增益最大，所以 ?min 小时，激光迅速建立， 在极短的时间内，工作物质贮能通过光子的受激 辐射过程释放出来，形成巨脉冲。调Q的过程： ? 调节 ，相当于 Q是一个门，关上门，Q低－贮 能，打开门－产生激光。 光电子技术精品课程 2.2 调Q激光器的基本理论 一、调Q的速率方程。 ? 1.速率方程 ? d?n ? 2 n1Wp ? n 2 A s ? ?n? 21?? ? ? dt ? ? d? ? ? n ? ? ? ? ? ? 21 ? ? dt ? ? 对于一般的脉冲激光器，脉冲形成时间长， 泵浦、自发辐射、受激跃迁过程都是存在的。采 用Q开关技术后，各参量之间的关系发生了很大 的变化。根据Q开关的过程分析速率方程的变化。 光电子技术精品课程 ? 2. 调Q理论 调Q的过程：氙灯的能量转成工作物质的能量， 两个阶段 (1)即低能态的粒子被激发到高能态，产 ?n 生最大 ；(2) 产生受激辐射。 0 (1) 积累 ? n ,达到最大值（不让出激光）经过 一段延迟时间－ －从氙灯点燃到Q开关打开积累 ? n 的时间 此阶段不应存在受激辐射过程。 速率方程： d ?n ? 2n 2 Wp dt 光电子技术精品课程 (2)激光脉冲形成与输出（瞬态过程） 受激辐射迅速，时间短，因此忽略泵浦和自发辐射。 Q开关方程： ? d ?n ? ?2?n? 21?? ? ? dt ? ? d ? ? ? ?n ? ? ? ? ? ? 21 ? ? dt d? d? dt 0, 而且 dt 大好。 此阶段主要是产生光子。要使光子增长的快 从光子的速率方程可以看出，在激光形成阶段，光子 的损耗下降的快慢对激光形成是有影响的，δ下降的快， 有利于激光的形成。 光电子技术精品课程 二、阶跃式Q突变的近似解 阶跃式Q突变，即Q值从第一阶段的最小值突然变 到第二阶段的最大值不需要时间，或者说需要的时间很 短，可以忽略。 ? 1. 激光脉冲的峰值功率和脉冲能量 要找到脉冲的峰值功率，只要知道输出的最大光子 数即可，利用速率方程组可得到： 1 1 E ? (?n0 ? ?ne )hv? P ? h?? max ?? 0 2 2 其中， ? ～工作物质的体积， ? 0 ～单位时间光子的透过率。 ?n ?n ?n 1 1 ?n 1 ? max ? ?nt [ 0 ? ( 0 ? 1) ? ( 0 ? 1)2 ? 1] ? ?nt ( 0 ? 1)2 2 ?nt ?nt 2 ?nt 4 ?nt 光电子技术精品课程 ? 2．时间特性 调Q激光器输出的脉冲从时间上分为三阶段：脉冲建 立时间 、脉冲前沿时间和脉冲后沿时间 。 脉冲宽度可表示为 ?n ? =- ?? n c r d ?n ?n ?n ?n ?n ? ( 0 ? ? ln ) ?nt ?nt ?n0 上面积分，由于含有对数项，不易直接 求得解析解，只能 用数值积分法求得的数值解。 ?n ? 3．参量 ?n 的影响 ?n 越大，则峰值功率、输出的能量越大、脉冲宽度越 ?n 窄，说明调Q的效果越好。 0 t 0 t 光电子技术精品课程 三、Q开关激光器的特点 ? 1. 通过改变改变Q值——改变阈值，控制激光产生的时间。 ? 2. 两阶段 （1）储能阶段（延迟时间） 反转粒子数达最大值 。 ?n0 （2）激光产生输出 忽略泵浦和自发辐射的影响。 ? 3. 开关时间 从Q值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要 的时间叫开关时间。 开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小 分为快、慢两种类型。 光电子技术精品课程 2.3 电光晶体调Q 一、电光晶体调Q原理 ? 1. 电光Q开关原理。 利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式 电压，调节腔内光子的反射损耗。 （1）第一阶段：积累阶段 例如：采用KDP纵向运用方式，即Z向加电场，Z向通光 光电子技术精品课程 第一阶段是在晶体上加 V? 2 。