長(zhǎng)春理工大學(xué)激光器件與技術(shù)第二章講

第2章

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調(diào)Q（Q開(kāi)關(guān)）技術(shù)§2.4聲光調(diào)Q一.聲光調(diào)Q原理利用晶體的聲光效應(yīng)可做成聲光Q開(kāi)關(guān)器件。具有調(diào)制電壓低、脈沖重復(fù)性能好、脈寬窄等優(yōu)點(diǎn)，也是目前應(yīng)用比較廣泛的一種調(diào)Q技術(shù)。聲光效應(yīng)：聲波是一種彈性波，當(dāng)聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，激起介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)沿聲波的傳播方向振動(dòng)，從而引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替變化，介質(zhì)的折射率也隨之發(fā)生周期性變化?！?.4聲光調(diào)Q器件：聲光調(diào)Q和聲光調(diào)制器相同點(diǎn)：聲光調(diào)Q和聲光調(diào)制器都是利用晶體的聲光效應(yīng)，以聲光相互作用原理為基礎(chǔ)。聲光介質(zhì)在超聲波的作用下，折射率發(fā)生周期性的變化，使介質(zhì)變成正弦相位光柵，當(dāng)光通過(guò)這樣的介質(zhì)時(shí)，發(fā)生衍射。不同點(diǎn)：聲光調(diào)制器采用兩種衍射方式，拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射。聲光Q開(kāi)關(guān)考慮效率問(wèn)題只采用布拉格衍射。拉曼-奈斯衍射產(chǎn)生多級(jí)衍射光，各級(jí)光的衍射效率比較低，不易實(shí)現(xiàn)調(diào)Q。（目前也有這種衍射的Q開(kāi)關(guān)，但不常見(jiàn)）。

§2.4聲光調(diào)Q二.聲光Q開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)聲光介質(zhì)熔融石英、玻璃、鉬酸鉛等電聲換能器石英、鈮酸鋰等吸聲材料鉛橡膠、玻璃棉等驅(qū)動(dòng)電源§2.4聲光調(diào)Q聲光Q開(kāi)關(guān)廠家：國(guó)外：GOOCH&HOUSEGO（NEOS）古奇公司代理商：廣州安特激光技術(shù)有限公司武漢新特光電技術(shù)有限公司國(guó)內(nèi)：重慶26所?！?.4聲光調(diào)Q調(diào)Q過(guò)程：把聲光Q開(kāi)關(guān)插入諧振腔內(nèi)，當(dāng)聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)加在聲光調(diào)Q器件的換能器上時(shí)，形成的超聲波振動(dòng)在聲光介質(zhì)中使折射率發(fā)生變化，形成等效的“相位光柵”，當(dāng)光波通過(guò)聲光介質(zhì)時(shí)，便產(chǎn)生布拉格衍射。衍射光相對(duì)入射光有2θB角的偏離。這一角度完全可以使光波偏離出腔外，使諧振腔處于高損耗低Q值狀態(tài)，Q開(kāi)關(guān)“關(guān)斷”；當(dāng)射頻信號(hào)停止，聲光介質(zhì)中的超聲場(chǎng)消失，諧振腔又變?yōu)楦逹值狀態(tài)，相當(dāng)于Q開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”。射頻信號(hào)交替變化一次，Q值也交替變化一次，使得激光器輸出一個(gè)調(diào)Q脈沖?！?.4聲光調(diào)Q連續(xù)泵浦下激光器的聲光調(diào)Q：泵浦速率保持不變，諧振腔的Q值（即諧振腔的損耗）以頻率f由高Q態(tài)到低Q態(tài)做周期性變化，故激光工作物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)也做相應(yīng)的變化，最后輸出重復(fù)頻率為f的激光脈沖。圖-連續(xù)泵浦高重復(fù)頻率調(diào)Q過(guò)程§2.4聲光調(diào)Q三個(gè)f相同：脈沖調(diào)制器產(chǎn)生的方波頻率高頻振蕩信號(hào)的頻率，即超聲場(chǎng)出現(xiàn)的頻率激光器輸出脈沖重復(fù)頻率。最佳重復(fù)頻率的選?。?）重頻較高時(shí)，脈沖之間沒(méi)有足夠的時(shí)間使激光上能級(jí)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大，造成激光的輸出功率的降低和脈沖寬度的變寬2）重頻較低時(shí)，由于自發(fā)輻射躍遷，部分反轉(zhuǎn)粒子數(shù)損耗掉，影響器件的效率。為了能使激光工作物質(zhì)積累足夠多的粒子數(shù)，并避免自發(fā)輻射損耗，相鄰兩個(gè)脈沖的間隔1/f要大致與激光介質(zhì)上能級(jí)壽命相當(dāng)。例如對(duì)于Nd:YAG來(lái)講，上能級(jí)壽命約230μs，則最佳重頻在4~5kHz間。§2.4聲光調(diào)Q利用聲光器件作為開(kāi)關(guān)元件，實(shí)現(xiàn)“腔倒空”是一種腔內(nèi)儲(chǔ)能(光子)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。當(dāng)聲光器件上未加電壓時(shí)，諧振腔處于高Q值狀態(tài)，在腔內(nèi)可建立起極強(qiáng)的激光振蕩，但無(wú)輸出；腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到最大值后，突然在聲光器件上加電壓形成超聲場(chǎng)，使激光束幾乎全部發(fā)生偏轉(zhuǎn)，腔內(nèi)存儲(chǔ)的光子能量幾乎全部從平面反射鏡M4處輸出。優(yōu)點(diǎn)：脈寬極窄，2L/c，重復(fù)頻率可達(dá)到MHz以上。聲光腔倒空激光器§2.4聲光調(diào)Q實(shí)現(xiàn)聲光腔倒空的器件要求：為了盡可能實(shí)現(xiàn)腔倒空，所用聲光器件必須只有1級(jí)衍射光，而且衍射效率應(yīng)盡量接近100%，因而必須用嚴(yán)格的布拉格衍射器件；腔倒空方式要求開(kāi)關(guān)速度要快得多，其上升時(shí)間大約為5ns，光束必須聚焦到一個(gè)直徑為50μm的區(qū)域上；為了提高布拉格衍射效率，腔倒空器件的調(diào)整頻率要高得多，因此，可以直接把超聲頻率作為調(diào)制頻率，這樣，輸出光脈沖的重復(fù)頻率可以高達(dá)MHz量級(jí)以上?！?.4聲光調(diào)Q三.聲光調(diào)Q器件的設(shè)計(jì)1).材料的選擇電-聲換能器---機(jī)電耦合系數(shù)大的材料。例如石英和LiNbO3晶片。LN的機(jī)電系數(shù)比石英大25倍，但目前大面積的LN加工難度大。聲光介質(zhì)---介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)大；對(duì)光的吸收??；對(duì)超聲波的吸收??；具有良好的熱穩(wěn)定性；有足夠大的尺寸；光損傷閾值高。目前常用熔融石英?！?.4聲光調(diào)Q2).尺寸的選擇由于布拉格衍射效率要高于拉曼-納斯衍射效率，因此，目前的聲光Q開(kāi)關(guān)多是基于布拉格衍射效率制作。為了獲得高的布拉格衍射效率，根據(jù)衍射效率公式：

