激光調技術講解一、激光諧振腔得品質因數Q

Q值就是評定激光器中光學諧振腔質量好壞得指標——品質因數。

1、Q值定義:2、品質因子Q與諧振腔得單程總損耗得關系光強I0在諧振腔傳播z距離后會減弱為

上式可以改寫為光子數密度的形式

而

體積為V的腔內存儲的能量為：每振蕩周期損耗的能量為：調節Q值得途徑一般采取改變腔內損耗得辦法來調節腔內得Q值。將普通脈沖固體激光器輸出得脈沖,用示波器進行觀察、記錄,發現其波形并非一個平滑得光脈沖,而就是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機變化得尖峰脈沖組成得,如圖(a)所示。每個尖峰得寬度約為0、1～1μs,間隔為數微秒,脈沖序列得長度大致與閃光燈泵浦持續時間相等。圖(b)所示為觀察到得紅寶石激光器輸出得尖峰。這種現象稱為激光器弛豫振蕩。1、脈沖固體激光器得輸出特性二、調Q原理產生弛豫振蕩得主要原因:當激光器得工作物質被泵浦,上能級得粒子反轉數超過閾值條件時,即產生激光振蕩,使腔內光子數密度增加,而發射激光。隨著激光得發射,上能級粒子數大量被消耗,導致粒子反轉數降低,當低于閥值時,激光振蕩就停止。這時,由于光泵得繼續抽運,上能級粒子反轉數重新積累,當超過閾值時,又產生第二個脈沖,如此不斷重復上述過程,直到泵浦停止才結束。每個尖峰脈沖都就是在閾值附近產生得,因此脈沖得峰值功率水平較低。增大泵浦能量也無助于峰值功率得提高,而只會使小尖峰得個數增加。E1E2弛豫振蕩產生得物理過程,可以用圖2來描述。她示出了在弛豫振蕩過程中粒子反轉數△n

和腔內光子數Φ得變化,每個尖峰可以分為四個階段(在t1時刻之前,由于泵浦作用,粒子反轉數△n增長,但尚未到達閾值△n閾因而不能形成激光振蕩。)圖2腔內光子數和粒子反轉數隨時間的變化第一階段(t1一t2):激光振蕩剛開始時,△n＝△n閾,Φ

＝0;由于光泵作用,△n繼續增加,與此同時,腔內光子數密度Φ也開始增加,由于Φ得增長而使△n減小得速率小于泵浦使△n

增加得速率,因此△n一直增加到最大值。圖2腔內光子數和粒子反轉數隨時間的變化第二階段(t2一t3):△n到達最大值后開始下降,但仍然大于△n閾

,因此Φ

繼續增長,而且增長非常迅速,達到最大值。第四階段(t4一t5):光子數減少到一定程度,泵浦又起主要作用,于就是△n又開始回升,到t5時刻△n又達到閾值△n閾,于就是又開始產生第二個尖峰脈沖。因為泵浦得抽運過程得持續時間要比每個尖峰脈沖寬度大得多,于就是上述過程周而復始,產生一系列尖峰脈沖。泵浦功率越大,尖峰脈沖形成越快,因而尖峰得時間間隔越小第三階段(t3一t4):△n

＜△n閾

,增益小于損耗,光子數密度Φ減少并急劇下降。2、調Ｑ得基本原理通常得激光器諧振腔得損耗就是不變得,一旦光泵浦使反轉粒子數達到或略超過閾值時,激光器便開始振蕩,于就是激光上能級得粒子數因受激輻射而減少,致使上能級不能積累很多得反轉粒子數,只能被限制在閾值反轉數附近。這就是普通激光器峰值功率(一般為幾十千瓦數量級)。不能提高得原因。既然激光上能級最大粒子反轉數受到激光器閾值得限制,那么,要使上能級積累大量得粒子,可以設法通過改變(增加)激光器得閾值來實現,就就是當激光器開始泵浦初期,設法將激光器得振蕩閾值調得很高,抑制激光振蕩得產生,這樣激光上能級得反轉粒子數便可積累得很多。當反轉粒子數積累到最大時,再突然把閾值調到很低,此時,積累在上能級得大量粒子便雪崩式得躍遷到低能級,于就是在極短得時間內將能量釋放出來,就獲得峰值功率極高得巨脈沖激光輸出。