偏振光通过KDP晶体时 分解为沿X和Y方向振动的振幅相等的两束光，两束光的 振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播时，其合成的 规迹由两光的相位差来决定，当 ? ? ? 时，两束光合成 为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原振动方向旋转 90度。因为P1//P2，所以，从晶体出来的光不能通过P2， 被P2反射掉。所以光不能在腔内来回传播形成振荡。这就 相当于腔内光子的损耗很大，Q值很高，称为“关门”状 态。 （2）第二阶段：脉冲形成阶段——Q开关完全打开 在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值 ?n0 时， 突然退去晶体上的电压，这时晶体又恢复了原来的状态， 光在腔内形成振荡 。 光电子技术精品课程 （3）激光器的时序关系 电光Q开关的过程由晶体上加一阶跃式电压来完成的。 是快开关，因此时序关系同阶跃式Q开关。 （4）电光晶体Q开关的电路 要获得一高峰值功率的窄脉冲，对同步电路的要求是： a ．给出可靠的触发信号去点燃氙灯。 b．在点燃氙灯的同时，给出一脉冲信号经过一段延迟时 间后，退去晶体上的电压，打开Q开关。延迟时间可靠、 准确、可调。 c．退电压要快——开关速度快。 d．晶体上加 V 电压，要求稳定可调。 ? 2 e．保证Q开关关的及时。 光电子技术精品课程 ? 2．简化的结构： V? 前面的结构在晶体上加 2 ，对于KDP来说 =10000V，给电路带来不便。腔内插入两个偏振 片，增加插入损耗，改进结构。晶体上加 V ?4 ：从 YAG来的光通过P变成x(y)方向振动的光，通过 V? KDP时，分成 x’(y’) 方向振动的光，加 ，两束光 4 ? 的相位差 ? ? 2 。出射晶体以后，合成为圆偏光 （偏振面旋转45度），这束圆偏光通过全反射后 ? 第二次通过KDP，o、e光又得到 2 相位差—— 合成为线偏光。线偏光的偏振方向和入射光的偏 振方向成90度，或者说光通过KDP两次，o、e光 的相位差 ? ? ? ，和前面的结构实际是一样的。 光电子技术精品课程 ? 3.无偏振器的Q开关激光器 对于90度生长的红宝石（生长轴和晶体的光轴成90度 角）。本身产生的激光是线偏光，因而在调Q时，不需要 加偏振器。 ? 4.晶体的运用方式 （1）KDP主要运用纵向方式 （2）KDP横向运用 存在与外加电场无关的自然双折射造成的附加相位差， 影响调Q的效果。采用组合的结构可以消除附加相位，但 要求加工精度高，使用困难。 （3）LN电光晶体横向应用 光电子技术精品课程 二、单块双 450电光Q开关 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 0 双 45 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。 ? 1. Q开关原理 可以分储能和振荡两个阶段讨论它的调Q原理。 光电子技术精品课程 ? 2. LN晶体Q开关的误差 有很多原因造成误差，使得在加压时令门“关不死”， 在不加压时，有一部分光偏离出腔外，造成输出光降低。 原因： （1）晶体在加工时造成的误差。450 不够准确，光轴有些偏 离。 （2）入射的光束不能严格地垂直入射面等。 （3）入射光有一定的发散角，因此相当于有一部分光束不 是垂直入射面入射。 （4）o、e光走的路程不同，因此当 Vx ? V? 时，o、e光并非 2 完全旋转90度。 光电子技术精品课程 ? 3. 双 450 Q开关的特点 优点： 0 （1）双 45 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）输出的光是自然光，因此比输出线偏光的激光器效率 高一倍。 缺点： 0 45 （1）晶体的结构复杂，加工困难。保证双 以及晶体的 方位也不容易。 V? 0 45 （2）由于加 2 电压，因此实用起来有一定的困难。单 Q开关可以克服上述缺点。 光电子技术精品课程 0 45 三、单块单 电光开关 1. 