調(diào)Q脈沖的脈寬和峰值功率課件

第三節(jié)Q調(diào)制7.3.1Q調(diào)制引言一、調(diào)Q目的壓窄光脈沖寬度,使有限的激光能量在極短的時(shí)間內(nèi)輸出以提高脈沖峰值功率。

應(yīng)用:激光測距、激光雷達(dá)、非線性光學(xué)、激光加工等。二、一般固體激光器的輸出時(shí)間特性由于馳豫振蕩，輸出由一系列寬度為微秒量級的“小尖峰序列”構(gòu)成的幾百微秒或幾毫秒寬的無規(guī)脈沖。峰值功率：幾十KW。三、調(diào)Q基本術(shù)語調(diào)Q

：調(diào)腔內(nèi)損耗Q開關(guān)：執(zhí)行調(diào)Q功能的器件巨脈沖：調(diào)Q產(chǎn)生的激光脈沖四、調(diào)Q基本原理1、原理：通過某方法使腔內(nèi)損耗按規(guī)定程序變化。2、具體過程泵浦開始時(shí)：調(diào)節(jié)腔使其高損耗，(低Q)，閾值Dnt

高，Q開關(guān)關(guān)閉，不出激光。上能級粒子數(shù)積累。在適當(dāng)時(shí)刻：即上能級粒子數(shù)積累到一較高水平時(shí)，突然調(diào)節(jié)腔使其低損耗，

(高Q)，Dnt

低，Q開關(guān)打開，受激輻射迅速增長，上能級粒子在短時(shí)間內(nèi)釋放儲(chǔ)存的能量而形成巨脈沖。3、調(diào)Q脈沖的脈寬和峰值功率(1)脈寬：幾ns

~幾十ns。(2)峰值功率：高于MW。4、調(diào)Q脈沖的形成過程(1)t<0(開關(guān)關(guān)閉)：高損耗，腔內(nèi)光子平均壽命為，閾值：，泵浦使↑。(2)t=0(開關(guān)打開)：,無激光，只有少數(shù)自發(fā)輻射光子Ni。然后突然降低損耗到，光子壽命為，閾值降為，，使?jié)M足，則光子數(shù)N↑，則↓。(3)t=tP

