主動激光調Q技術原理解讀

1、5.4激光調制q技術，普通脈沖激光，光脈沖寬度為ms級，峰值功率也只有幾十kW。 調制q激光器、光脈沖的寬度被抑制在ns級，峰值功率也達到了MW . 調制q技術的出現和發(fā)展是激光發(fā)展史上的重要突破，是一種通過把激光能量壓縮成窄脈沖發(fā)射來提高光源峰值功率的技術。 q技術的目的：壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。 另一方面，激光諧振器的質量系數q、q值是評價激光器中光學諧振器質量好壞的指標質量系數。 1.Q值的定義：2 .質量因子q與諧振器的單程總損耗的關系，光強度I0在諧振器傳播z距離后變弱，上式可以改寫為光子數密度的形式，在體積v的諧振器中積蓄的能量為：每振蕩周期的損耗能量為：q值調整的方法以改變諧

2、振器內損耗的方式來調整諧振器內的q值如果用示波器觀察記錄從普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，可知其波形不是平滑的光脈沖，而是如圖(a )所示，由振幅脈沖寬度間隔隨機變化的尖峰脈沖構成。 每個峰值的寬度約為0.11s，間隔為幾微秒，脈沖序列的長度與閃光燈泵的持續(xù)時間大致相等。 圖(b )顯示了所觀察到的紅寶石激光器輸出的峰值。 這種現象稱為激光緩和振動。 1 .脈沖固體激光器的輸出特性、二、q原理、弛豫振動的主要原因：泵送激光器的工作物質，當上能級的粒子反轉數超過閾值條件時，即發(fā)生激光振動，增加腔內的光子數密度，發(fā)射激光。 隨著激光的發(fā)射，能量級粒子數被大量消耗，粒子反轉數降低，低于閾值時，激光振蕩

3、停止。 此時，由于光泵的吸引運轉繼續(xù)，因此上級粒子的反轉數再次積蓄，若超過閾值，則再次產生第二脈沖，反復進行上述過程，直到泵停止為止。 由于各峰值脈沖發(fā)生在閾值附近，所以脈沖的峰值功率電平低。 增大泵能量對提高峰值功率沒有貢獻，只增加小峰值的數量。緩和振動的物理過程可以在圖2中敘述。 在弛豫振動的過程中，粒子反轉數n和腔內光子數的變化，可以按每個峰分為4個階段(到t1時刻為止，由于泵作用，粒子反轉數n增加，但未達到閾值n，因此不能形成激光振動)。 )圖2腔內光子數和粒子反轉數的時間變化，第一階段(t1-t2 ) :激光振蕩剛開始后，n閾值，0； 在光泵作用下n持續(xù)增加的同時，腔內的光子數密度也

4、開始增加，n隨著增加而減少的速度比泵增加n的速度小，所以n增加到最大值。 圖2的腔內光子數和粒子反轉數隨時間的推移而變化，第二階段(t2-t3):n達到最大值后開始下降，但在超過n閾值的狀態(tài)下繼續(xù)生長，并且生長非?？?，達到了最大值。 第四階段(t4-t5 ) :光子數在某種程度上減少，泵發(fā)揮了主要的作用，n又開始恢復，t5-t5-n再次達到閾值n，并再次開始產生第二尖峰脈沖。 由于泵的吸引過程的持續(xù)時間比各峰值脈沖寬度大得多，所以上述過程周期性地重復，產生一系列的峰值脈沖。 泵功率越大，尖峰脈沖的形成越快，因此尖峰的時間間隔變小，第三階段(t3-t4):n閾值，增益小于損失，光子數密度減少急劇

5、下降。 2 .調諧的基本原理是，普通激光諧振器的損耗不變，當光泵達到或稍微超過反轉粒子數時，激光器開始振蕩，激光器上的能級的粒子數因激發(fā)輻射而減少，上述的能級不能蓄積很多反轉粒子數，帶閾值反轉數這是普通激光的峰值功率(通常是幾十千瓦級)。 不能提高的原因。既然激光能級的最大粒子反轉數被限制在激光的閾值內，要在能級上蓄積大量的粒子，就可以通過改變(增加)激光的閾值來實現。 在激光開始抽泵的初期，將激光的振蕩閾值調高，抑制激光的振蕩，能夠積蓄很多激光能級的反轉粒子。 反轉粒子數成為最大時，如果再次將閾值設定得較低，則積蓄在上位水平的大量粒子雪崩式地遷移到低能量水平，通過在極短時間內放出能量，可以得

6、到峰值功率高的巨大脈沖激光輸出。 改變激光閾值是提高激光上能級粒子數積累的有效方法。 q值與諧振器的損失成反比，要改變激光器的閾值，可以通過改變諧振器的q值(或損耗a的合計)來實現。 調整q的技術是以某種方式使腔的q值隨時間以一定的程序變化的技術。 或者，是使腔的損失隨著時間以一定的程序變化的技術。 調整q激光脈沖的制作過程，各參數的時間變化如右圖所示。 圖(a )表示泵速度Wp的時間變化的圖(b )表示腔的q值是時間的階躍函數(藍虛線)的圖(c )表示粒子的反轉數n的變化的圖(d )表示腔內的光子數的時間變化。 3.Q開關激光器的特征(1)通過改變q值改變閾值，從而控制激光器的產生時間。 因