原理 ：以LN横向运用退压式结构为例，分析原理和一 般Q开关相同。 也是分两个阶段讨论其工作原理：粒子数积累阶段和 脉冲形成阶段。结论：单 450Q开关相当于带一个偏振器 的Q开关。 光电子技术精品课程 ? 2. 单 450 Q开关的误差 （1）口径效应：工作物质不同位置发出的激光，通过晶体 时，走得路程不一样，因而o光、e光的相位差不 ? ?? 。 等， （2）克服口径效应的办法 0 a. 可以把电极做成矩形，使 45 角上无电场。 b. 利用一个互补的无相位变化的棱镜来代替谐振腔中的 全反镜。 ? 3. 单 450 Q开关的特点 V? 优点：结构简单，加工容易，插入损耗小；加电压 4 比 0 双 45 Q开关低一倍；适合各种工作物质。 0 45 缺点：输出的是线偏光，比 双输出功率低；存在口径 效应。 光电子技术精品课程 四、脉冲透射式Q开关激光器 ? 1. 原理： 反射式Q开关激光器：由于激光的形成和输 出同时进行，因此脉冲宽度的压缩受了限制。脉 冲透射式Q开关打破了这种限制，把激光形成和 激光的输出分成两阶段。共三个阶段： ? max 、Qmin ，激光不能振荡，积累阶段（透射 a． 损耗大） ? max 、Qmin ，激光形成但不输出（透射损耗近 b． 似为零） c．激光输出阶段（透射损耗大） 具有以上特点的激光器为透射式Q开关激光器。 光电子技术精品课程 透射式原理不同于反射式，结构做了改进： Q开关的三个阶段：1)加 V? 2 ，2）退压，3）加 V? 2 光电子技术精品课程 ? 2. 峰值效率 峰值功率由三个因素决定 ?n0 （1） ?n 比值大，工作物质储能大，损耗小，所 t 以P大。 （2）第二个阶段激光形成的功率密度，只有当腔 内激光功率密度达到最大值时，才让激光输出— —P最大。 （3）脉宽小，因此P大 。 光电子技术精品课程 ? 3.简化结构 ? 4．开关效率 定义：激光器动态输出能量与静态输出能量之比。即同一 台激光器且输出能量相同时， 动能： Q开关激光器所输出的能量。 静态能：激光器中不加Q开关输出的能量。 光电子技术精品课程 五、Q开关的其他应用 ? 1.削波器 主要用于从几十个ns 的光脉冲中削出一个 几ns 的光脉冲，即可压缩脉宽，又整型。 ? 2.隔离器 一般用在激光放大器中，在放大级之间对光 进行隔离，阻止后级光返回到前级放大器或振荡 器中。 ? 3.选通开关 主要用于从一序列光脉冲中取出一个脉冲。 光电子技术精品课程 2.4 声光调Q 一、声光调Q原理： ? 1.声光调Q和声光调制器的比较： 相同点：声光调Q和声光调制器都是利用晶体的 声光原理，以声光相互作用原理为基础。声光介 质在超声波的作用下，折射率发生周期性的变化， 使介质变成正弦相位光栅，当光通过这样的介质 时，发生衍射。 不同点：(1) 声光调制器采用两种衍射方式，喇 曼奈斯衍射和布拉格衍射。声光Q开关考虑效率 问题只采用布拉格衍射。喇曼奈斯衍射产生多级 衍射光，各级光的衍射效率比较低，不易实现调 Q。（目前也有这种衍射的Q开关）。 光电子技术精品课程 (2) 声光调制器是利用连续变化调制信号控制加在换能器 上的超声功率，使超声波受到振幅调制，使相位延迟周期 性改变，使输出光强发生相应的周期性改变。 2 2 布拉格衍射 I1 ? I i sin ( 2 ) 喇曼奈斯衍射 I 0 ? Ii cos ( 2 ) ? ? 声光Q开关在换能器上加一阶跃式的调制信号实现调Q。 布拉格衍射只产生两级衍射光:0、1级光： I0 ? J 02 (? ) I1 ? J12 (? ) 式中 ?? 2??nl ? ? 2? ? L n6 P 2 2? P ? s H ?? s 3 ? L M 2 Ps H I1 ? I i sin 2 ( ) 2 ? 光通过声光介质产生的相位延迟 ? 由 P 决定 s 光电子技术精品课程 二、声光Q开关的结构 相同：声光Q开关的结构和声光调制器完全相同。换能器、 声光介质、吸收器三个部分组成，且材料、尺寸相同 不同点：声光调制器：有驻波和行波两种结构。 声光Q开关：只有行波结构。 