主动激光调Q技术原理解读.ppt

1、5.4 激光调 Q 技术,普通的脉冲激光器,光脉冲的宽度约在ms级,峰值功率也只有几十kW. 调 Q 激光器,光脉冲的宽度可以压到ns级,峰值功率也已达到MW.,调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。,调Q技术的目的： 压缩脉冲宽度，提高峰值功率。,一、激光谐振腔的品质因数Q,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。 1.Q值定义：,2.品质因子Q与谐振腔的单程总损耗的关系,光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为,上式可以改写为光子数密度的形式,而,体积为V的腔内存储的能量为：,每

2、振荡周期损耗的能量为：,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。,将普通脉冲固体激光器输出的脉冲，用示波器进行观察、记录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的，如图(a)所示。每个尖峰的宽度约为0.11s，间隔为数微秒，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦持续时间相等。图(b)所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现象称为激光器弛豫振荡。,1. 脉冲固体激光器的输出特性,二、调 Q原理,产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，而发射激光。随着激光的

3、发射，上能级粒子数大量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振荡就停止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，,当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。每个尖峰脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低。增大泵浦能量也无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。,弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2来描述。它示出了在弛豫振荡过程中粒子反转数n 和腔内光子数的变化，每个尖峰可以分为四个阶段 (在t1时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数n增长，但尚未到达阈值n阈因而不能形成激光振荡。),图2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,第一

4、阶段(t1一t2)：激光振荡刚开始时，n n阈， 0；由于光泵作用， n继续增加，与此同时，腔内光子数密度也开始增加，由于的增长而使n减小的速率小于泵浦使n 增加的速率，因此n一直增加到最大值。,图2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,第二阶段(t2一t3) ： n到达最大值后开始下降，但仍然大于n阈 ，因此 继续增长，而且增长非常迅速，达到最大值。,第四阶段(t4一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是n又开始回升，到t5时刻n又达到阈值n阈 ，于是又开始产生第二个尖峰脉冲。因为泵浦的抽运过程的持续时间要比每个尖峰脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。泵浦

5、功率越大,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小,第三阶段(t3一t4)： n n阈 ，增益小于损耗，光子数密度减少并急剧下降。,2.调的基本原理,通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率(一般为几十千瓦数量级)。不能提高的原因。,既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑

6、制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。,当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。 改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。,Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的Q值(或损耗a总)来实现。,调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。,调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如右图所示。 图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化； 图(b

7、)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)； 图(c)表示粒子反转数n的变化； 图(d)表示腔内光子数随时间的变化。,3.Q开关激光器的特点 （1） 通过改变Q值改变阈值，控制激光产生的时间。,在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻，粒子数反转达到最大值ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此ni nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间,内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。,调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶

8、跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数增长十分缓慢，如图3所示，其值始终很小，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。,图3 从开始振荡到脉冲形成的过程,只有振荡持续到ttD时，增长到了D ，雪崩过程才形成， 才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。,（2） 两阶段 储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值 。,因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间t (也就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使ni迅速减少，到t=tp时刻， ni= nt，光子数达到最大值m之后，由n nt ，则 迅速减少，此时n = nf ，为振荡

9、终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(ni= nt)的时刻。,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。,谐振腔的Q值与损耗a总成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的a总值，就可以使Q值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染料调Q技术等。,三、Q调

10、制方法,四、调Q技术关键,动态损耗：Q 开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证Q 开关打开之前没有激光产生； 插入损耗：Q 开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最 小，一般会引入反射及散射损耗； 开关时间，Q 开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间， 将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭； 同步性能， Q 开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步。,电光调 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。,图4-27 电光调Q装置示意图,（1）第一阶段：积

11、累阶段,电光调Q激光器如图所示。未加电场前晶体的折射率主轴为z、y、z。沿晶体光轴方向z施加一外电场E ,由于普克尔效应,主轴变为x、y,z。令光束沿z轴方向传播,经偏振器后变为平行于x轴的线偏振光,入射到晶体表面时分解为等幅的x和y方向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折射率x和y。经过晶体长度d距离后,二偏振分量产生了相位差,图4-27 电光调Q装置示意图,式中为晶体寻常光折射率;63是晶体的电光系数;V是加在晶体两端的电压，d为晶体在z轴方向的长度。当=/2时,所需电压称作四分之一波电压,记作V/4.图中电光晶体上施以电压V/4时,从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后,沿x和y方向的偏振分量