在一定的聲功率Ps下，L/H越大，衍射效率越高。所以L應(yīng)盡可能取大一些，聲柱寬度H則應(yīng)該盡量小。一般取與激光束的直徑相當(dāng)或稍大一點(diǎn)。與換能器相對(duì)的面最好磨成復(fù)合角，這樣可大大降低超聲波的反射回波影響。(1)(2)要獲得100%的衍射效率，則v=π，由于：

可求得聲功率Ps：

§2.4聲光調(diào)Q驅(qū)動(dòng)聲功率可根據(jù)布拉格衍射公式求出：

可見(jiàn)，要使用較小的聲功率，除選用品質(zhì)因子高的聲光介質(zhì)外，合理設(shè)計(jì)聲光介質(zhì)的尺寸也是必須的。

(3)(4)(5)3).驅(qū)動(dòng)聲功率的確定§2.4聲光調(diào)Q四.聲光Q開(kāi)關(guān)的選用當(dāng)選擇一個(gè)聲光Q開(kāi)關(guān)時(shí)，要嚴(yán)格注意Q開(kāi)關(guān)的每一個(gè)參數(shù)，合理地選擇一個(gè)Q開(kāi)關(guān)就能夠確保Q開(kāi)關(guān)被正確地應(yīng)用于特定的激光器中，并保持最佳性能。參數(shù)：超聲頻率通光孔徑超聲波模式§2.4聲光調(diào)Q超聲頻率：24MHz和27MHz一般都是適用于激光功率30W到100W的YAG(1064nm)激光器中的聲光Q開(kāi)關(guān)的頻率。當(dāng)然也有適用于在更短諧振腔YAG激光器中使用的更高射頻頻率，例如41MHz和68MHz，這是因?yàn)楦叩纳漕l頻率具有更大的聲光偏轉(zhuǎn)角，進(jìn)而具有更強(qiáng)的關(guān)斷能力。(6)§2.4聲光調(diào)Q通光孔徑：這個(gè)參數(shù)反應(yīng)出導(dǎo)致Q開(kāi)關(guān)運(yùn)行的超聲束的有效垂直高度（以毫米為單位）。通常是1mm、1.6mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6.5mm和8mm，只有通過(guò)這個(gè)范圍的激光束部分才能被調(diào)制。選擇通光口徑應(yīng)特別注意：1)在最小射頻功率達(dá)到最大調(diào)制損耗的情況定義為最佳調(diào)制效率。為達(dá)到最佳調(diào)制效率，盡量選取通光口徑與光束直徑相接近。沒(méi)有激光束通過(guò)部分的超聲能量被浪費(fèi)，因而器件的效率將降低。2)如果激光束大于通光口徑，則大于部分的激光束不能被調(diào)制，即會(huì)出現(xiàn)漏光。3)為了調(diào)整方便，通光口徑應(yīng)該比激光束稍微大一點(diǎn)，這種情況在實(shí)際應(yīng)用中很普遍。例如，如果你的激光束直徑是1.7mm，則通光口徑2mm的Q開(kāi)關(guān)是適合的（2mm的通光口徑即比激光束直徑略大一點(diǎn)）?！?.4聲光調(diào)Q§2.4聲光調(diào)Q超聲模式：

在聲光器件中主要有三種不同的聲波結(jié)構(gòu)：1)剪應(yīng)變波（Shear，稱S模式或剪應(yīng)模式）：它在所有方向上都有一樣的調(diào)制，因此它主要用在非偏振光激光器中。2)壓縮波（Compressional，稱C模式或壓縮模式）：當(dāng)激光束是垂直于Q開(kāi)關(guān)底部的線偏振光時(shí)，壓縮波呈現(xiàn)比剪應(yīng)變波更高的效率，因此它主要用于偏振光激光器中，所需的射頻功率也比剪應(yīng)變波來(lái)的小。3)正交壓縮波（two-orthognal

