激光技术第二章

第二章调Q(Q开关)技术调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。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。(2)．激光产生与输出过程条件：,减小到,Q达到最高。因为增益最大，所以小时，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。Gminmin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。p12s2121dn2nWnAndtdndt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，产生最大；(2)产生受激辐射。(1)积累,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开关打开积累的时间此阶段不应存在受激辐射过程。速率方程：0nn2pdn2nWdtn(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：此阶段主要是产生光子。要使光子增长的快0,而且大好。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。2121dn2ndtdndtddtddt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：其中，～工作物质的体积，～单位时间光子的透过率。max012Ph220000max111[(1)(1)1](1)224ttttttnnnnnnnnnn001()2eEnnhv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。3．参量的影响越大，则峰值功率、输出的能量越大、脉冲宽度越窄，说明调Q的效果越好。00''''(ln)crnnttdnnnnnnnn=-0tnn0tnn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。（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。0n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。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。2V0n（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．晶体上加电压，要求稳定可调。e．保证Q开关关的及时。2V2．简化的结构：前面的结构在晶体上加，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：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，两束光的相位差。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。2V4V4V22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。把晶体做成双的形式，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。045045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。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，因此当时，o、e光并非完全旋转90度。0452VVx3.双Q开关的特点优点：（1）双电光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：（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。（2）由于加电压，因此实用起来有一定的困难。单Q开关可以克服上述缺点。0450450452V045三、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Q开关相当于带一个偏振器的Q开关。0450452.单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a.可以把电极做成矩形，使角上无电场。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Q开关的特点优点：结构简单，加工容易，插入损耗小；加电压比双Q开关低一倍；适合各种工作物质。缺点：输出的是线偏光，比双输出功率低；存在口径效应。0450450454V045045四、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．、，激光不能振荡，积累阶段（透射损耗大）b．、，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。maxminQmaxminQ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，2）退压，3）加2V2V2.峰值效率峰值功率由三个因素决定（1）比值大，工作物质储能大，损耗小，所以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。tnn0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。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。布拉格衍射喇曼奈斯衍射声光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：式中光通过声光介质产生的相位延迟由决定21sin()2iII220011()()IJIJ21sin()2iII20cos()2iII6223222sssnlLnPLPMPHHsP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2.提高之比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。tnn02.5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