主动激光调Q技术原理解读

1、5.4激光调制q技术，普通脉冲激光，光脉冲宽度为ms级，峰值功率也只有几十kW。 调制q激光器、光脉冲的宽度被抑制在ns级，峰值功率也达到了MW . 调制q技术的出现和发展是激光发展史上的重要突破，是一种通过把激光能量压缩成窄脉冲发射来提高光源峰值功率的技术。 q技术的目的：压缩脉冲宽度，提高峰值功率。 另一方面，激光谐振器的质量系数q、q值是评价激光器中光学谐振器质量好坏的指标质量系数。 1.Q值的定义：2 .质量因子q与谐振器的单程总损耗的关系，光强度I0在谐振器传播z距离后变弱，上式可以改写为光子数密度的形式，在体积v的谐振器中积蓄的能量为：每振荡周期的损耗能量为：q值调整的方法以改变谐

2、振器内损耗的方式来调整谐振器内的q值如果用示波器观察记录从普通脉冲固体激光器输出的脉冲，可知其波形不是平滑的光脉冲，而是如图(a )所示，由振幅脉冲宽度间隔随机变化的尖峰脉冲构成。 每个峰值的宽度约为0.11s，间隔为几微秒，脉冲序列的长度与闪光灯泵的持续时间大致相等。 图(b )显示了所观察到的红宝石激光器输出的峰值。 这种现象称为激光缓和振动。 1 .脉冲固体激光器的输出特性、二、q原理、弛豫振动的主要原因：泵送激光器的工作物质，当上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即发生激光振动，增加腔内的光子数密度，发射激光。 随着激光的发射，能量级粒子数被大量消耗，粒子反转数降低，低于阈值时，激光振荡

3、停止。 此时，由于光泵的吸引运转继续，因此上级粒子的反转数再次积蓄，若超过阈值，则再次产生第二脉冲，反复进行上述过程，直到泵停止为止。 由于各峰值脉冲发生在阈值附近，所以脉冲的峰值功率电平低。 增大泵能量对提高峰值功率没有贡献，只增加小峰值的数量。缓和振动的物理过程可以在图2中叙述。 在弛豫振动的过程中，粒子反转数n和腔内光子数的变化，可以按每个峰分为4个阶段(到t1时刻为止，由于泵作用，粒子反转数n增加，但未达到阈值n，因此不能形成激光振动)。 )图2腔内光子数和粒子反转数的时间变化，第一阶段(t1-t2 ) :激光振荡刚开始后，n阈值，0； 在光泵作用下n持续增加的同时，腔内的光子数密度也

4、开始增加，n随着增加而减少的速度比泵增加n的速度小，所以n增加到最大值。 图2的腔内光子数和粒子反转数随时间的推移而变化，第二阶段(t2-t3):n达到最大值后开始下降，但在超过n阈值的状态下继续生长，并且生长非常快，达到了最大值。 第四阶段(t4-t5 ) :光子数在某种程度上减少，泵发挥了主要的作用，n又开始恢复，t5-t5-n再次达到阈值n，并再次开始产生第二尖峰脉冲。 由于泵的吸引过程的持续时间比各峰值脉冲宽度大得多，所以上述过程周期性地重复，产生一系列的峰值脉冲。 泵功率越大，尖峰脉冲的形成越快，因此尖峰的时间间隔变小，第三阶段(t3-t4):n阈值，增益小于损失，光子数密度减少急剧

5、下降。 2 .调谐的基本原理是，普通激光谐振器的损耗不变，当光泵达到或稍微超过反转粒子数时，激光器开始振荡，激光器上的能级的粒子数因激发辐射而减少，上述的能级不能蓄积很多反转粒子数，带阈值反转数这是普通激光的峰值功率(通常是几十千瓦级)。 不能提高的原因。既然激光能级的最大粒子反转数被限制在激光的阈值内，要在能级上蓄积大量的粒子，就可以通过改变(增加)激光的阈值来实现。 在激光开始抽泵的初期，将激光的振荡阈值调高，抑制激光的振荡，能够积蓄很多激光能级的反转粒子。 反转粒子数成为最大时，如果再次将阈值设定得较低，则积蓄在上位水平的大量粒子雪崩式地迁移到低能量水平，通过在极短时间内放出能量，可以得

6、到峰值功率高的巨大脉冲激光输出。 改变激光阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。 q值与谐振器的损失成反比，要改变激光器的阈值，可以通过改变谐振器的q值(或损耗a的合计)来实现。 调整q的技术是以某种方式使腔的q值随时间以一定的程序变化的技术。 或者，是使腔的损失随着时间以一定的程序变化的技术。 调整q激光脉冲的制作过程，各参数的时间变化如右图所示。 图(a )表示泵速度Wp的时间变化的图(b )表示腔的q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)的图(c )表示粒子的反转数n的变化的图(d )表示腔内的光子数的时间变化。 3.Q开关激光器的特征(1)通过改变q值改变阈值，从而控制激光器的产生时间。 因

