激光加工論文

1、激光加工論文 調(diào)Q光纖激光器 學(xué)院：電子工程學(xué)院 班級(jí)：電科1302 姓名：陳文文 學(xué)號(hào)：09950130203激光調(diào)Q技術(shù)：一般固體脈沖激光器輸出的光脈沖不是單一的光滑脈沖，而是一群由寬度在微秒量級(jí)的強(qiáng)度不等的小尖峰脈沖組成的序列。這種光脈沖序列持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾百微秒甚至幾毫秒，其峰值功率也只有幾十千瓦的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了諸如激光雷達(dá)、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、高速攝影，以及激光核聚變等許多重要實(shí)際應(yīng)用的要求。為此，在激光被發(fā)現(xiàn)不久后的1961年，就有人提出了調(diào)Q的概念，并于1962年制成了第一臺(tái)調(diào)Q激光器。它的出現(xiàn)，使激光脈沖輸出性能得到了幾個(gè)數(shù)量級(jí)的改善，脈沖寬度壓縮到納秒級(jí)，峰值功率高達(dá)千兆瓦

2、。這對(duì)于激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光加工和動(dòng)態(tài)全息照相等應(yīng)用的發(fā)展起到了決定性作用。同時(shí)，還對(duì)因強(qiáng)光所引起的光學(xué)現(xiàn)象的研究開辟了一系列新的學(xué)科方向。調(diào)Q原理：調(diào)Q原理指的是，采用某種辦法使諧振腔在泵浦開始時(shí)處于高損耗低Q值狀態(tài)，這時(shí)激光振蕩的閾值很高，粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)即使積累到很高水平也不會(huì)產(chǎn)生振蕩；當(dāng)粒子密度反轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到其峰值時(shí)，突然使腔的Q值增大，將導(dǎo)致激光介質(zhì)的增益大大超過閾值，極其快速地產(chǎn)生振蕩。這時(shí)儲(chǔ)存在亞穩(wěn)態(tài)上的粒子所具有的能量會(huì)很快轉(zhuǎn)換為光子的能量，光子像雪崩一樣以極高的速率增長(zhǎng)，激光器便可輸出一個(gè)峰值功率高、寬度窄的激光巨脈沖。用調(diào)節(jié)諧振腔的Q值以獲得激光巨脈沖的技術(shù)稱為激光調(diào)Q技術(shù)。

3、調(diào)Q技術(shù)的目的：調(diào)Q技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個(gè)重要突破，它是將激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可以提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的一種技術(shù)。它的主要目的是，壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。普通的脈沖激光器，光脈沖的寬度約在ms級(jí)，峰值功率也只有幾十KW。調(diào)Q激光器，光脈沖的寬度可以壓到ns級(jí)，峰值功率已達(dá)到MW。幾種調(diào)Q技術(shù)：因?yàn)橹C振腔的損耗包括反射損耗、吸收損耗、衍射損耗、散射損耗和透射損耗，因而不同方法控制不同類型的損耗，就形成了不同的調(diào)Q技術(shù)。（1）電光調(diào)Q：電光調(diào)Q是利用晶體的電光效應(yīng)作為Q開關(guān)的元件。電光調(diào)Q裝置如圖4-27所示，在激光諧振腔中插入起偏振片及作為Q開關(guān)

4、的KD*P晶體。當(dāng)晶體在z軸方向加電壓后，由于感應(yīng)雙折射，沿x方向振動(dòng)的偏振光進(jìn)入晶體后將分解為沿x方向和沿y方向振動(dòng)的二線偏振光。適當(dāng)調(diào)整電壓的大小，可以使通過晶體后的兩者相位差為/2（相應(yīng)的電壓大小即為V/2），因而合成光為圓偏振光。再經(jīng)反射鏡反射，讓該圓偏振光再次通過晶體，則相位差再次增加/2，此時(shí)，出射光又成為一線偏振光，不過它的振動(dòng)方向?yàn)閥方向，恰與原入射偏振光的方向（x方向）垂直。也就是說在晶體上加半波電壓后，往返通過晶體的線偏振光，其振動(dòng)方向相對(duì)改變90°。對(duì)于未加電壓的晶體來說，往返通過晶體的線偏振光振動(dòng)方向不變。（2）聲光調(diào)Q：聲光調(diào)Q技術(shù)利用這樣一種原理：在激光諧

