调Q技术_物理_自然科学_专业资料。调Q技术 内容 ?概述 ?调Q技术理论 ?几种激光调Q技术 概述 调Q技术也叫Q开关技术，是一 种将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲 中发射从而使光源的峰值功率可提高 几个数量级的一种技术。通常将
调Q技术 内容 ?概述 ?调Q技术理论 ?几种激光调Q技术 概述 调Q技术也叫Q开关技术，是一 种将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲 中发射从而使光源的峰值功率可提高 几个数量级的一种技术。通常将这种 高峰值功率的窄脉冲称为巨脉冲。 ? ? 在激光技术中，用Q值来描述一个谐振腔的质 量，称其为谐振腔的品质因数。 Q值定义： 腔内存储的激光能量 Q ? 2?? 0 每秒损耗的激光能量 如果腔内储能用E表示，光在腔内传播一个单程的能 量损耗率用 ? 表示，则光在腔内走一个单程的能量 损耗为 ? E。设谐振腔腔长为L，腔内介质折射率为 n，则光在腔内传播一个单程所需时间t为 ，光在 腔内每秒损耗的能量为： E t ? ?Ec nL ? 则谐振腔的品质因数Q可表示为： Q ? 2?? 0 E 2?nL ? ? ?Ec nL ?? 0 式中， 为真空中的激光中心波长。 从式中看出，当 与谐振腔参数L一定时，谐振 腔的品质因数Q与腔的损耗成反比，即Q值可以表 征谐振腔损耗的大小。Q值低，则腔损耗大，器 件阈值高，不容易形成激光振荡；Q值高，则腔 损耗小，器件阈值低，容易形成激光振荡。 调Q理论 ? 脉冲固体激光器的输出特性 用示波器观察普通脉冲固体激光器输出的一个脉冲， 发现它的波形并不是一个平滑的光滑的光脉冲，而是由一 系列不规则变化的尖峰脉冲组成，如图（a）所示。图 （b）所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现 象称为激光器输出的弛豫振荡（或尖峰振荡）。 ? 产生弛豫振荡的主要原因： 当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈 值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，从 而发射激光。随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗， 导致粒子反转数降低，当低于阈值时，激光振荡就停止。 这时，由于光泵的的继续抽运，上能级粒子反转数重新积 累。 当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过 程，直到泵浦停止才结束。每个尖峰脉冲都是在阈值附近 产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低，增大泵浦能量也 无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。 ? 调Q的基本原理 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光 泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器 便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐 射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒子 数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激 光器峰值功率不能提高的原因。 要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过 改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光 器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调的 很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的 反转离子数便可积累得很多。 