：,光子數(shù)N=Nm(最大)。(4)t>tP

：,光子數(shù)N由Nm開始下降直到N=Ni，時(shí)，巨脈沖熄滅。五、調(diào)Q的分類1、分類一：按照所控制的損耗種類。(1)控制反射損耗的：轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)Q等。(2)控制吸收損耗的：可飽和吸收調(diào)Q。(3)控制衍射損耗的：聲光調(diào)Q。(4)控制輸出損耗的：透射式調(diào)Q等。2、分類二(1)主動(dòng)調(diào)Q：由外部驅(qū)動(dòng)源控制諧振腔損耗。(2)被動(dòng)調(diào)Q：由激光本身光強(qiáng)來控制諧振腔損耗的，如：可飽和吸收調(diào)Q。7.3.2Q調(diào)制方法機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q電光調(diào)Q聲光調(diào)Q可飽和吸收調(diào)Q(被動(dòng)調(diào)Q)一、機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q工作物質(zhì)部分反射鏡泵浦燈電源全反射鏡電機(jī)觸發(fā)電路延遲裝置yxz1、裝置可為全反介質(zhì)膜片，也可為直角棱鏡轉(zhuǎn)鏡可繞z軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)。2、調(diào)Q原理控制反射損耗。泵浦等點(diǎn)燃后，如果轉(zhuǎn)鏡與腔軸不垂直，則損耗大，處于低Q狀態(tài)，Q開關(guān)關(guān)閉，激光上能級粒子數(shù)不斷積累，積累到飽和時(shí)，若轉(zhuǎn)鏡表面剛好轉(zhuǎn)到與腔軸垂直位置，則腔損耗最小，處于高Q狀態(tài)，Q開關(guān)打開，則巨脈沖形成。3、注意事項(xiàng)(1)準(zhǔn)確控制延遲時(shí)間以獲得穩(wěn)定的最大功率輸出。原因：泵浦等點(diǎn)燃后，需要經(jīng)過一延遲時(shí)間以保證上能級粒子數(shù)有一個(gè)積累過程，最佳延遲時(shí)間剛好使上能級粒子數(shù)達(dá)到飽和值時(shí)，延遲時(shí)間過短或過長都無法達(dá)到最大功率輸出。實(shí)現(xiàn)：要設(shè)計(jì)同步和延遲裝置。說明：最佳延遲時(shí)間與上能級的粒子壽命、泵燈的放電波形及腔的結(jié)構(gòu)均有關(guān)。(2)控制轉(zhuǎn)鏡的最佳轉(zhuǎn)速，一般控制為：幾萬轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)鏡Q開關(guān)是慢開關(guān)！二、電光調(diào)Q1、晶體的電光效應(yīng)(1)定義：外加電場使構(gòu)成晶體的原子分子排列發(fā)生一定的變化，從而引起晶體折射率也發(fā)生變化，也使晶體雙折射性質(zhì)發(fā)生變化。結(jié)果：多各向異性晶體，除存在自然雙折射外，還存在因外加電場而引起的感應(yīng)雙折射。(2)公式：線性電光效應(yīng)(普克爾效應(yīng))電光調(diào)Q的基礎(chǔ)二次電光效應(yīng)(克爾效應(yīng))非線性效應(yīng)，一般較小2、電光調(diào)Q(1)采用KDP類晶體的γ63描述的縱向電光效應(yīng)未加電場：折射率主軸為x、y、z(光軸和電場方向)加上z向電場后：折射率主軸將旋轉(zhuǎn)為與未加電場時(shí)的x、y軸成45度夾角，z軸不變，即：電壓z向厚度可見，x’軸為快軸，y’軸為慢軸。則x方向諞振的沿z向照到晶體上后，將分解成沿x’和y’方向偏振的等幅度偏振光，二者經(jīng)過晶體后的位相差為：V為1/4波電壓V為半波電壓(2)裝置(3)調(diào)Q原理①(a)圖調(diào)Q原理：光經(jīng)P后成為x方向的偏振光，沿z向照到晶體上后，分解成沿x’和y’方向偏振的等幅度偏振光，設(shè)晶體上加1/4波電壓，則相位差為π/2，經(jīng)全反鏡，再經(jīng)晶體后，共產(chǎn)生π位相差，偏振面將旋轉(zhuǎn)90度，無法再穿過P。此時(shí)損耗大，Q開關(guān)關(guān)閉，激光不產(chǎn)生，激光上能級積累粒子，適當(dāng)時(shí)候拆區(qū)電壓，則損耗小，Q開關(guān)打開，巨脈沖形成。