5、振腔內(nèi)放置聲光偏轉(zhuǎn)器，當(dāng)光通過介質(zhì)中的超聲場(chǎng)時(shí)，由于衍射造成光的偏折，就會(huì)增加損耗而改變腔的Q值。這種方法具有重復(fù)頻率高和輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前，多用于獲得中等功率的高重復(fù)頻率的脈沖激光器中。（3）染料調(diào)Q：不論是轉(zhuǎn)鏡、電光或聲光調(diào)Q技術(shù)，Q開關(guān)開啟的延遲時(shí)間都是可控的，因此，習(xí)慣上統(tǒng)稱這一類技術(shù)為主動(dòng)調(diào)Q。還有另一種調(diào)Q技術(shù)，即染料調(diào)Q技術(shù)，它是利用某種材料（通常是用有機(jī)染料）對(duì)光的吸收系數(shù)會(huì)隨光強(qiáng)變化的特性來達(dá)到調(diào)Q的目的。由于這種方式中Q開關(guān)的延遲時(shí)間是由材料本身特性決定的，不直接受人控制，所以又稱之為被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)。調(diào)Q光纖激光器的技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)：(1)在技術(shù)上通常采用了MOPA與調(diào)Q方式相

6、結(jié)合獲得高能量脈沖輸出，研究工作波長(zhǎng)大多集中在摻餌、鏡等稀土雜質(zhì)的有源光纖的1-1.1 m和1.55 u m波長(zhǎng)窗口。 (2)為獲得高能量的光脈沖輸出，多采用雙包層、大模場(chǎng)(LMA)、高摻雜、多摻雜有源光纖，并結(jié)合多模、多路包層泵浦以及多波長(zhǎng)包層泵浦技術(shù);新型的LMA光子晶體光纖的研究也有報(bào)導(dǎo)，但僅僅是開始。 (3)在光束質(zhì)量控制方面采取了模式和偏振態(tài)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)激光器的單橫模，乃至單偏振光脈沖輸出，保證光纖激光器的輸出光束質(zhì)量。 (4)采用Mach-Zehnder或者M(jìn)achelson原理對(duì)多路脈沖激光進(jìn)行相干合成。(5)探索新的全光纖結(jié)構(gòu)，以減少塊狀器件的插入對(duì)系統(tǒng)帶來的損耗，從而提高輸

7、出功率。調(diào)Q光纖激光器的主要應(yīng)用：（1） 二次諧波的產(chǎn)生：利用可調(diào)諧的高能量調(diào)Q光纖激光器產(chǎn)生的輸出脈沖打在非線性晶體上可以產(chǎn)生二次諧波(倍頻光)或者三次諧波(三倍頻光)。由于光纖激光器可調(diào)諧，因此可以容易地調(diào)諧波長(zhǎng)獲得相位匹配條件，從而不需要額外的溫控裝置來保持相位匹配條件;同時(shí)，提高激光器輸出激光脈沖的功率可以顯著提高轉(zhuǎn)換效率，因此獲得的倍頻光脈沖寬度比基頻光脈沖窄。運(yùn)用這種技術(shù)，可以產(chǎn)生可見光譜甚至紫外光譜區(qū)的激光脈沖，從而拓展激光的運(yùn)用領(lǐng)域。采用40nm調(diào)諧范圍的調(diào)Q摻Y(jié)b3+光纖激光器與高非線性KTP晶體結(jié)合產(chǎn)生二次諧波30。調(diào)Q光纖激光器增益介質(zhì)采用七芯摻Y(jié)b3+光纖，輸出脈沖重復(fù)

8、頻率5kHz、脈沖能量0.26-0.35mJ，實(shí)驗(yàn)的基頻波長(zhǎng)為1083nm，產(chǎn)生的二次諧波脈沖能量為17uJ，轉(zhuǎn)換效率為7%。如果以按一定周期重疊的LiNi03晶體或KTP晶體代替單個(gè)KTP晶體，可以極大提高轉(zhuǎn)換效率，甚至可以達(dá)到50%以上。圖1-1為該實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖。（2） 光時(shí)域反射計(jì)：OTDR測(cè)試是通過發(fā)射光脈沖到光纖內(nèi)，測(cè)量在OTDR端口接收到的返回的背向瑞利散射信號(hào)來獲得光纖內(nèi)不同位置上的時(shí)間或曲線片斷從而定位連接點(diǎn)，光纖終端或斷點(diǎn)，這種背向瑞利散射信號(hào)表征由光纖而導(dǎo)致的衰減程度。如果波長(zhǎng)已知，返回的瑞利散射信號(hào)就與輸入探測(cè)信號(hào)的脈沖寬度成比例:脈沖寬度越長(zhǎng)，背向散射功率就越強(qiáng);瑞利散射