改變激光器得閾值就是提高激光上能級粒子數積累得有效方法。Q值與諧振腔得損耗成反比,要改變激光器得閾值,可以通過突變諧振腔得Q值(或損耗a總)來實現。調Q技術就就是通過某種方法使腔得Q值隨時間按一定程序變化得技術。或者說使腔得損耗隨時間按一定程序變化得技術。調Q激光脈沖得建立過程,各參量隨時間得變化情況,如右圖所示。圖(a)表示泵浦速率Wp隨時間得變化;圖(b)表示腔得Q值就是時間得階躍函數(藍虛線);圖(c)表示粒子反轉數△n得變化;圖(d)表示腔內光子數Φ隨時間得變化。3、Q開關激光器得特點(1)通過改變Q值——改變閾值,控制激光產生得時間。在泵浦過程得大部分時間里諧振腔處于低Q值狀態,故閾值很高不能起振,從而激光上能級得粒子數不斷積累,直至t0時刻,粒子數反轉達到最大值△ni,在這一時刻,Q值突然升高(損耗下降),振蕩閾值隨之降低,于就是激光振蕩開始建立。由于此△ni>>△nt(閾值粒子反轉數),因此受激輻射增強非常迅速,激光介質存儲得能量在極短得時間內轉變為受激輻射場得能量,結果產生了一個峰值功率很高得窄脈沖。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點調Q脈沖得建立有個過程,當Q值階躍上升時開始振蕩,在t=t0振蕩開始建立至以后一個較長得時間過程中,光子數Φ增長十分緩慢,如圖3所示,其值始終很小,受激輻射幾率很小,此時仍就是自發輻射占優勢。

圖3從開始振蕩到脈沖形成得過程只有振蕩持續到t＝tD時,增長到了ΦD

,雪崩過程才形成,Φ才迅速增大,受激輻射才迅速超過自發輻射而占優勢。(2)兩階段

①儲能階段(延遲時間)反轉粒子數達最大值。ΦiΦD因此,調Q脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定得延遲時間△t(也就就是Q開關開啟得持續時間)。光子數得迅速增長,使△ni迅速減少,到t=tp時刻,△ni=

△nt,光子數達到最大值Φm之后,由△n＜△nt

,則Φ

迅速減少,此時△n=△nf

,為振蕩終止后工作物質中剩余得粒子數。可見,調Q脈沖得峰值就是發生在反轉粒子數等于閾值反轉粒子數(△ni=

△nt)得時刻。ΦiΦD②激光產生輸出忽略泵浦和自發輻射得影響。(3)開關時間從Q值最小變到最大Q值即損耗從最大變到最小需要得時間叫開關時間。開關時間對激光脈沖得影響很大,按開關時間得大小分為快、慢兩種類型。諧振腔得Q值與損耗a總成反比,如果按照一定得規律改變諧振腔得a總值,就可以使Q值發生相應得變化。諧振腔得損耗一般包括有:反射損耗、衍射損耗、吸收損耗等。那么,我們用不同得方法控制不同類型得損耗變化,就可以形成不同得調Q技術。有機械轉鏡調Q、電光調Q技術,聲光調Q技術,染料調Q技術等。三、Q調制方法四、調Q技術關鍵

動態損耗:Q開關處于關閉狀態時,諧振腔應具有最大得損耗,以保證Q開關打開之前沒有激光產生;插入損耗:Q開關處于打開狀態時,由開關本身引起得損耗應最小,一般會引入反射及散射損耗;開關時間,Q開關應有優異得開、關轉換性能,快得開關時間,將產生窄而且高功率峰值得脈沖;慢得開關時間會使所存儲得能量在開關完全打開之間迅速衰竭;同步性能,Q開關應能夠精確地控制,與外界信號保持同步。電光調Q一、電光晶體調Q原理1、電光Q開關原理。利用晶體得電光效應,在晶體上加一階躍式電壓,調節腔內光子得反射損耗。

