《激光调Q技术》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,I,0,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,0.1,1,s,，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。,E,1,E,2,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,t,1,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,第一阶段,(,t,1,一,t,2,),：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,(,t,2,一,t,3,),：,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,(,t,4,一,t,5,),：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,t,5,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,(,t,3,一,t,4,),：,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,W,p,随时间的变化；,图,(b),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,t,0,时刻，粒子数反转达到最大值,n,i,，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,n,i,n,t,(,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,值阶跃上升时开始振荡，在,t,=,t,0,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,t,t,D,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 。,i,D,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,n,i,迅速减少，到,t,=,t,p,时刻，,n,i,=,n,t,，光子数达到最大值,m,之后，由,n,n,t,，则,迅速减少，此时,n=,n,f,，为振荡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,(,n,i,=,n,t,),的时刻。,i,D,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,90,0,，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，,3.,典型的,Nd:YAG,电光调,Q,激光器的输出光脉冲宽度,约为,-20,ns,，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。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,I,1,(,或,I,-1,),与入射光光强,I,i,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