compressional，稱D模式或正交模式）：在高功率非偏振光激光器中，這種結(jié)構(gòu)有更高的調(diào)制能力。說(shuō)明：a：盡管壓縮波不是在所有方向上有相同的調(diào)制能力，但也有很多用戶將壓縮波Q開(kāi)關(guān)用于非偏振光激光器中，并取得了很好的效果。因此它與具體的激光器結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，用戶在不能確定使用哪種超聲波模式的時(shí)候可以試用來(lái)確定效果b：石英晶體僅僅應(yīng)用于壓縮波（即C型）的Q開(kāi)關(guān)中，它不應(yīng)用于S和D型Q開(kāi)關(guān)中，它的最佳光學(xué)偏振垂直于超聲傳播方向，它在非偏振系統(tǒng)中也有一些其它用途?！?.4聲光調(diào)Q四、聲光調(diào)Q動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)及輸出特性§2.4聲光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析§2.4聲光調(diào)Q開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的步驟：前期文獻(xiàn)調(diào)研→理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)→明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹闷骷?shù)的計(jì)算、調(diào)研和購(gòu)買(mǎi)→準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)→開(kāi)展實(shí)驗(yàn)→數(shù)據(jù)記錄→數(shù)據(jù)處理→實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析→實(shí)驗(yàn)改進(jìn)→達(dá)到預(yù)期效果→撰寫(xiě)文章§2.4聲光調(diào)Q電光調(diào)Q同步性能好，使用壽命長(zhǎng)輸出脈沖穩(wěn)定可獲得幾十兆瓦以上的峰值功率和常見(jiàn)幾納秒脈寬的脈沖功耗大，半波電壓較高，需要幾千伏的高壓脈沖對(duì)其它電子線路易造成干擾調(diào)制脈沖重復(fù)率一般偏低體積較大聲光調(diào)Q調(diào)制電壓低（100伏左右）脈沖重復(fù)性能好可獲得峰值幾百千瓦，脈寬幾納秒～幾十納秒脈沖輸出對(duì)高增益激光器的開(kāi)關(guān)能力較差聲光調(diào)Q小結(jié)當(dāng)頻率fs=40MHz的超聲波在熔融石英聲光介質(zhì)(n=1.54)中建立起超聲場(chǎng)(vs=5.96*105cm/s)時(shí)，試計(jì)算波長(zhǎng)為1.06μm的入射光滿足布拉格條件的入射角θ。一個(gè)聲光調(diào)Q器件(L=50mm,H=5mm)是用熔融石英材料做成的，用于連續(xù)YAG激光器調(diào)Q。已知聲光器件的電聲轉(zhuǎn)換效率為40%，求(1)聲光器件的驅(qū)動(dòng)功率Ps應(yīng)為多大？(2)聲光器件要工作于布拉格衍射區(qū)，其聲場(chǎng)頻率應(yīng)為多少？設(shè)計(jì)聲光Q開(kāi)關(guān)需要考慮哪些因素？§2.5被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q一、可飽和吸收體調(diào)Q的基本原理可飽和吸收染料：某些有機(jī)染料是一種非線性吸收介質(zhì)，即其吸收系數(shù)并不是常數(shù)，在較強(qiáng)激光的作用下，其吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減小直至飽和，對(duì)光呈現(xiàn)幾乎透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料。吸收系數(shù)可表示為：0:光強(qiáng)很小時(shí)的吸收系數(shù)Is:染料的吸收飽和光強(qiáng)參數(shù)(與染料種類(lèi)及濃度有關(guān))光強(qiáng)很小時(shí)，吸收系數(shù)很大，I=0時(shí),=0光強(qiáng)很大時(shí)，吸收系數(shù)很小，I>>Is時(shí),=0(1)§2.5被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q

