激光加工论文

激光加工论文——调Q光纤激光器学院：电子工程学院班级：电科1302姓名：陈文文学号：09950130203激光调Q技术：一般固体脉冲激光器输出的光脉冲不是单一的光滑脉冲，而是一群由宽度在微秒量级的强度不等的小尖峰脉冲组成的序列。这种光脉冲序列持续时间长达几百微秒甚至几毫秒，其峰值功率也只有几十千瓦的水平，远远满足不了诸如激光雷达、激光测距、激光制导、高速摄影，以及激光核聚变等许多重要实际应用的要求。为此，在激光被发现不久后的1961年，就有人提出了调Q的概念，并于1962年制成了第一台调Q激光器。它的出现，使激光脉冲输出性能得到了几个数量级的改善，脉冲宽度压缩到纳秒级，峰值功率高达千兆瓦。这对于激光测距、激光雷达、激光加工和动态全息照相等应用的发展起到了决定性作用。同时，还对因强光所引起的光学现象的研究开辟了一系列新的学科方向。调Q原理：调Q原理指的是，采用某种办法使谐振腔在泵浦开始时处于高损耗低Q值状态，这时激光振荡的阈值很高，粒子密度反转数即使积累到很高水平也不会产生振荡；当粒子密度反转数达到其峰值时，突然使腔的Q值增大，将导致激光介质的增益大大超过阈值，极其快速地产生振荡。这时储存在亚稳态上的粒子所具有的能量会很快转换为光子的能量，光子像雪崩一样以极高的速率增长，激光器便可输出一个峰值功率高、宽度窄的激光巨脉冲。用调节谐振腔的Q值以获得激光巨脉冲的技术称为激光调Q技术。调Q技术的目的：调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是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以提高几个数量级的一种技术。它的主要目的是，压缩脉冲宽度，提高峰值功率。普通的脉冲激光器，光脉冲的宽度约在ms级，峰值功率也只有几十KW。调Q激光器，光脉冲的宽度可以压到ns级，峰值功率已达到MW。几种调Q技术：因为谐振腔的损耗包括反射损耗、吸收损耗、衍射损耗、散射损耗和透射损耗，因而不同方法控制不同类型的损耗，就形成了不同的调Q技术。（1）电光调Q：电光调Q是利用晶体的电光效应作为Q开关的元件。电光调Q装置如图4-27所示，在激光谐振腔中插入起偏振片及作为Q开关的KD*P晶体。当晶体在z轴方向加电压后，由于感应双折射，沿x方向振动的偏振光进入晶体后将分解为沿x’方向和沿y’方向振动的二线偏振光。适当调整电压的大小，可以使通过晶体后的两者相位差为π/2（相应的电压大小即为Vπ/2），因而合成光为圆偏振光。再经反射镜反射，让该圆偏振光再次通过晶体，则相位差再次增加π/2，此时，出射光又成为一线偏振光，不过它的振动方向为y方向，恰与原入射偏振光的方向（x方向）垂直。也就是说在晶体上加半波电压后，往返通过晶体的线偏振光，其振动方向相对改变90°。对于未加电压的晶体来说，往返通过晶体的线偏振光振动方向不变。（2）声光调Q：声光调Q技术利用这样一种原理：在激光谐振腔内放置声光偏转器，当光通过介质中的超声场时，由于衍射造成光的偏折，就会增加损耗而改变腔的Q值。这种方法具有重复频率高和输出稳定等优点，目前，多用于获得中等功率的高重复频率的脉冲激光器中。（3）染料调Q：不论是转镜、电光或声光调Q技术，Q开关开启的延迟时间都是可控的，因此，习惯上统称这一类技术为主动调Q。还有另一种调Q技术，即染料调Q技术，它是利用某种材料（通常是用有机染料）对光的吸收系数会随光强变化的特性来达到调Q的目的。由于这种方式中Q开关的延迟时间是由材料本身特性决定的，不直接受人控制，所以又称之为被动调Q技术。调Q光纤激光器的技术发展特点：(1)在技术上通常采用了MOPA与调Q方式相结合获得高能量脉冲输出，研究工作波长大多集中在掺饵、镜等稀土杂质的有源光纤的1-1.1}m和1.55um波长窗口。(2)为获得高能量的光脉冲输出，多采用双包层、大模场((LMA)、高掺杂、多掺杂有源光纤，并结合多模、多路包层泵浦以及多波长包层泵浦技术;新型的LMA光子晶体光纤的研究也有报导，但仅仅是开始。(3)在光束质量控制方面采取了模式和偏振态控制技术，实现激光器的单横模，乃至单偏振光脉冲输出，保证光纤激光器的输出光束质量。(4)采用Mach-Zehnder或者Machelson原理对多路脉冲激光进行相干合成。(5)探索新的全光纤结构，以减少块状器件的插入对系统带来的损耗，从而提高输出功率。调Q光纤激光器的主要应用：（1）二次谐波的产生：利用可调谐的高能量调Q光纤激光器产生的输出脉冲打在非线性晶体上可以产生二次谐波(倍频光)或者三次谐波(三倍频光)。由于光纤激光器可调谐，因此可以容易地调谐波长获得相位匹配条件，从而不需要额外的温控装置来保持相位匹配条件;同时，提高激光器输出激光脉冲的功率可以显著提高转换效率，因此获得的倍频光脉冲宽度比基频光脉冲窄。运用这种技术，可以产生可见光谱甚至紫外光谱区的激光脉冲，从而拓展激光的运用领域。