7、為在泵過程的大部分時間諧振器處于低q值狀態(tài)，所以閾值高，不能振蕩，所以激光的能級的粒子數被蓄積，粒子數反轉到t0時刻為止，達到最大值ni，在該時刻q值急劇上升(損失降低)，振蕩閾值降低，所以開始激光振蕩由于這種ni nt (閾值粒子反轉數)，激發(fā)放射的增強非?？欤す饨橘|中積蓄的能量在極短的時間內被轉換成激發(fā)放射場的能量，結果產生了峰值功率高的狹窄脈沖。 q脈沖的建立有過程，q值步長上升時開始振動，在t=t0開始振動后的下一長時間內，光子數的增加非常緩慢，如圖3所示，其值非常小，被激勵的概率小，此時自發(fā)發(fā)射也占優(yōu)勢。 圖3是從振蕩開始到脈沖形成的過程中，振蕩持續(xù)到ttD時，生長為d，形成雪崩過

8、程，迅速增大，被激發(fā)的放射線超過自發(fā)的放射線占優(yōu)勢。 (2)兩階段儲藏階段(延遲時間)反轉粒子數達到最大值。 因此，為了調整q脈沖，從振蕩開始到巨大脈沖激光器的形成需要一定的延遲時間t (即，到q開關接通為止的時間)。 光子數的急速增加使ni急速減少，在t=tp時，ni=nt，光子數達到最大值m后，在n nt急速減少，此時，n=nf是振動收斂后工作的物質中的剩馀粒子數。 可以看出，q脈沖的峰值是在反轉粒子數與閾值反轉粒子數(ni=nt )相等的時刻產生的。 激光的發(fā)生輸出無視泵浦和自發(fā)輻射的影響。 (3)開關時間從q值的最小變化到最大q值，即，損耗從最大變化到最小所需的時間被稱為開關時間。 開

9、關時間對激光脈沖的影響很大，開關時間的大小分為快、慢兩種。 諧振器的q值與損耗a組合成反比，只要根據一定的法則改變諧振器的a合計值，就可以相應地變化q值。 諧振器的損耗一般包括反射損耗、衍射損耗、吸收損耗等。 因此，我們可以通過用不同的方法控制不同類型的損失變化來形成不同的q調節(jié)技術。 有機鏡調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、q調制技術的關鍵，動態(tài)損失： q開關處于關斷狀態(tài)時，諧振器具有最大損失，在q開關接通之前必須確保不發(fā)生激光的插入損失： q開關處于接通狀態(tài)時，開關自身造成的損失不是最小的一般導入反射和散射損失的開關時間，q開關需要優(yōu)異的開關性能，需要快

10、的開關時間，產生窄的高輸出峰值脈沖的慢的開關時間，在開關完全接通時將積蓄的能量迅速降低同步性能，q開關正確電光調q，一，電光結晶調q原理1 .電光q開關原理。 利用晶體的電光效應，向晶體施加階躍電壓，調節(jié)腔中光子的反射損耗。 圖4-27電光調制q裝置的示意圖，(1)第一階段：積蓄階段，圖中示出電光調制q激光器。 施加電場前結晶的折射率主軸為z、y、z。 沿著結晶光軸方向z施加外部電場e，通過拉克爾效應，主軸成為x、y、z。 使光束在z軸方向傳播，通過偏振片成為與x軸平行的直線偏振光，入射到結晶表面時分解為等寬度的x方向和y方向的偏振光，在結晶中折射率x和y不同。 經過結晶長度d距離后，二偏振光

11、成分產生相位差，圖4-27的電光調制q裝置的示意圖中，作為結晶的電光系數的v是施加在結晶兩端的電壓，d是結晶的z軸方向的長度。 如果對圖中的電光晶體施加電壓V/4，則從偏振片出射的線偏振光通過電光晶體后，在x和y方向的偏振光成分上產生/2相位延遲，在被全反射鏡反射后，再次通過電光晶體后，產生/2相位延遲，合成后也是線偏振光，但由于偏振光方向與偏振片的偏振方向垂直，所以在這種情況下，諧振器的損失很大，處于低q值的狀態(tài)，激光器不能振蕩，在激光器中以能量水平積蓄粒子(該狀態(tài)相當于光開關斷開的狀態(tài))。 (2)第二階段：脈沖形成階段q開關完全接通，在某個特定時刻突然關斷電光晶體兩端的電壓，偏振光的振動方

