最新調Q(Q開關)技術

1、光 電 信 息 學 院第二章 調q(q開關)技術周一主樓東101周三二教206第二大節(jié)主要內容：一、調q技術的基本概念和基本理論二、實現(xiàn)調q技術的方法： 1. 電光調q ； 2. 聲光調q ； 3. 染料調q ； 4. 色心晶體調q； 5. 轉鏡調q 。2.1 概述一、什么是調q？q值？二、調q技術的目的： 壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。三調q激光（短脈沖）的應用強相干光與物質的相互作用短脈沖的應用2.2.1 一般固體脈沖激光器的輸出特性v輸出的脈沖是系列尖峰振蕩 馳豫振蕩脈沖激光器輸出的尖峰結構v馳豫振蕩產(chǎn)生的物理過程第一階段第二階段第三階段第四階段v普通激光器峰值功率不能提高的原因v獲得巨脈

2、沖激光輸出的方法腔內光子數(shù)和粒子反轉數(shù)隨時間的變化 2.1.2 調q的基本原理v定義：q值是評定激光器中光學諧振腔質量好壞的指標-品質因數(shù)。q值-定義為在激光諧振腔內，儲存的總能量與腔內單位時間損耗的能量之比。v調節(jié)q值的途徑 一般采取改變腔內損耗的辦法來調節(jié)腔內的q值。21210001222w22wc nlthccthgnaqvgvnaqqvnlqv腔內存儲的能量每秒損耗的能量v 穩(wěn)定調q脈沖的建立過程v實現(xiàn)調q對激光器的基本要求 工作物質抗損傷閾值要高,同時有較長的能級壽命 泵浦速度必須快于激光上能級的自發(fā)輻射速率 諧振腔的q值改變要快,一般應與諧振腔建立激光振蕩的時間相比擬.20,2q1

3、tttd nandtgdandtgdngdtad nndtndndtn 二能級系統(tǒng)的模型令將代入上式得：調 激光振蕩的速率方程2.2 調調q激光器的基本理論激光器的基本理論v調q的速率方程v速率方程的求解021(1)21(1)21ln()214mtitntntmittitimtndd nnndd nnnnnnnnnnv調q脈沖的峰值功率(ln)2(ln)212itcitmittciichvnpnnntnnhvpnnntnnphvt 1()2exp(1)exp()iffifitiffiitennh vnnnnnnnnnnn v調q脈沖的能量及能量利用率v調q脈沖的時間特性0212(ln)2(ln

4、)iitnnitttinnittindtd nnd ntnnnnnnnnd ntnnnnnnn v非理想階躍式q開關函數(shù)的情況 腔內損耗與時間呈線性函數(shù)（左圖） 穩(wěn)變非線性(拋物線)開關函數(shù)（中圖） 峰值光子數(shù)密度m隨脈沖半寬度t及脈沖建立的延遲時間td的變化（右圖）v q開關激光器的特點 1. 通過改變改變q值改變閾值，控制激光產(chǎn)生的時間。2. 兩階段 （1）儲能階段（延遲時間） 反轉粒子數(shù)達最大值 。 （2）激光產(chǎn)生輸出 忽略泵浦和自發(fā)輻射的影響。3. 開關時間 從q值最小變到最大q值即損耗從最大變到最小需要的時間叫開關時間。 開關時間對激光脈沖的影響很大，按開關時間的大小分為快、慢兩種類

5、型。 0n v 電光q開關： 利用晶體的電光效應，在晶體上加一階躍式電壓，調節(jié)腔內光子的反射損耗。2.3.1 帶偏振器的電光調q器件 帶偏轉器的電光調q裝置v 調q工作程序示意圖v 對偏轉器的要求v 對調制晶體的要求電光調q工作程序示意圖2.3.2 單塊雙45電光q開關 帶偏振器的q開關激光器需加偏振器，使腔內元件增多，因而增加了腔內損耗，降低了調q效率。把晶體做成雙45的形式，使晶體起著偏振、q開關兩個作用，克服了上述q開關激光器的缺點。 v q開關原理單塊雙45電光調q激光器v 工作原理 未加電壓時的情況 加電壓時的情況vx=0時的光路圖vx0時的光路圖v ln晶體q開關： （1）雙45晶

6、體等效于在兩個偏轉器之間夾一塊調制晶體 （2）晶體在加工時造成的誤差。45 不夠準確，光軸有些偏離。入射的光束不能嚴格地垂直入射面等。入射光有一定的發(fā)散角，因此相當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，因此當 時，o、e光并非完全旋轉90,解決辦法預偏置.2vvx雙45晶體實際出射光斑情況v 單塊單 45電光開關 原理 ：以ln橫向運用退壓式結構為例，分析原理和一般q開關相同。 也是分兩個階段討論其工作原理：粒子數(shù)積累階段和脈沖形成階段。結論：單 45q開關相當于帶一個偏振器的q開關。2.3.3 脈沖透射式q開關激光器 v原理： 反射式q開關激光器：由于激光的形成和輸

7、出同時進行，因此脈沖寬度的壓縮受了限制。脈沖透射式q開關打破了這種限制，把激光形成和激光的輸出分成兩階段。共三個階段： a 、 ，激光不能振蕩，積累階段（透射損耗大） b 、 ，激光形成但不輸出（透射損耗近似為零） c激光輸出階段（透射損耗大） 具有以上特點的激光器為透射式q開關激光器。maxminqmaxminq 透射式原理不同于反射式，結構做了改進： q開關的三個階段：1)不加 ,2）加壓 ,3）退壓2vptm調q激光器ptm式電光q開關v 單塊雙45電光ptm式調q開關v ptm式調q的優(yōu)點 效率比prm式高 脈寬窄q開關的工作程序單塊雙45電光ptm式調q開關2.3.4 q調制技術的其