光电子技术精品课程 三、声光Q开关的应用 由于声光Q开关需要的调制电压很低，一般小于200V， 声光Q开关最大优点是用于高重复频率的Q开关激光器。 在连续激光器中加入声光Q开关，可以得到高重复频率的 调Q脉冲。 ? 1. 重复频率的选择 ?n ? 2. 提高 ?n 之比 ? 3. 提高衍射效率 ? 4. 特点：优点：声光Q开关是快开关，可以获得1000次/ 秒以上的高重复率的激光脉冲，而且脉冲的重复性很好。 缺点：只用于低增益的连续激光器，对于高增益的激光器， 开关能力差，容易“关不死门”。脉宽比较宽，开关速度 比电光Q开关慢。 0 t 光电子技术精品课程 2.5 被动式可饱和吸收调Q 一、可饱和吸收染料调Q的基本原理 利用一种可饱和吸收体做为Q开关，这种可 饱和吸收染料是一种非线性吸收物质，把它放在 谐振腔内，利用它对光的可饱和吸收特性来改变 谐振腔内的吸收损耗，起到Q开关的作用。 ? 1.可饱和吸收体的吸收特性。 可饱和吸收体是一种非线性吸收物质。假设 一束光通过吸收物质时，吸收系数为 ? (? )，透过 率 T ? ，吸收率为 A(? ) ，则 ( ) 则 Iout ? Ii e?? ?? ?l ? IiT ?? ? ? Ii ?1? A ?? ?? T (? ) ? e－? (? )l A(? ) ? 1 ? e－? (? )l 光电子技术精品课程 ? 2．饱和吸收原理 染料具有饱和吸收的原理可以用能级跃迁的量子理论 来解释。吸收物质初始状态：染料分子处于基态， ， -二能级系统。 NN －吸收物质总粒子密度；n1 、n2分别是高 n2 ? 0 n1 ? 能态，基态粒子密度。 染料从基态到高能态吸收光子，故初始A(? )大。当染料 吸收光强从基态到高能态时，则n1减小， n2增加。染料的 ??? ?n 吸收存在两过程 n ??? ? 吸收体对入射光强的改变应是这两个过程的综合过程。 A(? ) 高能态粒子越多，则吸收光强越少。即n2增加， 下降。 当高能态粒子数n2和基态粒子数n1相等时，这时从低能态 到高能态的受激跃迁的粒子数和从高能态到基态放出光子 的粒子数相等。即吸收的和放出的光子相等。达到饱和。 吸收光 1 放出光 2 光电子技术精品课程 二、染料调Q激光器 ? 1. 染料Q开关激光器型式 两种，染料盒和全反射镜合为一体，利用染 料盒的后壁做全反镜。在锁模中用。 染料盒单独放在腔内，这种机构注意避免染 料盒的表面和反射镜之间形成寄生振荡。一般染 0 0 料盒倾斜一个小角度 1 ~ 2 ，也可以倾斜布儒斯 特角。 光电子技术精品课程 ? 2. 染料Q开关的工作过程 Q低、? ? G 阶段， ? max 、 ?n 积累 （1） hvB ? ? a. 初始态，氙灯未点燃，腔内u＝0，染料 c 很大， 染料分子处于基态； b．氙灯点燃，工作物质开始积累， 这时工作物质的上能级自发辐射产生的荧光被染料分子吸 ? (v ) ? ，T上升。但u小，都被染料吸收，损耗很大。低 收， Q高损耗，激光不能形成振荡。 （2）激光形成与输出阶段 T ??，即腔内的 a. 随着荧光的不断被染料吸收，则 ? (v) ?? ， 损耗不断下降，当下降到? ? G 时，激光到达阈值，开始 振荡－Q开关打开。 b.激光达到 阈值开始振荡，因此腔内激光密度u很强，染 ? ( v ) ? 0，染料无吸收损耗，Q开关完全打 料很快达到饱和， 开－输出一巨脉冲。 0 (v) 12 ( v ) 光电子技术精品课程 三、影响调Q的效果的因素 主要讨论吸收体、输入能量、吸收体浓度对调Q效果 的影响。 1. 染料吸收体 吸收体是染料Q开关的核心，它对调Q的效果影响最 大。因此合理的选择染料很重要，并不是什么样的染料都 可以做调Q开关，而且不同的工作物质所需要的染料不同。 染料需满足下面条件： （1）吸收体的吸收峰和激光器的中心波长对应 （2）染料配成溶液要具有一定的稳定性。 （3）选择的染料必须有高的开关效率。 光电子技术精品课程 ? 2. 染料浓度的影响 （1）染料浓度N大 基态n1大，初 A0 (v ) 始大，当染料饱和时n1=n2，从基 态的粒子激发到高能态达到饱和时吸收的光强多——饱和 光强大，因此染料从初态到饱和需要的时间长——延迟时 间长。 