7、为在泵过程的大部分时间谐振器处于低q值状态，所以阈值高，不能振荡，所以激光的能级的粒子数被蓄积，粒子数反转到t0时刻为止，达到最大值ni，在该时刻q值急剧上升(损失降低)，振荡阈值降低，所以开始激光振荡由于这种ni nt (阈值粒子反转数)，激发放射的增强非常快，激光介质中积蓄的能量在极短的时间内被转换成激发放射场的能量，结果产生了峰值功率高的狭窄脉冲。 q脉冲的建立有过程，q值步长上升时开始振动，在t=t0开始振动后的下一长时间内，光子数的增加非常缓慢，如图3所示，其值非常小，被激励的概率小，此时自发发射也占优势。 图3是从振荡开始到脉冲形成的过程中，振荡持续到ttD时，生长为d，形成雪崩过

8、程，迅速增大，被激发的放射线超过自发的放射线占优势。 (2)两阶段储藏阶段(延迟时间)反转粒子数达到最大值。 因此，为了调整q脉冲，从振荡开始到巨大脉冲激光器的形成需要一定的延迟时间t (即，到q开关接通为止的时间)。 光子数的急速增加使ni急速减少，在t=tp时，ni=nt，光子数达到最大值m后，在n nt急速减少，此时，n=nf是振动收敛后工作的物质中的剩馀粒子数。 可以看出，q脉冲的峰值是在反转粒子数与阈值反转粒子数(ni=nt )相等的时刻产生的。 激光的发生输出无视泵浦和自发辐射的影响。 (3)开关时间从q值的最小变化到最大q值，即，损耗从最大变化到最小所需的时间被称为开关时间。 开

9、关时间对激光脉冲的影响很大，开关时间的大小分为快、慢两种。 谐振器的q值与损耗a组合成反比，只要根据一定的法则改变谐振器的a合计值，就可以相应地变化q值。 谐振器的损耗一般包括反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。 因此，我们可以通过用不同的方法控制不同类型的损失变化来形成不同的q调节技术。 有机镜调q、电光调q技术、声光调q技术、染料调q技术等。三、q调制方法，四、q调制技术的关键，动态损失： q开关处于关断状态时，谐振器具有最大损失，在q开关接通之前必须确保不发生激光的插入损失： q开关处于接通状态时，开关自身造成的损失不是最小的一般导入反射和散射损失的开关时间，q开关需要优异的开关性能，需要快

10、的开关时间，产生窄的高输出峰值脉冲的慢的开关时间，在开关完全接通时将积蓄的能量迅速降低同步性能，q开关正确电光调q，一，电光结晶调q原理1 .电光q开关原理。 利用晶体的电光效应，向晶体施加阶跃电压，调节腔中光子的反射损耗。 图4-27电光调制q装置的示意图，(1)第一阶段：积蓄阶段，图中示出电光调制q激光器。 施加电场前结晶的折射率主轴为z、y、z。 沿着结晶光轴方向z施加外部电场e，通过拉克尔效应，主轴成为x、y、z。 使光束在z轴方向传播，通过偏振片成为与x轴平行的直线偏振光，入射到结晶表面时分解为等宽度的x方向和y方向的偏振光，在结晶中折射率x和y不同。 经过结晶长度d距离后，二偏振光

11、成分产生相位差，图4-27的电光调制q装置的示意图中，作为结晶的电光系数的v是施加在结晶两端的电压，d是结晶的z轴方向的长度。 如果对图中的电光晶体施加电压V/4，则从偏振片出射的线偏振光通过电光晶体后，在x和y方向的偏振光成分上产生/2相位延迟，在被全反射镜反射后，再次通过电光晶体后，产生/2相位延迟，合成后也是线偏振光，但由于偏振光方向与偏振片的偏振方向垂直，所以在这种情况下，谐振器的损失很大，处于低q值的状态，激光器不能振荡，在激光器中以能量水平积蓄粒子(该状态相当于光开关断开的状态)。 (2)第二阶段：脉冲形成阶段q开关完全接通，在某个特定时刻突然关断电光晶体两端的电压，偏振光的振动方