8、他功能 v1.選橫模的功能 v2.選單縱模的功能 v3.鎖模 削波等功能 2.4 設計電光調q激光器應考慮的問題 調制晶體材料的選擇 消光比要高 透過率要高 半波電壓要低 抗破壞閾值要高 晶體防潮 調制晶體的電極結構 對激光工作物質的要求 對光泵浦燈的要求 對q開關控制電路的要求2.5 聲光調q2.5.1 基本原理 聲光調制原理 聲光調q聲光調q激光器示意圖連續(xù)激光器高重復率調q過程v聲光調q激光器的特點 開關時間與脈寬 聲光q開關的缺點 聲光q開關與重復頻率v連續(xù)激光器聲光調q運轉方式2.5.2 聲光q開關的結構與設計v 聲光q開關的結構和聲光調制器完全相同。換能器、聲光介質、吸收器三個部分

9、組成，且材料、尺寸相同v 不同點：聲光調制器：有駐波和行波兩種結構。 聲光q開關：只有行波結構。1、材料的選擇: 對聲光介質材料的選擇應綜合考慮如下要求；介質的品質因數(shù)m2要大；對光的吸收要小(即對光的透過率要高)；對超聲波的吸收要??；有良好的熱穩(wěn)定性；介質在光學上是均勻的，且有足夠大的尺寸。對功率大的調q器件，還要考慮采用激光損傷閾值高的材料。2、器件的設計v 聲光器件設計的關鍵是合理地確定超聲柱的尺寸v 換能器與聲光介質的粘結工藝也是十分重要的問題超聲場尺寸聲光器件結構形式聲光器件的工作方式3、器件的結構形式聲光調q器件典型結構2112221sin ( )(1 cos )222112iss

10、ivvivlvm phhplm 4、驅動聲功率的確定2.5.4 聲光腔倒空激光器 聲光腔倒空激光器原理 優(yōu)點 要求聲光腔倒空激光器 2.6.1 可飽和吸收染料的調q原理 v 可飽和吸收體的吸收特性v 可飽和吸收染料的調q原理2.6.2 飽和吸收的速率方程染料透過率與激光功率密度的關系01/saai i2.6.3 染料調q激光器及其輸出特性v染料q開關激光器形式 兩種，染料盒和全反射鏡合為一體，利用染料盒的后壁做全反鏡。在鎖模中用。 染料盒單獨放在腔內，這種機構注意避免染料盒的表面和反射鏡之間形成寄生振蕩。一般染料盒傾斜一個小角度1 2，也可以傾斜布儒斯特角。染料調q激光器1、對染料選擇的要求

11、染料的吸收峰應與激光波長基本吻合 染料要有適當?shù)娘柡凸鈴娭?染料溶液要有一定的穩(wěn)定性幾種染料的吸收譜線2、影響染料調q輸出特性的因素 v 染料濃度的影響v 輸入能量v 染料盒的影響v 輸出鏡反射率的影響染料調q輸出特性曲線液層厚度對輸出特性的影響染料盒的結構染料q開關的特點： 優(yōu)點：優(yōu)點：1.簡單方便。這種q開關只要配好溶液放在染料盒內，或做成染料片成品。放諧振腔中即可。而電光調q中還需要一套電路系統(tǒng)控制q開關。 2.速度快。染料q開關屬于快開關。一般10-9ns量級。3.自動實現(xiàn)開關和增益的調諧。4.具有選模的作用。在中心頻率附近的模式，增益高，先振蕩，消耗；而增益低的模式被抑止（在漂白前）

12、。漂白后，其他模能夠振蕩。 缺點：缺點：1.同步精度差。不需要同步裝置簡單，但要得到很好的調q效果需要經(jīng)過反復實驗。而實際要求和q開關激光器同步，染料q開關不能使用。 2.穩(wěn)定性差。染料的溶液不穩(wěn)定，影響輸出的功率不穩(wěn)定。 3.輸出功率不能很大。因為染料調q激光器實際上在閾值附近工作。因此染料q開關激光器適用于同步精度要求不高，穩(wěn)定性要求不高的實際應用。2.6.4 lif可飽和吸收晶體q開關 工作原理：lif晶體是無色透明晶體，不能做q開關晶體用，但當它經(jīng)過射線輻射后就可以產(chǎn)生色心，開始變?yōu)樽丶t色。隨著輻射劑量的大小不同，其著色的深淺也不同，產(chǎn)生不同的色心f，f2， ， 心等。由于色心不同，吸收譜產(chǎn)生了明顯的變化。2f2ff2-心的吸收譜線在1.06微米激光作用下f2-心的透過率2.6.5 二極管泵浦被動調q激光器2）nd:yvo4/cr:yag結構被動調q紅外激光器1）nd:yvo4/cr:yag/ktp結構被動調q綠光激光器調q脈沖激光的遠場光斑照片穩(wěn)定綠光脈沖波形圖3）nd:yvo4/cr:yag/lbo結構被動調q綠光激光器2.7 轉鏡調q 轉鏡調q的工作原