Download - 第二章 调 Q(Q 开关 ) 技术
主要内容:
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、什么是调 Q ? Q 值?
二、调 Q 技术的目的: 压缩脉冲宽度,提高峰值功率。
三﹑调 Q 激光(短脉冲)的应用强相干光与物质的相互作用短脉冲的应用
2.2.1 一般固体脉冲激光器的输出特性
输出的脉冲是系列尖峰振荡
驰豫振荡
脉冲激光器输出的尖峰结构
驰豫振荡产生的物理过程第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段
普通激光器峰值功率不能提高的原因
获得巨脉冲激光输出的方法
腔内光子数和粒子反转数随时间的变化
2.1.2 调 Q 的基本原理
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。
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。
21
21
0
00
1
22
2
W 22
W c nL
thc
c
th
gn
A
Q
vg v
nA Q
Q v
nLQ v
腔内存储的能量每秒损耗的能量
稳定调 Q 脉冲的建立过程
实现调 Q 对激光器的基本要求
工作物质抗损伤阈值要高 , 同时有较长的能级寿命
泵浦速度必须快于激光上能级的自发辐射速率
谐振腔的 Q 值改变要快 , 一般应与谐振腔建立激光振荡的时间相比拟 .
2
0,
2
Q
1
t
t
t
d n An
dt g
d An
dt g
dn g
dt Ad n n
dt n
d n
dt n
二能级系统的模型
令 将 代入上式得:
调 激光振荡的速率方程
2.2 调 Q 激光器的基本理论
调 Q 的速率方程
速率方程的求解
0
2
1( 1)
21
( 1)2
1[ ln( )]
2
14
m t
i
t
nt
n
tm i t t
i
t im
t
nd
d n nn
d d nn
nn n n
n
n n
n
调 Q 脉冲的峰值功率( ln )
2
( ln )2
1
2
i tc i
tm i t t
c i
i
c
hv nP n n n
t n
nhvP n n n
t n
nP hv
t
1( )
2
exp[ ( 1)]
exp( )
i f
fif i
t i
f f i
i t
E n n h V
nnn n
n n
n n n
n n
调 Q 脉冲的能量及能量利用率
调 Q 脉冲的时间特性
0
2
12 [ ( ln )]
2
( ln )
i
i
t
n
ni
t t t i
n
ni
t t i
ndt d n
n
d nt
n n nn
n n n n
d nt
n n nn
n n n
非理想阶跃式 Q 开关函数的情况 腔内损耗与时间呈线性函数(左图) 稳变非线性 ( 抛物线 ) 开关函数(中图) 峰值光子数密度 φm随脉冲半宽度 Δt及脉冲建立的
延迟时间 tD的变化(右图)
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。
0n
2.3 2.3 电光晶体调电光晶体调 QQ 电光 Q 开关: 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。
2.3.1 带偏振器的电光调 Q 器件
带偏转器的电光调 Q 装置
调 Q 工作程序示意图
对偏转器的要求
对调制晶体的要求
电光调 Q 工作程序示意图
2.3.2 单块双 45° 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 45° 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。
Q 开关原理
单块双 45°电光调 Q 激光器
工作原理 未加电压时的情况 加电压时的情况
Vx=0时的光路图
Vx≠0时的光路图
LN 晶体 Q 开关: ( 1 )双 45° 晶体等效于在两个偏转器之间夹一块调制晶体 ( 2 )晶体在加工时造成的误差。 45° 不够准确,光轴有些偏离。入射的光束不能严格地垂直入射面等。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。
( 3 ) o 、 e 光走的路程不同,因此当 时, o 、 e 光并非完全旋转 90°, 解决办法预偏置 . 2
VVx
双 45°晶体实际出射光斑情况
单块单 45° 电光开关 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 45°Q 开关相当于带一个偏振器的 Q开关。
