第2章调Q技术- 激光技术- 第二章.ppt

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 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 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 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 下降的快 有利于激光的形成 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 2 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 这种可饱和吸收染料是一种非线性吸收物质 把它放在谐振腔内 利用它对光的可饱和吸收特性来改变谐振腔内的吸收损耗 起到Q开关的作用 1 可饱和吸收体的吸收特性 可饱和吸收体是一种非线性吸收物质 假设一束光通过吸收物质时 吸收系数为 透过率 吸收率为 则则 2 饱和吸收原理染料具有饱和吸收的原理可以用能级跃迁的量子理论来解释 吸收物质初始状态 染料分子处于基态 二能级系统 N 吸收物质总粒子密度 n1 n2分别是高能态 基态粒子密度 染料从基态到高能态吸收光子 故初始大 当染料吸收光强从基态到高能态时 则n1减小 n2增加 染料的吸收存在两过程吸收体对入射光强的改变应是这两个过程的综合过程 高能态粒子越多 则吸收光强越少 即n2增加 下降 当高能态粒子数n2和基态粒子数n1相等时 这时从低能态到高能态的受激跃迁的粒子数和从高能态到基态放出光子的粒子数相等 即吸收的和放出的光子相等 达到饱和 二 染料调Q激光器1 染料Q开关激光器型式两种 染料盒和全反射镜合为一体 利用染料盒的后壁做全反镜 在锁模中用 染料盒单独放在腔内 这种机构注意避免染料盒的表面和反射镜之间形成寄生振荡 一般染料盒倾斜一个小角度 也可以倾斜布儒斯特角 2 染料Q开关的工作过程 1 阶段 积累a 初始态 氙灯未点燃 腔内u 0 染料很大 染料分子处于基态 b 氙灯点燃 工作物质开始积累 这时工作物质的上能级自发辐射产生的荧光被染料分子吸收 T上升 但u小 都被染料吸收 损耗很大 低Q高损耗 激光不能形成振荡 2 激光形成与输出阶段a 随着荧光的不断被染料吸收 则 即腔内的损耗不断下降 当下降到时 激光到达阈值 开始振荡 Q开关打开 b 激光达到阈值开始振荡 因此腔内激光密度u很强 染料很快达到饱和 染料无吸收损耗 Q开关完全打开 输出一巨脉冲 三 影响调Q的效果的因素主要讨论吸收体 输入能量 吸收体浓度对调Q效果的影响 1 染料吸收体吸收体是染料Q开关的核心 它对调Q的效果影响最大 因此合理的选择染料很重要 并不是什么样的染料都可以做调Q开关 而且不同的工作物质所需要的染料不同 染料需满足下面条件 1 吸收体的吸收峰和激光器的中心波长对应 2 染料配成溶液要具有一定的稳定性 3 选择的染料必须有高的开关效率 2 染料浓度的影响 1 染料浓度N大基态n1大 初始大 当染料饱和时n1 n2 从基态的粒子激发到高能态达到饱和时吸收的光强多 饱和光强大 因此染料从初态到饱和需要的时间长 延迟时间长 如果N过大 饱和光强大 腔内的光强不能使染料达到饱和 这时染料起不到Q开关的作用 2 染料的浓度小N小 小 延迟时间短 小 输出功率小 由于Q开关打开的时间早 容易出现多脉冲 如果N过小 则实际上是尖峰振荡 结论 在一定的输入能量下 存在一个最佳浓度 延迟时间正好使达到最大值 此时激光器输出单脉冲 峰值功率最高 3 输入能量一定的输入能量对应一个最佳浓度 输入能量改变 最佳浓度变 当输入能量增加时 最佳浓度向着浓的方向移动 因为输入能量的变化 相当于腔内光强变化 延迟时间变化 变 4 染料盒的影响最佳浓度N一定 若l 盒的厚度 变 则一定时 一定 最佳浓度N变 l小 N大 对于稳定的脉冲输出是有利的 溶剂的比例小 因此溶剂的吸收损耗小 一般尽量选薄一些的染料盒 1mm左右 5 输出镜反射率的影响反射率R大 腔内u高 R小 腔内u小 在相同输入能量下 R大延迟时间短 R对延迟时间有影响 R比静态激光器低 使延迟时间更长 利于的积累 四 染料Q开关的特点优点 1 简单方便 这种Q开关只要配好溶液放在染料盒内 或做成染料片成品 放谐振腔中即可 而电光调Q中还需要一套电路系统控制Q开关 2 速度快 染料Q开关属于快开关 一般10 9nS量级 3 自动实现开关和增益的调谐 4 具有选模的作用 在中心频率附近的模式 增益高 先振荡 消耗 而增益低的模式被抑止 在漂白前 漂白后 其他模能够振荡 缺点 1 同步精度差 不需要同步装置 简单 但要得到很好的调Q效果需要经过反复实验 而实际要求和Q开关激光器同步 染料Q开关不能使用 2 稳定性差 染料的溶液不稳定 影响输出的功率不稳定 3 输出功率不能很大 因为染料调Q激光器实际上在阈值附近工作 因此染料Q开关激光器适用