12、产生了/2位相延迟,经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又将产生/2延迟,合成后虽仍是线偏振光,但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向,因此不能通过偏振器。这种情况下谐振腔的损耗很大,处于低Q值状态,激光器不能振荡,激光上能级不断积累粒子（这一状态相当于光开关处于关闭状态）。,（2）第二阶段：脉冲形成阶段Q开关完全打开,在某一特等时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则偏振光的振动方向不再被旋转900，相当于光开关被打开，则谐振腔突变至低损耗、高Q值状态,于是形成巨脉冲激光。（这一状态相当于光开关处于打开状态）。,1.有较高的动态损耗（）和插入损耗（） 2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到秒 ，

13、3.典型的Nd:YAG电光调Q激光器的输出光脉冲宽度 约为-20ns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦 4.适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损 耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器,二、电光调Q技术特点,声光调 Q,一、声光Q开关器件的结构腔内插入的声光调Q器件由声光互作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成的。,图4-28 声光调Q装置示意图,二.声光调Q原理：,当声波在某些介质中传播时,该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变,从而导致介质折射率的周期变化,形成等效的位相光栅,其光栅常数等于声波波长s.光束射经此介质时发生衍射,一部分光偏离原来方向

14、。当声波频率较高.声光作用长度d足够大,满足,时(s与分别为声波与光波波长),如果射光与声波波面的夹角满足,则透射光束分裂为零级与+1级或-1级(视入射方向而定)衍射光,+1级或-1级衍射光与声波波面的夹角亦为,如图所示。这种现象称作布喇格衍射,一级衍射光先强I1(或I-1)与入射光光强Ii 之比为,声光布喇格衍射衍射示意图,式中是经长度为d的位相光栅后光波相位变化的幅度。,式中是介质折射率变化的幅值;d与H分别为换能器的长度与宽度;M是声光介质的品质因素;P是超声驱动功率。提高超声驱动功率可得到较高的衍射效率。,声光调Q技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q任务。在声光器件工作时产生很高的

15、衍射损耗，此时，腔具 有很低的Q值，Q开关处于关状态；在某一特定时间，撤去 超声，光束则顺利通过均匀的声光介质， 此时Q开关处于 开状态；,声光Q开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成,常用的声光介质有熔融石英、锢酸铅及重火石玻璃等。声光介质表面粘接有由银酸鲤、石英等压电材料薄片制成的换能器,换能器的作用是将高频信号转换为超声波。声光开关置于激光器中,在超声场作用下发生衍射,由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加,从而使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场,则衍射效应即刻消失,谐振腔损耗突然下降,激光巨脉冲遂即形成。,图4-28 声光调Q装置示意图,声光调Q开

16、关时间一般小于光脉冲建立时间,属快开关类型。由于开关的调制电压只需100多伏,所以可用于低增益的连续激光器,可获得峰值功率几百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲。但是,声光开关对高能量激光器的开关能力差,不宜用于高能调Q激。,染料调Q,前面介绍的都是主动式调Q方法，即是人为地利用某些物理效应来控制激光谐振腔的损耗，从而达到Q值的突变。本节介绍被动式Q开关，即利用某些可饱和吸收体本身特性，能自动地改变Q值的一种方法。,一、可饱和吸收染料的调Q原理,利用有机材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性来达到调Q的目的。,图就是染料调Q激光器的示意图。它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。,

17、图(染料调Q装置示意图,某些有机染料是一种非线性吸收介质，即其吸收系数并不是常数，当在较强激光作用下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料，吸收系数可以表示为：,式中0是中心频率小信号吸收系数; I 和 Is 分别为人射光强和饱和光强。,可见,吸收系数随光强的增加而减少,当光强很大时,吸收系数为零,入射光几乎全部透过。饱和吸收体的透过率随光强的变化如下图所示。,Is为染料的饱和吸收光强，其大小与染料的种类和浓度有关，一般来说，染料的浓度增加， Is值也增加；I为入射光强。由上式可以看出，当I Is 时，吸收系数趋于零，染料对通过的光束于是变为透明,将饱和吸收体放在谐振腔中,泵浦过程开始时,腔内自发荧光很弱，染料吸收系数很大，使光的透过率很低，腔处于低Q值(高损耗)状态，故不能形成激光振荡。 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,当光强与饱和吸收体的Is可比拟时,染料的吸收系数变小，透过率逐渐增大.当这一过程发展到一定程度时,单程增益等于单程损耗,激光器开始起振。 随着激光强度的增加,到一定数值时，染料吸收达到饱和（吸收最小）值，突然被“漂白”而变得透明了，这时腔内Q值猛增，产生了受激辐射不断增长的雪崩过