利用一種可飽和吸收體做為Q開(kāi)關(guān)，這種可飽和吸收體是一種非線性吸收物質(zhì)，把它放在諧振腔內(nèi)，利用它對(duì)光的可飽和吸收特性來(lái)改變諧振腔內(nèi)的吸收損耗，起到Q開(kāi)關(guān)的作用。激光介質(zhì)染料盒

激光全反鏡輸出鏡氙燈實(shí)驗(yàn)裝置示意圖§2.5被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q開(kāi)始泵浦腔內(nèi)熒光弱吸收系數(shù)大Q值低不能形成激光；繼續(xù)泵浦腔內(nèi)熒光變強(qiáng)吸收系數(shù)變小熒光達(dá)到一定值時(shí)，吸收系數(shù)飽和染料被漂白Q值突增，形成調(diào)Q激光脈沖；腔內(nèi)光場(chǎng)迅速減弱吸收系數(shù)變大Q值低不能形成激光。。。調(diào)Q工作過(guò)程：§2.5被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q二、染料調(diào)Q激光器1.染料Q開(kāi)關(guān)激光器的形式：染料盒和全反射鏡合為一體，利用染料盒的后壁做全反鏡。在鎖模激光器中常用。染料盒單獨(dú)放在腔內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)中應(yīng)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(gè)小角度，也可以傾斜布儒斯特角放置。

§2.5被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q三、影響調(diào)Q效果的因素主要討論吸收體、吸收體濃度、輸入能量、輸出鏡反射率等對(duì)調(diào)Q效果的影響。1.染料吸收體吸收體是染料Q開(kāi)關(guān)的核心，它對(duì)調(diào)Q的效果影響最大。因此合理的選擇染料很重要，并不是什么樣的染料都可以做調(diào)Q開(kāi)關(guān)，而且不同的工作物質(zhì)所需要的染料不同。染料需滿足下面條件：（1）吸收體的吸收峰和激光器的中心波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)。（2）染料配成溶液要具有一定的穩(wěn)定性。（3）選擇的染料必須有高的開(kāi)關(guān)效率。（4）吸收飽和光強(qiáng)參數(shù)須小于介質(zhì)的增益飽和光強(qiáng)參數(shù)，Is<Is。（5）吸收飽和光強(qiáng)參數(shù)Is的大小要適當(dāng)?！?.5被動(dòng)式可飽和吸收調(diào)Q2.染料濃度的影響（1）染料濃度大染料從基態(tài)的粒子激發(fā)到高能態(tài)達(dá)到飽和時(shí)吸收的光強(qiáng)多——飽和光強(qiáng)Is大，因此染料從初態(tài)到飽和需要的時(shí)間長(zhǎng)——延遲時(shí)間長(zhǎng)。如果密度太大，飽和光強(qiáng)過(guò)大，腔內(nèi)的光強(qiáng)不能使染料達(dá)到飽和，這時(shí)染料起不到Q開(kāi)關(guān)的作用。（2）染料的濃度小染料濃度小，Is小，延遲時(shí)間短——積累的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)少，輸出功率小。同時(shí)，由于Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)的時(shí)間早，容易出現(xiàn)多脈沖。所以如果染料濃度過(guò)小就會(huì)出現(xiàn)尖峰振蕩。

結(jié)論：在一定的輸入能量下，存在一個(gè)最佳濃度，延遲時(shí)間正好使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)到最大值。此時(shí)激光器輸出為單脈沖，峰值功率最