2.3.3 脉冲透射式 Q 开关激光器 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。
maxminQ
max minQ
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) 不加 ,2 )加压 ,3 )退压
2
V
PTM调 Q 激光器
PTM式电光 Q 开关
单块双 45° 电光 PTM 式调Q 开关
PTM 式调 Q 的优点 效率比 PRM 式高 脉宽窄
Q 开关的工作程序单块双 45° 电光 PTM 式调 Q 开关
2.3.4 Q 调制技术的其他功能
1.选横模的功能 2.选单纵模的功能 3.锁模 削波等功能
2.4 设计电光调 Q 激光器应考虑的问题 调制晶体材料的选择 消光比要高 透过率要高 半波电压要低 抗破坏阈值要高 晶体防潮 调制晶体的电极结构 对激光工作物质的要求 对光泵浦灯的要求 对 Q 开关控制电路的要求
2.5 声光调 Q
2.5.1 基本原理 声光调制原理 声光调 Q
声光调 Q 激光器示意图
连续激光器高重复率调 Q 过程
声光调 Q 激光器的特点 开关时间与脉宽 声光 Q 开关的缺点 声光 Q 开关与重复频率
连续激光器声光调 Q运转方式
2.5.2 声光 Q 开关的结构与设计
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。
1 、材料的选择 : 对声光介质材料的选择应综合考虑如下要求;介质的品质因数 M2 要大;对光的吸收要小 ( 即对光的透过率要高 ) ;对超声波的吸收要小;有良好的热稳定性;介质在光学上是均匀的,且有足够大的尺寸。对功率大的调 Q 器件,还要考虑采用激光损伤阈值高的材料。
2 、器件的设计 声光器件设计的关键是合
理地确定超声柱的尺寸换能器与声光介质的粘结
工艺也是十分重要的问题
超声场尺寸
声光器件结构形式声光器件的工作方式
3 、器件的结构形式
声光调 Q 器件典型结构
211
2
2
2
1sin ( ) (1 cos )
2 2
2
1 1
2
i
s
s
I vv
I
v
Lv M P
H
HP
L M
4 、驱动声功率的确定
2.5.4 声光腔倒空激光器
声光腔倒空激光器原理 优点 要求
声光腔倒空激光器
2.6 2.6 被动式可饱和吸收调被动式可饱和吸收调 QQ 2.6.1 可饱和吸收染料的调 Q 原
理 可饱和吸收体的吸收特性
可饱和吸收染料的调 Q 原理
2.6.2 饱和吸收的速率方程
染料透过率与激光功率密度的关系
0
1 / s
aa
I I
2.6.3 染料调 Q 激光器及其输出特性
染料 Q 开关激光器形式 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 1 °~ 2° ,也可以倾斜布儒斯特角。
染料调 Q 激光器
1 、对染料选择的要求
染料的吸收峰应与激光波长基本吻合 染料要有适当的饱和光强值 染料溶液要有一定的稳定性
几种染料的吸收谱线
2 、影响染料调 Q 输出特性的因素 染料浓度的影响 输入能量 染料盒的影响 输出镜反射率的影响
染料调 Q 输出特性曲线
液层厚度对输出特性的影响 染料盒的结构
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 开关激光器适用于同步精度要求不高,稳定性要求不高的实际应用。
2.6.4 LiF可饱和吸收晶体 Q 开关 工作原理: LiF 晶体是无色透明晶体,不能做 Q 开关晶体
用,但当它经过射线辐射后就可以产生色心,开始变为棕红色。随着辐射剂量的大小不同,其着色的深浅也不同,产生不同的色心—— F , F2 , , 心等。由于色心不同,吸收谱产生了明显的变化。
2F
2F
F2- 心的吸收谱线 在 1.06 微米激光作用下 F2
- 心的透过率
2.6.5 二极管泵浦被动调 Q 激光器
2 ) Nd:YVO4/Cr:YAG结构被动调 Q红外激光器
1 ) Nd:YVO4/Cr:YAG/KTP结构被动调 Q绿光激光器
调 Q 脉冲激光的远场光斑照片
稳定绿光脉冲波形图
3 ) Nd:YVO4/Cr:YAG/LBO结构被动调 Q绿光激光器
2.7 转镜调 Q
转镜调 Q 的工作原理
转镜调 Q 的运转过程
转镜调 Q 激光器示意图 转镜调 Q运转过程
关键的问题之一是准确地控制延迟时间
延迟原理
转镜调 Q 的特点
延迟装置示意图
本章小结 要掌握的知识要点 调 Q 原理、电光晶体调 Q 、单块双 45º 电光 Q 开关、声
光调 Q 、可饱和吸收染料调 Q
要熟悉的知识要点 调 Q 的速率方程、晶体电光调 Q 原理
要求了解的知识点 声光调 Q 器件的结构与设计、 LiF可饱和吸收晶体 Q 开关
作业: 3 、 5 、 6