9、的功率還與發(fā)射信號(hào)的脈沖能量有關(guān)，能量越高則背向散射功率越強(qiáng)，因此，OTDR的動(dòng)態(tài)范圍正比于探測(cè)脈沖的能量。為了提高OTDR的動(dòng)態(tài)范圍，需要提高探測(cè)脈沖的峰值功率和脈寬。但是脈沖峰值功率過高不可避免會(huì)在探測(cè)光纖中產(chǎn)生非線性效應(yīng)，因此峰值功率1W，脈寬1 us的激光脈沖適于實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍的OTDR。脈寬超過100ns時(shí)，由于EDFA中反轉(zhuǎn)粒子的快速耗盡，直接通過EDFA放大很難得到能量高的脈沖激光31 ，因此對(duì)高功率調(diào)Q光纖激光器輸出激光進(jìn)行脈沖展寬和功率衰減后得到的激光脈沖可以滿足高動(dòng)態(tài)范圍OTDR的要求。Shoji Adachi和Yahei Koyamada運(yùn)用該方法獲得了動(dòng)態(tài)范圍為37dB

10、的OTDR，實(shí)驗(yàn)中的探測(cè)脈沖的峰值功率1.0W、脈寬780ns，是由調(diào)Q摻Er3+環(huán)形光纖激光器輸出的峰值功率20W、脈寬180ns的脈沖激光經(jīng)過兩次展寬和功率衰減得到32。圖1-2為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。（3） 激光測(cè)距儀：激光測(cè)距是利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)量和檢測(cè)，如測(cè)量長(zhǎng)度、距離、速度、角度等?，F(xiàn)在廣泛使用的手持式和便攜式測(cè)距儀為脈沖式激光測(cè)距，其原理作用與雷達(dá)測(cè)距相似，測(cè)距儀向目標(biāo)發(fā)射激光脈沖信號(hào)，碰到目標(biāo)就要被反射回來，由于光的傳播速度是已知的，所以只要記錄下光信號(hào)的往返時(shí)間，用光速乘以往返時(shí)間的二分之一，就是所要測(cè)量的距離。圖1-3為激光測(cè)距儀的結(jié)構(gòu)示意

11、圖。（4） 激光雷達(dá)：激光雷達(dá)的工作原理與普通雷達(dá)相似，即由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，與目標(biāo)作用產(chǎn)生的返回信號(hào)被接受系統(tǒng)收集并處理，以獲得所需要的信息。不同的是，激光雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)為激光，與普通無線電雷達(dá)發(fā)送的無線電波乃至毫米波雷達(dá)發(fā)送的毫米波相比，波長(zhǎng)要短得多。激光是單色的相干光，這使得激光雷達(dá)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):具有極高的角分辨、距離分辨、速度分辨能力;抗干擾能力強(qiáng);可獲得目標(biāo)的多種圖像;可用于水下探測(cè)和水下通訊等33。當(dāng)今的激光雷達(dá)需要具備高效率、高可靠性、小體積、功率損耗小、對(duì)人眼安全等特點(diǎn)才能有更加廣泛的應(yīng)用，因此使用高功率光纖激光器作為直接探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)光源或者是相干探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)光源

12、和參考光源對(duì)提高激光雷達(dá)的性能具有重要意義。圖1-4為相干探測(cè)激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖。利用激光雷達(dá)的測(cè)距系統(tǒng)適宜采用以脈沖激光作為探測(cè)光源的直接探測(cè)系統(tǒng)，毫焦量級(jí)脈沖能量的激光可以對(duì)幾十公里范圍內(nèi)目標(biāo)測(cè)距。并且脈寬越小精度越高。當(dāng)前該系統(tǒng)所用探測(cè)激光為20-50ns脈寬、重復(fù)頻率5-30Hz、平均功率很低的脈沖激光，將來的發(fā)展方向是降低脈寬至5ns以下。利用激光雷達(dá)的風(fēng)傳感器適宜采用脈沖激光作為參考光源的相干探測(cè)系統(tǒng)，這種傳感器可以監(jiān)測(cè)大氣渦流和湍流、風(fēng)的剪切力等氣象信息，所用激光脈沖重復(fù)頻率小于1 kHz、脈寬100ns量級(jí)，脈沖能量越大能收到返回信號(hào)的范圍越大。脈沖激光光源還被用于差分吸收激光雷達(dá)系統(tǒng)中，但是要精確控制光頻以保證精度。（5） 激光加工：由于1 um左右波長(zhǎng)的激光光能很容易被金屬、塑料及陶瓷材料吸收，因此將波長(zhǎng)1 um左右的高功率短脈沖激光束聚焦到介質(zhì)上，利用激光束與物質(zhì)相互作用的過程來改變物質(zhì)的性質(zhì)，可以對(duì)材料進(jìn)行激光加工。激光加工具有加工對(duì)象廣、變形小、精度高、節(jié)省能源、公害小、遠(yuǎn)距離加工、自動(dòng)化加工等顯著優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率、實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化、消除污染、減少材料消耗等的作用愈來愈重要。與傳統(tǒng)的CO2和YAG激光相比，光纖激光器輸出的激光模式非常好，聚焦后的光斑非常理想，具有直徑小、圓度高、能量穩(wěn)定和輪廓