12、向就不再旋轉900轉，光開關接通，諧振器急劇變化為低損耗、高q值的狀態(tài)，形成巨大的脈沖激光。 (該狀態(tài)相當于光開關處于on狀態(tài)。) 1、高動態(tài)損失()和插入損失()2.交換速度快，同步性能好。 開關時間可以達到秒，3 .典型的Nd:YAG電光調制q激光器的輸出光脈沖寬度約為-20ns，峰值功率可達到幾兆瓦到幾十兆瓦。 適用于脈沖式泵浦激光器，該技術的高插入損耗使激光不能振蕩，不能適用于連續(xù)泵浦激光器，二是電光調制q技術的特征，聲光調制q，一是插入到聲光q開關元件結構腔內的聲光調制q元件與聲光相互作用介質(例如熔融石英)之間圖4-28聲光調制q裝置的示意圖，2 .聲光調制q原理：當聲波在某介質中

13、傳播時，該介質根據聲波信號，時間和空間周期發(fā)生變化，產生彈性變形，介質的折射率周期發(fā)生變化，形成等效的相位光柵，其晶格常數等于聲波波長s。 光束通過該介質時會衍射，一部分光從原來的方向偏離。 在聲光的作用長度d足夠大、滿足的情況下(所謂s分別是聲波和光波的波長)，如果入射光和聲波的面的角度滿足，則透射光束分裂為0次和1次或-1次(依賴于入射方向)衍射光，1次或-1次衍射光和聲波的面的角度也該現象被稱為布拉格衍射，是一次衍射光的強度I1(或I-1 )與入射光的強度Ii之比的聲光學布拉格衍射的示意圖，式是光波的相位經過長度d的相位光柵而變化的寬度。 式中，作為介質的折射率變化的振幅的d和h分別是換

14、能器的長度和寬度，m是聲光介質的質量因素，p是超聲波驅動功率。 通過提高超聲波驅動功率可以獲得高衍射效率。聲光調q技術利用聲光器件的布拉格衍射原理來完成調q任務。 當聲光器件工作時將產生高衍射損耗，此時腔具有低q值，如果在q開關處于關斷狀態(tài)的特定時間內移除了超聲波，則光束平滑地通過均勻的聲光介質，此時q開關處于接通狀態(tài)，而聲光q開關對激光波長透明的聲光在聲光介質的表面上，粘著由銀酸鯉、石英等壓電材料片構成的轉換器，轉換器的作用是將高頻信號轉換成超聲波。 聲光開關被放置在激光器中，在超聲波場的作用下產生衍射，一次衍射光偏離諧振器，損失增加，因此難以形成激光器的振動，粒子在激光器的高能量水平上大量

15、積蓄。 此時，如果突然撤除超聲波場，衍射效果馬上消失，諧振器損失突然降低，形成激光巨大脈沖。 圖4-28是聲光調制q裝置的示意圖，聲光調制q開關時間通常比光脈沖建立時間小，是快的開關類型。 由于開關的調制電壓僅為100以上，所以可用于低增益的連續(xù)激光器，可獲得峰值功率數百千瓦、脈沖寬度數十納秒左右的高重復率巨大脈沖。 但是，聲光開關因為高能激光器的開關能力差，所以不用于高能調制q激光器。 染料調q，先介紹的是主動調q方法，即人工利用某些物理效應控制激光諧振腔的損失，實現q值突變的方法。 本節(jié)介紹利用被動的q開關，即某個可飽和吸收體自身的特性，自動改變q值的方法。 另一方面，可飽和吸收染料的q調

16、節(jié)原理利用有機材料對光的吸收系數根據光強度而變化的特性，來實現q調節(jié)的目的。 圖是染料調q激光器的示意圖。 通過在固體激光器的空腔中插入染料盒而構成。 圖(色素調制q裝置示意圖，一部分有機色素是吸收系數不一定的非線性吸收介質，在強激光的作用下吸收系數隨著光強度的增加而減少到飽和，對光顯示透明特性的色素被稱為可飽和吸收色素，吸收系數在式中，0可以表示為中心頻率小的信號吸收系數可以看出，吸收系數隨光強度的增加而減少，光強度大時，吸收系數為零，入射光幾乎透過。 飽和吸收體的透射率隨光強度的變化如下圖所示。 Is是染料的飽和吸收光強度，其大小與染料的種類和濃度有關，一般染料的濃度增加，Is值也增加，I是入射光強度。 根據以上公式，在I Is的情況下，吸收系數為零，色素對通過的光束變得透明，將飽和吸收體放入諧振器中，當泵送過程開始時，諧振器內的自發(fā)熒光弱，色素吸收系數大，光的透射率低，諧振器成為低的q值(高損失)狀態(tài)，所以不能進行激光振蕩。 隨著光泵的繼續(xù)作用反轉粒子數的積累，放大的自發(fā)輻射逐漸增加，光強度與飽和吸收體的Is相匹敵時，染料的吸收系數變小，透射率逐漸增大。 隨著這個過程在一定程度上發(fā)展，單程增益等于單程損失，激光開始振蕩。 隨著激光強度的增加，達到一定的數值后，染料的吸收達到飽和(吸收最小)值，突然“漂白”成為透明的。 此時，腔內的q值急劇增加，發(fā)生了急劇增加的雪崩過程。