随着光泵的继续激励，上能级粒子数逐渐积累到最 大值。此时，突然将器件的阈值调低，那么，积累在上能 级的大量粒子使雪崩式地跃迁到激光下能级，在极短的时 间内将储存的的能量释放出来，从而获得峰值功率极高的 激光脉冲输出。 所以改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累 的有效方法 由激光原理可知，激光器振荡的阈值条件可表示为 ?nth g 1 ? ? A21 ? c 为自发辐射几率； 为光子在腔内 式中，g 为模式数； 的寿命。 因为 ，代入式中，有 ?nth g 2?? ? ? A21 Q 上式表明，阈值反转粒子数密度与谐振腔的品质因数 Q成反比。调节器件的振荡阈值，实际上是调节谐振腔的 品质因数Q，也就是调节谐振腔的损耗。因而，将这种获 得巨脉冲的技术称为调Q技术或Q开关技术。 从本质上说，调Q技术就是通过某种方法控制谐振腔 的Q值（也就是控制谐振腔的损耗），使其随时间按照一 定程序变化的技术。 谐振腔一般有五种损耗，即反射损耗、吸收损耗、衍 射损耗、散射损耗和输出损耗。谐振腔的总损耗为各项损 耗之和。 实现调Q对激光器的要求 1. 2. 工作物质必须能在强泵浦下工作，即抗损伤阈值要高 上能级寿命要比较长 若激光工作物质的上能级寿命为? 2 ，则上能级上的反转粒子数 n2 因自发辐射而减少的速度为 n2 ? 2 ，这样，当泵浦速率为 W p 时，在 n 达到平衡情况下，应满足： 2 ? 2 ? W p 则上能级达到的最大反转粒子数取决于 n2 ? W p? 2 ，为了使激光工 作物质的上能级积累尽可能多的粒子，则要求 W p? 2 应大一些，但上 能级寿命也不易太大，否则会影响能量的释放速度。 泵浦速度必须快于激光上能级的自发辐射速率。 谐振腔的Q值改变要快。 谐振腔Q值的变化应和腔建立激光振荡的时间相近，否则会使脉冲 展宽。 3. 4. 调Q激光器的两种储能方式 1、工作物质储能调Q 脉冲反射式调Q，将能量以激活离子的形式储存在工作物质中。能量 储存的时间，取决激光上能级的寿命。 （1）工作过程 调Q激光脉冲的建立过程，各参量 随时间的变化情况，如图所示。 图（a）表示泵浦速率 W p 图（b）表示腔的Q值是时间的阶跃 函数（蓝虚线）图（c）中； ?ni 为 Q值阶跃变化时得反转粒子数密度， ?nt 为阈值反转粒子数密度， ?n f 为振荡终止时工作物质残留的反 转粒子数密度。图（d）表示腔 内光子数 ? 随时间的变化。 在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值状态，故阈 值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t 0 时刻，粒子数反转达到最大值 ?ni ，在这一时刻，Q值突然升 高（损耗下降），振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建 ?ni ?? 立。由于此 ?nt ，因此受激辐射增强非常迅速，激光介 质存储的能量在极短的时间内转变为受激辐射场的能量，结 果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。 ? ? t ? tD 调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始震荡，在 t ? t0 振荡 开始建立至以后一个较长时间过程中，光子数 ? 增长十分缓慢，其值 始终很小，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。只有振荡 持续到 t ? t D 时，增长到了 ? D ，雪崩过程才形成， 才迅速增大，受 ? 激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。因此，调Q脉冲从振荡开始建 立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间（也就是Q开关开启的持续 时间）。