第二章 调Q技术

　　第二章 调Q技术_工学_高等教育_教育专区。第七章 调Q(Q开关)技术 光信息科学与技术专业 理学院 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 ；

　　第七章 调Q(Q开关)技术 光信息科学与技术专业 理学院 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 。 2.1 概述 一、调Q技术的目的： ? 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 二、一般固体脉冲激光器的 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 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。 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。 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 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 。 （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。 ?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 KDP时，分成x’(y’)方向振动的光，加 V ?4 ，两束光 ? ?? 的相位差 。出射晶体以后，合成为圆偏光 2 （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。 ? 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 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。 ? 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。 ? 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： 450以及晶体的 （1）晶体的结构复杂，加工困难。保证双 方位也不容易。 V? 450 （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。 450 电光开关 三、单块单 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。 ? 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。 450 双输出功率低；存在口径 缺点：输出的是线偏光，比 效应。 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： ? a． max 、Qmin ，激光不能振荡，积累阶段（透射 损耗大） ? b． max 、Qmin ，激光形成但不输出（透射损耗近 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。 透射式原理不同于反射式，结构做了改进： 在ＫＤＰ晶体两电极上分别加电压Ｖ１和Ｖ２，其中，Ｖ１为常加电压 四分之一波长电压，Ｖ２为方波电压。未加Ｖ２时，Ｑ处于关闭状态， 加Ｖ２四分之一波长电压时，Ｑ开关打开。 由于谐振腔两个反射镜反 射率１００％，故谐振腔突变为高Ｑ值状态，腔内建立激光震荡但无 输出，当腔内光子数密度达到最大时，撤去方波，则晶体上电压变为 四分之一波长电压，腔内形成的强光场往返两次经过晶体，使偏振面 旋转９０°，最后由偏振棱镜Ｐ的侧面反射而输出腔外。 ?2. ＰＴＭ式调Ｑ的突出特点： ? （１）它的效率比ＰＲＭ式调Ｑ高，因为后者是振荡和输 出同时进行的，是在Ｑ开关打开后，激光振荡开始建立， 而且每往返一次就有激光输出；而ＰＴＭ式调Ｑ是先振荡、 后输出，是当腔内光子数密度达到最大时，将全部光能量 顷刻输出，所以输出功率高。 ? （２）ＰＲＭ式调Ｑ，其脉宽主要取决于激光振荡在腔内 建立的时间，光在腔内要往返若干次才能完成形成过程， 所以脉宽较宽。而ＰＴＭ式调Ｑ是在光能量在２Ｌ／ｃ时 间内输出，所以脉冲宽度大大压缩。 ?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。 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。 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）。 (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。 布拉格衍射 I1 ? I i sin 2 ( 2 ) 喇曼奈斯衍射 ? I 0 ? I i cos 2 ( ) 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? Ps ? 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 ? 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。 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 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 A(? ) ，透过率T (? ) ，吸收率为 ， 则? (? ) Iout ? Ii e?? ?? ?l ? IiT ?? ? ? Ii ?1? A ?? ?? 则 T (? ) ? e－? (? )l A(? ) ? 1 ? e－? (? )l ? 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， ， n2 ? 0 n1 ? N -二能级系统。N－吸收物质总粒子密度；n2 、n1分别是 高能态，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 ??? ? 吸收存在两过程 n ???? n 吸收体对入射光强的改变应是这两个过程的综合过程。 高能态粒子越多，则吸收光强越少。即n2增加，A(? )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 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。 ? 2. 染料Q开关的工作过程 ? max ? （1） 、Q低、? ? G 阶段， n 积累 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 ? 收， (v) ? ，T上升。但u小，都被染料吸收，损耗很大。低 Q高损耗，激光不能形成振荡。 （2）激光形成与输出阶段 a. 随着荧光的不断被染料吸收，则 ? (v) ?? T ??，即腔内的 ， 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 ? 料很快达到饱和， (v ) ? 0，染料无吸收损耗，Q开关完全打 开－输出一巨脉冲。 0 (v) 12 ( v ) 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。 ? 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。 ? 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 A(v ) ? 1 ? e? N? ( v )l 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。 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。 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 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 ? (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. 染料盒，薄。 e. 镜的反射率。 ? 4. 转镜调Q ?归纳一下： ? (1)转镜调Q：慢开关类型 使用时应注意最佳转速的选择，以便消除多 脉冲的产生。无 插入损耗，所以可用于能量较大的脉冲激光器，获得几十兆 瓦以上，脉宽为纳秒级的巨脉冲。 缺点：高速转速下的机械磨损会影响使用寿命 (2)电光晶体调Q：快开关类型 同步性能好，使用寿命长，窄脉冲，输出巨脉冲稳定。峰值 功率几十兆瓦，脉宽为几十纳秒。 缺点：半波电压较高，需要几千伏的高压脉冲，对其它电子 线路易造成干扰。 目前应用最广泛的一直Q开关。 （3）声光调Q：快开关类型 调制电压只需一百多伏，与连续激光器配合调Q，可获得kHz 高重复频率的巨脉冲。峰值功率几百千瓦，脉宽几十纳秒。 但由于它对高能量激光器的开关能力差，所以，只能用于低 增益的连续激光器。 （4）可饱和吸收体调Q：被动式的快开关类型 结构简单，使用方便，没有电的干扰，可获得峰值功率为几 兆瓦、脉宽为几十纳秒的巨脉冲。 缺点：由于是一种被动式Q开关，产生调Q脉冲的时刻有一定 的随机性，不能人为控制。此外，染料易变质，需经常更换， 输出不稳定。