12、向就不再旋转900转，光开关接通，谐振器急剧变化为低损耗、高q值的状态，形成巨大的脉冲激光。 (该状态相当于光开关处于on状态。) 1、高动态损失()和插入损失()2.交换速度快，同步性能好。 开关时间可以达到秒，3 .典型的Nd:YAG电光调制q激光器的输出光脉冲宽度约为-20ns，峰值功率可达到几兆瓦到几十兆瓦。 适用于脉冲式泵浦激光器，该技术的高插入损耗使激光不能振荡，不能适用于连续泵浦激光器，二是电光调制q技术的特征，声光调制q，一是插入到声光q开关元件结构腔内的声光调制q元件与声光相互作用介质(例如熔融石英)之间图4-28声光调制q装置的示意图，2 .声光调制q原理：当声波在某介质中

13、传播时，该介质根据声波信号，时间和空间周期发生变化，产生弹性变形，介质的折射率周期发生变化，形成等效的相位光栅，其晶格常数等于声波波长s。 光束通过该介质时会衍射，一部分光从原来的方向偏离。 在声光的作用长度d足够大、满足的情况下(所谓s分别是声波和光波的波长)，如果入射光和声波的面的角度满足，则透射光束分裂为0次和1次或-1次(依赖于入射方向)衍射光，1次或-1次衍射光和声波的面的角度也该现象被称为布拉格衍射，是一次衍射光的强度I1(或I-1 )与入射光的强度Ii之比的声光学布拉格衍射的示意图，式是光波的相位经过长度d的相位光栅而变化的宽度。 式中，作为介质的折射率变化的振幅的d和h分别是换

14、能器的长度和宽度，m是声光介质的质量因素，p是超声波驱动功率。 通过提高超声波驱动功率可以获得高衍射效率。声光调q技术利用声光器件的布拉格衍射原理来完成调q任务。 当声光器件工作时将产生高衍射损耗，此时腔具有低q值，如果在q开关处于关断状态的特定时间内移除了超声波，则光束平滑地通过均匀的声光介质，此时q开关处于接通状态，而声光q开关对激光波长透明的声光在声光介质的表面上，粘着由银酸鲤、石英等压电材料片构成的转换器，转换器的作用是将高频信号转换成超声波。 声光开关被放置在激光器中，在超声波场的作用下产生衍射，一次衍射光偏离谐振器，损失增加，因此难以形成激光器的振动，粒子在激光器的高能量水平上大量

15、积蓄。 此时，如果突然撤除超声波场，衍射效果马上消失，谐振器损失突然降低，形成激光巨大脉冲。 图4-28是声光调制q装置的示意图，声光调制q开关时间通常比光脉冲建立时间小，是快的开关类型。 由于开关的调制电压仅为100以上，所以可用于低增益的连续激光器，可获得峰值功率数百千瓦、脉冲宽度数十纳秒左右的高重复率巨大脉冲。 但是，声光开关因为高能激光器的开关能力差，所以不用于高能调制q激光器。 染料调q，先介绍的是主动调q方法，即人工利用某些物理效应控制激光谐振腔的损失，实现q值突变的方法。 本节介绍利用被动的q开关，即某个可饱和吸收体自身的特性，自动改变q值的方法。 另一方面，可饱和吸收染料的q调

16、节原理利用有机材料对光的吸收系数根据光强度而变化的特性，来实现q调节的目的。 图是染料调q激光器的示意图。 通过在固体激光器的空腔中插入染料盒而构成。 图(色素调制q装置示意图，一部分有机色素是吸收系数不一定的非线性吸收介质，在强激光的作用下吸收系数随着光强度的增加而减少到饱和，对光显示透明特性的色素被称为可饱和吸收色素，吸收系数在式中，0可以表示为中心频率小的信号吸收系数可以看出，吸收系数随光强度的增加而减少，光强度大时，吸收系数为零，入射光几乎透过。 饱和吸收体的透射率随光强度的变化如下图所示。 Is是染料的饱和吸收光强度，其大小与染料的种类和浓度有关，一般染料的浓度增加，Is值也增加，I是入射光强度。 根据以上公式，在I Is的情况下，吸收系数为零，色素对通过的光束变得透明，将饱和吸收体放入谐振器中，当泵送过程开始时，谐振器内的自发荧光弱，色素吸收系数大，光的透射率低，谐振器成为低的q值(高损失)状态，所以不能进行激光振荡。 随着光泵的继续作用反转粒子数的积累，放大的自发辐射逐渐增加，光强度与饱和吸收体的Is相匹敌时，染料的吸收系数变小，透射率逐渐增大。 随着这个过程在一定程度上发展，单程增益等于单程损失，激光开始振荡。 随着激光强度的增加，达到一定的数值后，染料的吸收达到饱和(吸收最小)值，突然“漂白”成为透明的。 此时，腔内的q值急剧增加，发生了急剧增加的雪崩过程。