可知，调Q脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒 子数的时刻。 ? 工作物质调Q的特点： 巨脉冲的输出方式为腔内边形成激光振 荡边输出，输出光脉冲的形状与腔内光强 的变化状态一致；激光振荡终止时，工作 物质的储能没有被全部取出。 2、谐振腔储能调Q 脉冲透射式调Q，将能量以光子的形式储存在谐振腔中，当腔内光子数 密度达到最大值时，瞬间将腔内能量全部输出，因而也称为腔倒空法。 （1）工作过程 V=0：损耗大，Q值低，阈值大，不能形成激光振荡，反转粒子数得到积 累。 V ? V? 2 ：此时反转粒子数达最大，Q值突增，激光振荡迅速建立，当工 P2 作物质储能全部转化为腔内光子能量时，撤去晶体上电压，则腔内存储的最 大光能量瞬间透过 。 （2）谐振腔储能调Q的特点 当工作物质的储能全部转化为腔内能量时，瞬间将腔倒空；巨脉冲宽度更 窄，峰值功率更高；调Q脉冲的能量利用率更高。 几种激光调Q技术 分类： 1、主动式调Q方法（高压、快速电光驱动器或射 频调制器等外部条件人为地改变激光腔内Q值的 技术）： 机械转镜调Q、电光调Q技术、声光调Q技术 2、被动式调Q方法（利用激光波长处吸收系数随 能量密度增加而减少直至饱和的可饱和吸收特性， 将其置于谐振腔内起到调制Q值的作用）： 染料调Q技术 电光调Q技术 概念 ? 电光效应：沿电光晶体（电光效应显著的晶体） 的某一特定方向加直流电场后，在光轴方向上产 生双折射现象，即入射线偏振光将分解为两个偏 振方向正交的本征偏振光 ? 电光调Q一般是指在激光谐振腔内加置一块偏振 片和一块KDP晶体 电光晶体调Q原理 激光器的工作物质为： Nd 3? ：YAG。YAG在氙灯泵 浦下发射自然光。通过偏振棱镜后，出射光束为偏振 方向沿晶体x轴方向的线偏振光。KDP晶体上不加电压 时，光沿晶体光轴方向通过晶体后偏振状态不变，并 经腔全反射镜反射后，再次通过电光晶体和偏振棱镜。 此时，腔的损耗很低，Q值很高，Q开关处于“打开” 状态。 在KDP晶体上施加 V? 4 电压后，由于晶体的纵向电光效 应，当沿x方向振动的线偏振光通过晶体后，其o光和e光之 间产生 ? 2 的相位差，从晶体出射后合成光为圆偏振光。 ? 经腔全反射镜反射后，光再次通过电光晶体时，又产生 2 的相位差。光往返晶体一次共产生相位差 ? ，合成后得 到沿y方向振动的线偏振光。由于其偏振面相对于入射光旋 转了 90 0 ，因而，不能再次通过偏振棱镜。腔的损耗极高， 而Q值很低，电光Q开关处于“关闭”状态。 ? 2 ? 激光器的工作状态为： 先给KDP晶体加上 V? 4 电压，氙气开始泵浦。由于 谐振腔损耗极高，腔内无法形成激光振荡，工作物质 中反转粒子数得到积累，Q开关处于“关闭”状态。 当工作物质中反转粒子数积累到最大值时，迅速撤去 V? 4 晶体上的 电压，使激光器瞬间处于低损耗、高Q 值状态，Q开关“打开”，腔内产生雪崩式激光振荡 并输出一个巨脉冲。 ? 电光调Q方式 优点： （1）产生窄脉冲，且同步性能好 （2）使用寿命长，输出巨脉冲稳定 缺点 ： 半波电压高，需要几千伏的高压脉冲 声光调Q 概念 ? ? 声光调Q是利用激光通过声光介质中的超声场时 发生衍射，从而造成光束的偏折来实现Q值突变的。 超声波是一种纵向机械波。它在介质中传播时， 使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点 沿超声波的传播方向振动，使介质的密度产生疏密相 间的交替变化，从而导致介质折射率的变化。超声场 作用的介质就相当于一个光学的“相位光栅”，光栅 常数等于超声波波长。当光通过这种介质时，就会发 生衍射。衍射光的强度、频率、方向等都随超声场的 变化而变化。 ? 声光调Q结构如图所示。图中，声光Q开关由声光介质、 电—声换能器、吸声材料和驱动电源。 ? 声光调制部分有两个能量传递环节：一是从高频振荡起到 电—声换能器，将电能传递到晶片中并转换为晶片的机械 振动能；二是从电—声换能器到声光介质，将机械能从一 种介质传递到另一种介质。 ? 声光调Q原理： 利用激光通过声光介质中的超声场时发生布拉格衍射，使 光束偏离出谐振腔。此时谐振腔的损耗很大，Q值很低，激 光振荡不能形成，工作物质储能。