采用40nm调谐范围的调Q掺Yb3+光纤激光器与高非线性KTP晶体结合产生二次谐波[30]。调Q光纤激光器增益介质采用七芯掺Yb3+光纤，输出脉冲重复频率5kHz、脉冲能量0.26-0.35mJ，实验的基频波长为1083nm，产生的二次谐波脉冲能量为17uJ，转换效率为7%。如果以按一定周期重叠的LiNi03晶体或KTP晶体代替单个KTP晶体，可以极大提高转换效率，甚至可以达到50%以上。图1-1为该实验结构图。（2）光时域反射计：OTDR测试是通过发射光脉冲到光纤内，测量在OTDR端口接收到的返回的背向瑞利散射信号来获得光纤内不同位置上的时间或曲线片断从而定位连接点，光纤终端或断点，这种背向瑞利散射信号表征由光纤而导致的衰减程度。如果波长已知，返回的瑞利散射信号就与输入探测信号的脉冲宽度成比例:脉冲宽度越长，背向散射功率就越强;瑞利散射的功率还与发射信号的脉冲能量有关，能量越高则背向散射功率越强，因此，OTDR的动态范围正比于探测脉冲的能量。为了提高OTDR的动态范围，需要提高探测脉冲的峰值功率和脉宽。但是脉冲峰值功率过高不可避免会在探测光纤中产生非线性效应，因此峰值功率1W，脉宽1us的激光脉冲适于实现高动态范围的OTDR。脉宽超过100ns时，由于EDFA中反转粒子的快速耗尽，直接通过EDFA放大很难得到能量高的脉冲激光[31]，因此对高功率调Q光纤激光器输出激光进行脉冲展宽和功率衰减后得到的激光脉冲可以满足高动态范围OTDR的要求。ShojiAdachi和YaheiKoyamada运用该方法获得了动态范围为37dB的OTDR，实验中的探测脉冲的峰值功率1.0W、脉宽780ns，是由调Q掺Er3+环形光纤激光器输出的峰值功率20W、脉宽180ns的脉冲激光经过两次展宽和功率衰减得到[32]。图1-2为该系统结构图。（3）激光测距仪：激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等。现在广泛使用的手持式和便携式测距仪为脉冲式激光测距，其原理作用与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光脉冲信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。图1-3为激光测距仪的结构示意图。（4）激光雷达：激光雷达的工作原理与普通雷达相似，即由发射系统发送一个信号，与目标作用产生的返回信号被接受系统收集并处理，以获得所需要的信息。不同的是，激光雷达的发射信号为激光，与普通无线电雷达发送的无线电波乃至毫米波雷达发送的毫米波相比，波长要短得多。激光是单色的相干光，这使得激光雷达具有许多独特的优点:具有极高的角分辨、距离分辨、速度分辨能力;抗干扰能力强;可获得目标的多种图像;可用于水下探测和水下通讯等[33]。当今的激光雷达需要具备高效率、高可靠性、小体积、功率损耗小、对人眼安全等特点才能有更加广泛的应用，因此使用高功率光纤激光器作为直接探测系统的信号光源或者是相干探测系统的信号光源和参考光源对提高激光雷达的性能具有重要意义。图1-4为相干探测激光雷达的结构示意图。利用激光雷达的测距系统适宜采用以脉冲激光作为探测光源的直接探测系统，毫焦量级脉冲能量的激光可以对几十公里范围内目标测距。并且脉宽越小精度越高。当前该系统所用探测激光为20-50ns脉宽、重复频率5-30Hz、平均功率很低的脉冲激光，将来的发展方向是降低脉宽至5ns以下。利用激光雷达的风传感器适宜采用脉冲激光作为参考光源的相干探测系统，这种传感器可以监测大气涡流和湍流、风的剪切力等气象信息，所用激光脉冲重复频率小于1kHz、脉宽100ns量级，脉冲能量越大能收到返回信号的范围越大。脉冲激光光源还被用于差分吸收激光雷达系统中，但是要精确控制光频以保证精度。（5）激光加工：由于1um左右波长的激光光能很容易被金属、塑料及陶瓷材料吸收，因此将波长1um左右的高功率短脉冲激光束聚焦到介质上，利用激光束与物质相互作用的过程来改变物质的性质，可以对材料进行激光加工。激光加工具有加工对象广、变形小、精度高、节省能源、公害小、远距离加工、自动化加工等显著优点，对提高产品质量和劳动生产率、实现加工过程自动化、消除污染、减少材料消耗等的作用愈来愈重要。与传统的CO2和YAG激光相比，光纤激光器输出的激光模式非常好，聚焦后的光斑非常理想，具有直径小、圆度高、能量稳定和轮廓规则清晰等特点，同时由于激光脉冲重复频率比传统激光器高很多，在对深度、光滑度、精细度要求较高的领域有着不可替代的优势。光纤激光器发展前景：光纤激光器于1963年发明，到20世纪80年代末第一批商用光纤激光器面市，经历了20多年的发展历程。光纤激光器被人们视为一种超高速光通信用放大器。光纤激光器技术在高速率大容量波分复用光纤通信系统、高精度光纤传感技术和大功率激光等方面呈现出广阔的应用前景和巨大的技术优势。