如果N过大，饱和光强大，腔内的光强不能使染料达 到饱和，这时染料起不到Q开关的作用。 （2）染料的浓度小 N小， I s 小，延迟时间短— ?n 小，输出功率小。由于 Q开关打开的时间早，容易出现多脉冲。如果N过小，则 实际上是尖峰振荡。 结论：在一定的输入能量下，存在一个最佳浓度，延迟时 间正好使 ?n 达到最大值。此时激光器输出单脉冲，峰值 功率最高。 光电子技术精品课程 ? 3. 输入能量 一定的输入能量对应一个最佳浓度。输入能量改变， 最佳浓度变，当输入能量增加时，最佳浓度向着浓的方向 移动。因为输入能量的变化，相当于腔内光强变化，延迟 时间变化， ?n 变。 ? 4. 染料盒的影响 ? N? ( v ) l A ( v ) ? 1 ? e 最佳浓度N一定， 若l（盒的厚度）变，则 A( v )一定时（A0 (v )一定），最佳浓度 N变，l 小，N大，对于稳定的脉冲输出是有利的。溶剂的 比例小，因此溶剂的吸收损耗小。一般尽量选薄一些的染 料盒（1mm左右）。 ? 5.输出镜反射率的影响 反射率R大，腔内u高；R小，腔内u小（在相同输入 能量下，R大延迟时间短）。R对延迟时间有影响。R比静 态激光器低，使延迟时间更长，利于 ?n 的积累。 光电子技术精品课程 四、染料Q开关的特点 优点：1.简单方便。这种Q开关只要配好溶液放在染 料盒内，或做成染料片成品。放谐振腔中即可。而电光调 Q中还需要一套电路系统控制Q开关。 2.速度快。染料Q 开关属于快开关。一般10-9nS量级。3.自动实现开关和增 益的调谐。4.具有选模的作用。在中心频率附近的模式， 增益高，先振荡，消耗；而增益低的模式被抑止（在漂白 前）。漂白后，其他模能够振荡。 缺点：1.同步精度差。不需要同步装置—简单，但要 得到很好的调Q效果需要经过反复实验。而实际要求和Q 开关激光器同步，染料Q开关不能使用。 2.稳定性差。染 料的溶液不稳定，影响输出的功率不稳定。 3.输出功率不 能很大。因为染料调Q激光器实际上在阈值附近工作。因 此染料Q开关激光器适用于同步精度要求不高，稳定性要 求不高的实际应用。 光电子技术精品课程 五、LiF可饱和吸收晶体Q开关 1. 工作原理：LiF晶体是无色透明晶体，不能做Q开关晶体 用，但当它经过射线辐射后就可以产生色心，开始变为棕 红色。随着辐射剂量的大小不同，其着色的深浅也不同， F2? ， F2? 心等。由于色心不同， 产生不同的色心——F，F2， 吸收谱产生了明显的变化。 利用LiF色心晶体在Nd：YAG激光器及红宝石激光器中实 现调Q。 光电子技术精品课程 ? 2. 特点 （1）被动式Q开关，利用LiF色心晶体可饱和吸收 的特点。 （2）作为Q开关，晶体相对于染料长期稳定性好， 光学质量好，抗光损伤阈值高。 光电子技术精品课程 本章小结 一、调Q技术的基本概念和基本理论 实现调Q的方法——机、电、声、染料 ? 1.调Q 的目的，Q的物理意义，如何实现调Q 调Q的目的：压缩脉冲宽度。 调Q激光器用于很多方面：阴影照相，测量高速 运动的物体速度; 全息照相，对运动物体拍照 ? 2.基本理论 （1）能利用速率方程分析调Q的过程 （2）峰值功率和脉冲宽度 （3）开关效率 ?? 动态能量 静态能量 光电子技术精品课程 二、实现调Q的方法 ? 1. 电光晶体调Q (1) 反射式Q开关原理，利用晶体的电光效应，在晶体上 加一阶跃式电压，改变Q值。 (2) 透射式Q开关，三阶段：a.粒子积累，b.激光产生，c. 激光输出。 ? 2. 声光调Q：利用布拉格衍射，行波。 ? 3. 可饱和吸收体调Q (1) 染料可饱和吸收特性 染料吸收率是光强的函数，初时的吸收率很大，光强 增大，吸收率减少，吸收率为0，染料饱和。 (2) 染料Q开关激光器 光电子技术精品课程 ? (3)影响的因素 a. 染料的选择：中心波长、稳定、提高开关效 率等 b. 染料的浓度，最佳浓度。 c. 输入能量，一定的输入能量对应一最佳浓度。 d. 染料合，薄。 e. 镜的反射率。 ? 4. LiF色心晶体Q开关 ? 5. 转镜调Q 光电子技术精品课程