调Q(Q开关)技术

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,大标题,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,P,1,/P,2,，所以，从晶体出来的光不能通过,P,2,，被,P,2,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