調(diào)Q激光器的設(shè)計(jì)

第1章概述調(diào)Q光器的特點(diǎn)固體激光器的應(yīng)用主要集中在科研與開(kāi)發(fā)、加工、醫(yī)療和軍用等四個(gè)方面。在科研與開(kāi)發(fā)方面，涉及面很廣，包括作核聚變研究用的高峰值功率激光器系統(tǒng)、作光譜研究和新材料開(kāi)發(fā)用的超短脈沖激光器和可調(diào)諧激光器、作脈沖全息攝影用的紅寶石激光器、作高速攝影用的超短脈沖激光器、測(cè)量人造地球衛(wèi)星軌跡和月球表面用的高精度激光測(cè)距儀、遙感用的激光雷達(dá)等等。一般固體脈沖激光器由于存在馳豫振蕩現(xiàn)象，輸出激光為一無(wú)規(guī)尖峰脈沖序列，其總的脈沖寬度持續(xù)幾百微秒甚至幾毫秒，峰值功率也只有幾十千瓦的水平，遠(yuǎn)不能滿足以上應(yīng)用要求，正是在這些要求的推動(dòng)下，人們研究和發(fā)展了調(diào)Q技術(shù)。調(diào)Q激光器的發(fā)展前景1961年底，鄧錫銘幾乎與國(guó)外同時(shí)，獨(dú)立提出了高功率激光Q開(kāi)關(guān)原理。他非常形象地解釋：把Q開(kāi)關(guān)比喻為一個(gè)稍有漏水（自發(fā)輻射躍遷）的抽水馬桶，當(dāng)水箱被灌（光泵注入能量）滿之后水箱底部的蓋快速揭開(kāi)（Q值突變），水（激光能量）就一涌而出（激光峰值功率輸出）。采用調(diào)Q技術(shù)很容易獲得峰值功率高于兆瓦、脈寬為數(shù)十個(gè)納秒的激光巨脈沖。調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)是激光發(fā)展史上的一個(gè)重大突破。它不僅大大推動(dòng)了一些應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展且成為科學(xué)研究的有力工具電光Q開(kāi)關(guān)CO2激光器具有高脈沖重復(fù)頻率、可編程輸出、及輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),目前已應(yīng)用在激光雷達(dá)、激光光譜分析、遠(yuǎn)紅外激光泵浦源等諸多方面。電光調(diào)QCO2激光器的發(fā)展經(jīng)歷了從直流放電激勵(lì)到射頻放電激勵(lì)及脈沖放電激勵(lì)的發(fā)展過(guò)程,技術(shù)上已經(jīng)逐漸趨于成熟。第2章設(shè)計(jì)原理介紹2.1主要概念1.電光偏轉(zhuǎn)：利用泡克耳斯效應(yīng)，通過(guò)施加在電光晶體上的電場(chǎng)來(lái)改變晶體的折射率。2?偏轉(zhuǎn)角0：假設(shè)置于空氣中的棱鏡卩0，激光入射角為甲，則由折射定律 sin（0+Q）=psinQ0可以得到 0=arcsin（巴sinQ）-Q在電光晶體上施加電場(chǎng)后，晶體折射率的改變量為pA。由于泡克耳斯效應(yīng)引起的折射率變化pA極?。?0-4量級(jí)），所以出射光偏轉(zhuǎn)角的相應(yīng)改變量為A0={arcsin[（p+Ap）sinQ]-Q}-[arcsin（psinQ）-Q]qApQ

00因此出射光偏轉(zhuǎn)角的改變量與折射率變化成線性關(guān)系，從而可以利用外加電壓控制光線的前進(jìn)方向。

主要設(shè)計(jì)思想當(dāng)激光上能級(jí)積累的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不多時(shí)，人為地控制激光器閾值，使其很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生。在這種情況下，由于光束的激勵(lì)，激光上能級(jí)將不斷地積累粒子數(shù)。當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大數(shù)量時(shí)，突然降低激光器的閾值。此時(shí)亞穩(wěn)態(tài)上的粒子的能量很快轉(zhuǎn)換為光子能力，光子像雪崩一樣以極高的速率增長(zhǎng)，輸出峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。電光調(diào)Q開(kāi)關(guān)通常也稱為普克爾盒開(kāi)關(guān)，它的基本原理是利用某些單軸晶體的線性電光效應(yīng)，使通過(guò)晶體的光束的偏振狀態(tài)發(fā)生改變，從而達(dá)到接通或切斷腔內(nèi)振蕩光路的開(kāi)關(guān)作用。線性電光開(kāi)關(guān)基本上又可分為兩類：一類是利用KD*P（磷酸二氘鉀）型晶體的縱向線性電光效應(yīng)，即光束方向及外加電場(chǎng)方向均與晶體光軸同向；另一類是利用LiNbO3（鈮酸鋰）型晶體的橫向線性電光效應(yīng)，即光束與晶體光軸同向，而外加電場(chǎng)方向與光軸及光束方向相垂直。一般多使用帶起偏器的入/4電光開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)又分為退壓和加壓兩種工作方式。退壓式電光開(kāi)關(guān)，電光晶體施加入/4調(diào)制電壓，由棒透過(guò)起偏器的P線偏振光兩次通過(guò)電光晶體后，偏振面正好偏轉(zhuǎn)90°變成S光，被偏振片反射到腔外，激光器處于高損耗關(guān)門狀態(tài)，當(dāng)突然去掉晶體上的調(diào)制電壓后，開(kāi)關(guān)迅速打開(kāi)，振蕩光路接通，從而產(chǎn)生強(qiáng)的短脈沖激光振蕩輸出。第3章總體及局部設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1電光偏轉(zhuǎn)實(shí)際的電光晶體偏轉(zhuǎn)器是由兩個(gè)晶體棱鏡（如KDP棱鏡）所組成。棱鏡各邊分別沿x'、y'和z'軸，該二晶體的光軸（z軸）反向。外加電場(chǎng)沿圖示z軸方向，光的傳播方向沿y'軸的方向，它的偏振沿x'軸施加電壓后，上、下層棱鏡中傳播時(shí)光的折射率為*0*牛丫63Ez*0*牛丫63EzpB=p—斗丫E0 263z總光束偏轉(zhuǎn)角BE63zA0=A0+A0二Apq—Ap甲二p3丫E甲上下 上 下 063z顯示平面上可分辨的光斑數(shù)目:A0 p3丫Eqm= — 063le （入/兀①）一個(gè)電光偏轉(zhuǎn)器所能獲得0的偏轉(zhuǎn)角很小，很難滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。為增加偏轉(zhuǎn)角,而外加電壓又不太高，常將若干個(gè)KDP棱鏡串接圖3.1.2的結(jié)構(gòu)。0,fof圖3.1.1電光晶體偏轉(zhuǎn)器圖3.1.2棱鏡串接圖3.2總體裝置圖電光調(diào)Q裝置如圖3.2.1,激光腔中插入起偏振片及作為Q開(kāi)關(guān)的KD*P晶體。原理:晶體在z軸方向加電壓后，產(chǎn)生感應(yīng)雙折射，進(jìn)入晶體的x方向振動(dòng)的線偏振光分解為x，和y'振動(dòng)的二線偏振光。加有半波電壓時(shí),損耗非常大,Q值很低;去掉半波電壓時(shí)，損耗小,Q值很大.圖321總體裝置圖第四章總結(jié)通過(guò)本次課程