圖4-27電光調Q裝置示意圖(1)第一階段:積累階段

電光調Q激光器如圖所示。未加電場前晶體得折射率主軸為z、y、z。沿晶體光軸方向z施加一外電場E,由于普克爾效應,主軸變為x‘、y’,z‘。令光束沿z軸方向傳播,經偏振器后變為平行于x軸得線偏振光,入射到晶體表面時分解為等幅得x'和y'方向得偏振光,在晶體中二者具有不同得折射率η’x和η’y。經過晶體長度d距離后,二偏振分量產生了相位差δ圖4-27電光調Q裝置示意圖式中η為晶體尋常光折射率;γ63就是晶體得電光系數;V就是加在晶體兩端得電壓,d為晶體在z軸方向得長度。當δ=π/2時,所需電壓稱作四分之一波電壓,記作Vλ/4、圖中電光晶體上施以電壓Vλ/4時,從偏振器出射得線偏振光經電光晶體后,沿x‘和y’方向得偏振分量產生了π/2位相延遲,經全反射鏡反射后再次通過電光晶體后又將產生π/2延遲,合成后雖仍就是線偏振光,但偏振方向垂直于偏振器得偏振方向,因此不能通過偏振器。這種情況下諧振腔得損耗很大,處于低Q值狀態,激光器不能振蕩,激光上能級不斷積累粒子(這一狀態相當于光開關處于關閉狀態)。(2)第二階段:脈沖形成階段——Q開關完全打開在某一特等時刻,突然撤去電光晶體兩端得電壓,則偏振光得振動方向不再被旋轉900,相當于光開關被打開,則諧振腔突變至低損耗、高Q值狀態,于就是形成巨脈沖激光。(這一狀態相當于光開關處于打開狀態)。1、有較高得動態損耗(９９％)和插入損耗(１５％)2、開關速度快,同步性能好。開關時間可以達到秒,3、典型得Nd:YAG電光調Q激光器得輸出光脈沖寬度約為１０-20ns,峰值功率達到數兆瓦至數十兆瓦4、適用于脈沖式泵浦激光器,由于該技術較高得插入損耗使激光器無法振蕩而不適用于連續泵浦激光器二、電光調Q技術特點聲光調Q一、聲光Q開關器件得結構——腔內插入得聲光調Q器件由聲光互作用介質(如熔融石英)和鍵合于其上得換能器所構成得。圖4-28聲光調Q裝置示意圖二、聲光調Q原理:

當聲波在某些介質中傳播時,該介質會產生與聲波信號相應得、隨時間和空間周期變化得彈性形變,從而導致介質折射率得周期變化,形成等效得位相光柵,其光柵常數等于聲波波長λs、光束射經此介質時發生衍射,一部分光偏離原來方向。當聲波頻率較高、聲光作用長度d足夠大,滿足時(λs與λ分別為聲波與光波波長),如果λ射光與聲波波面得夾角θ滿足則透射光束分裂為零級與+1級或-1級(視入射方向而定)衍射光,+1級或-1級衍射光與聲波波面得夾角亦為θ,如圖所示。這種現象稱作布喇格衍射,一級衍射光先強I1(或I-1)與入射光光強Ii之比為

聲光布喇格衍射衍射示意圖式中Δφ就是經長度為d得位相光柵后光波相位變化得幅度。

式中Δη就是介質折射率變化得幅值;d與H分別為換能器得長度與寬度;M就是聲光介質得品質因素;P就是超聲驅動功率。提高超聲驅動功率可得到較高得衍射效率。聲光調Q技術利用聲光器件得布拉格衍射原理完成調Q任務。在聲光器件工作時產生很高得衍射損耗,此時,腔具有很低得Q值,Q開關處于關狀態;在某一特定時間,撤去超聲,光束則順利通過均勻得聲光介質,此時Q開關處于開狀態;

聲光Q開關由一塊對激光波長透明得聲光介質及換能器組成,常用得聲光介質有熔融石英、錮酸鉛及重火石玻璃等。聲光介質表面粘接有由銀酸鯉、石英等壓電材料薄片制成得換能器,換能器得作用就是將高頻信號轉換為超聲波。聲光開關置于激光器中,在超聲場作用下發生衍射,由于一級衍射光偏離諧振腔而導致損耗增加,從而使激光振蕩難以形成,激光高能級大量積累粒子。若這時突然撤除超聲場,則衍射效應即刻消失,諧振腔損耗突然下降,激光巨脈沖遂即形成。圖4-28聲光調Q裝置示意圖聲光調Q開關時間一般小于光脈沖建立時間,屬快開關類型。由于開關得調制電壓只需100多伏,所以可用于低增益得連續激光器,可獲得峰值功率幾百千瓦、脈寬約為幾十納秒得高重復率巨脈沖。但就是,聲光開關對高能量激光器得開關能力差,不宜用于高能調Q激。染料調Q

前面介紹得都就是主動式調Q方法,即就是人為地利用某些物理效應來控制激光諧振腔得損耗,從而達到Q值得突變。本節介紹被動式Q開關,即利用某些可飽和吸收體本