当工作物质上能级粒子数 积累到极大值时，突然撤去声光介质中的超声场，则光束通 过声光介质时无衍射效应发生，腔损耗降低，Q值升高，激 光振荡迅速建立并输出巨脉冲。 ? 声光调Q特点 优点 （1）调制电压低 （2）产生kHz高重频的调Q巨脉冲 （3）巨脉冲重复性好；适用于低增益、高重频及连续器件 缺点 对高增益器件开关能力差 可饱和吸收染料调Q 概念 ? 可饱和吸收调Q，是利用可饱和吸收介质的吸收特性，将 其置于谐振腔内，通过控制腔内的吸收损耗来实现Q值突 变。 ? 可饱和吸收染料具有这样的性质：它是一种非线性吸收介 质，也就是说它的吸收不是一个常数。在较强的激光作用 下，其吸收吸收随光强的增加而逐渐减小直至饱和，对光 呈现出透明的特性。具有这种性质的染料称为可饱和吸收 染料。 ? 染料调Q原理 可饱和吸收染料的吸收系数 式中，? 0为光强很小 ?I ? 0? 时的吸收系数； I s 为染料的饱和吸收光 强，其大小与染料的种类和浓度有关。一般染料的浓度增大，饱和光 强 I s 增大，I 为入射光强。 由上式可以看出，当 I ?? I s 时， ? 趋近于0，即染料对于通过 的激光束变为透明。将具有这种特性的染料放在谐振腔中，泵浦初期， 腔内自发的荧光辐射光强很弱，染料的吸收系数很大，对光的透过率 很低，谐振腔处于高损耗Q值状态，不能形成激光振荡，工作物质处 于储能阶段。随着光泵的继续作用，工作物质中反转粒子数逐渐积累， Is 腔内荧光强度逐渐增强，当其能与燃料的饱和吸收光强 相比拟的 时候，染料的吸收系数变小，对光的透过率逐渐增大。增大到一定值 时，染料的吸收达到饱和，染料突然被“漂白”而变得对入射光透明。 此时腔内损耗下降，Q值猛增，激光振荡形成并输出巨脉冲。由于器 件以脉冲方式泵浦，随着泵浦的结束腔内光强迅速减弱，因而染料又 恢复了其吸收特性，重新将腔关闭。 ? ? ? 0 ?1 ? I I s ? ? 定义为 ? 染料调Q激光器结构 在脉冲激光器谐振腔内插入一个燃料盒就构成了染料调Q 激光器，如图所示： 对用与染料调Q激光器中的染料有以下三点基本要求： （1）波长匹配且吸收带宽窄 要求染料对激光波长具有强 烈的可饱和吸收特性，且染料的吸收带宽要窄，因为吸收 带宽太宽，不仅会降低染料对激光波长的选择性吸收，而 且会使染料不易达到饱和状态从而影响调Q的效果。 （2）燃料要有适当的饱和光强值 I s 饱和光强 I s是表征染料饱和效应 强弱的重要参量（可以通过改变燃料的浓度得到所需要的饱和值）。 如果 I s 太小，则很弱的光强就能使染料饱和，而此时的工作物质中 Is 反转粒子数的积累还不够多，不能有效地起到光开关的作用。如果 太大，则染料又很不容易达到饱和状态，致使开关速度太慢，严重影 响调Q的效果。 （3）燃料溶液要有良好的光化学稳定性。 染料调Q的特点： 优点 （1）结构简单 （2）无电干扰 缺点 （1）被动式开关 （2）调Q巨脉冲产生的时刻有一定的随机性，不能人为控制 （3）染料不稳定，需要更换，输出不稳定 机械转镜调Q ? 机械转镜调Q激光器的结构 谐振腔的全反射镜一般采用直角棱镜代替平面镜。全反射镜安装在电 动机的一个转子上，工作时全反镜高速转动。棱镜架上装有小块磁 钢，磁钢与棱镜一起转动。在谐振腔的固定座上装有磁头。棱镜每转 一周通过磁头一次，磁头发出的脉冲信号与棱镜所处位置相对应。 机械转镜调Q工作原理 ? 机械转镜调Q试最早出现的调Q技术，其调Q原理是采用 机械转镜的方法控制些谐振腔的反射损耗。在全反射棱镜 每一个旋转周期里，只有当谐振腔两个反射镜面处于相互 平行的位置时，谐振腔的损耗最小，而其余时刻，谐振腔 的反射损耗都很大，腔的Q值很低，器件由于阈值高而不 能形成激光振荡。棱镜绕轴转动构成了一个Q值周期性变 化的谐振腔。 当磁钢转到磁头相切位置，磁头线圈感应出脉冲信号。该 信号经放大后通过触发电路触发闪光灯。闪光灯发光泵浦 工作物质。当工作物质中反转粒子数的积累达到最大值的 时刻，全反射棱镜亦转到成腔位置。此时，谐振腔损耗最 小，Q值突变，调Q巨脉冲得以形成。 ? 机械转镜调Q的特点 优点： （1）无插入损耗 （2）不存在光损伤问题；可用于能量较大的脉冲器件。 缺点： （1）高转速下的磨损影响使用寿命 （2）对装配工艺要求高