：—減壓式調(diào)Q②(b)圖調(diào)Q原理若P1//P2：若加半波電壓，產(chǎn)生π相位差，偏振面轉(zhuǎn)90度，光不通過P2，處于高損低Q狀態(tài)，Q開關(guān)關(guān)閉，拆區(qū)電壓，Q開關(guān)關(guān)閉，拆區(qū)電壓，Q開關(guān)打開，巨脈沖形成。若P1⊥P2：若不加電壓，則通過P1的光不能通過P2，處于高損低Q狀態(tài)，Q開關(guān)關(guān)閉，加上半波電壓，產(chǎn)生π相位差，偏振面轉(zhuǎn)90度，光剛好通過P2，Q開關(guān)打開，巨脈沖形成。—減壓式調(diào)Q—加壓式調(diào)Q3、電光調(diào)Q的優(yōu)缺點(diǎn)(1)優(yōu)點(diǎn):開關(guān)時(shí)間取決于電路的高壓上升和退壓時(shí)間，能做到小于脈沖建立時(shí)間，屬快開關(guān)類型，壽命長，輸出巨脈沖穩(wěn)定性好，重復(fù)性好，適合大能量調(diào)Q，脈寬可達(dá)十幾ns，峰值功率：幾十MW。(2)缺點(diǎn):需幾千伏高壓，易引起對其他好線路的干擾。KDP：KD＊P：三、聲光調(diào)Q１、聲光作用：當(dāng)超聲波在某些介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)將產(chǎn)生與聲波信號(hào)相應(yīng)的隨時(shí)空變化的彈性形變，從而導(dǎo)致介質(zhì)折射率隨時(shí)空間周期性變化，則該介質(zhì)等效為相位光柵，光柵常數(shù)為λs,當(dāng)光進(jìn)入此相位光柵時(shí)將發(fā)生衍射，部分光將偏離原來方向，該現(xiàn)象稱為聲光衍射現(xiàn)象。2、聲光作用分類(1)喇曼-奈斯衍射：當(dāng)超聲波頻率較低時(shí)，光線平行于聲波波面入射，聲光作用長度d較小，且滿足d<<λs2/2λ。入射光Ii,λ超聲波λsI0I+1I+2I-1I-2(2)布拉格衍射(調(diào)Q所用)：當(dāng)超聲波頻率較高時(shí)，光線與聲波波面成一夾角入射，且聲光作用長度d較大，且滿足d>>λs2/2λ。入射光Ii,λ超聲波λsI0I0I-1θi2θi=2θdSinθd=λ/2λs特點(diǎn):只出現(xiàn)0級和1級或-1級,視入射光方向而定,適當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)可使能量全部集中在1級或-1級。H：換能器寬度d：換能器長度M：聲光介質(zhì)的品質(zhì)因素P：超聲驅(qū)動(dòng)功率3、聲光調(diào)Q裝置透反鏡全反鏡YAG高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電源換能器聲光介質(zhì)吸聲介質(zhì)換能器：利用反壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以產(chǎn)生超聲波。吸聲介質(zhì)：吸收傳來的聲波，以免形成聲駐波效應(yīng)而延長開關(guān)時(shí)間。4、聲光調(diào)Q原理聲光Q開關(guān)加上電壓后在介質(zhì)中形成超聲波，當(dāng)入射光以sin2θd=λs/2λ角度入射時(shí)，衍射光偏離入射光即腔軸線方向，導(dǎo)致?lián)p耗增加，Q開關(guān)關(guān)閉，激光上能級積累粒子，當(dāng)粒子積累達(dá)飽和時(shí)，突然拆去超聲場，衍射消失，腔損減小，Q開關(guān)打開，巨脈沖形成。5、聲光調(diào)Q器件設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)(1)合理設(shè)計(jì)超聲柱的尺寸，聲光距離由布拉格判據(jù)決定。(2)換能器材料應(yīng)有較大的機(jī)電耦合系數(shù)，以提高聲電轉(zhuǎn)換效率。(3)聲光材料品質(zhì)因素M要較大，對光和超聲波吸收要小，以免產(chǎn)生熱量擾亂位相光柵；要有良好的熱穩(wěn)定性；光學(xué)上均勻，有足夠大尺寸，對功率大的激光調(diào)Q器件，應(yīng)考慮介質(zhì)有較高的激光損耗閾值。(4)為避免聲光介質(zhì)對光和聲吸收產(chǎn)生的熱量不能耗散而導(dǎo)致介質(zhì)中形成溫度梯度，應(yīng)考慮水冷散熱問題。(5)由于駐波型超聲波不易迅速消除而導(dǎo)致開關(guān)時(shí)間加長，在聲光介質(zhì)另一側(cè)加吸聲材料使介質(zhì)中只允許行波超聲波，以加快開關(guān)時(shí)間。6、聲光調(diào)Q的優(yōu)缺點(diǎn)(1)調(diào)制電壓低(<200V)，多用于低增益的連續(xù)激光器，峰值功率：幾百瓦；脈寬：幾十ns；形成高重復(fù)率脈沖。(2)缺點(diǎn)：對高能激光器的開關(guān)能力差，故不適用于高能調(diào)Q激光器。7、常用聲光材料(1)聲光介質(zhì)：氧化碲(TeO2)、鉬酸鉛(PbMoO4)(對1.06μm通光力差，影響調(diào)Q輸出功率)；熔融石英(便宜，好光學(xué)加工，可用于大功率聲光調(diào)Q激光器)等。(2)吸聲材料：鉛橡膠、玻璃棉。(3)換能器：鈮酸鋰(LiNbO3)、石英等。四、被動(dòng)調(diào)Q—可飽和吸收調(diào)Q1、可飽和吸收液體的吸收系數(shù)公式①假設(shè)：均勻加寬、二能級系統(tǒng)、f1=f2，σ21=σ12。②公式其中:υ0:吸收譜線中心頻率③說明:β0(υ0)隨I增大而減小，入射光幾乎全部透過，稱為“漂白”2、可飽和吸收調(diào)Q原理將可飽和吸收體放入諧振腔，泵浦開始時(shí)，因β較大，則腔處于高損低Q狀態(tài)，激光上能級不斷積累粒子，而腔內(nèi)熒光不斷增強(qiáng)，當(dāng)光強(qiáng)可與Is’相比擬時(shí)，β減小，達(dá)到一定程度時(shí)，染料“漂白”，腔處于低損高Q狀態(tài)。巨脈沖形成。3、裝置工作物質(zhì)透反鏡全反鏡染料盒或染料片4、常見的可飽和吸收體—各種染料各種染料:BDN；五甲川；十一甲川；隱花青溶劑：丙酮；二氯乙烷5、染料調(diào)Q的注意事項(xiàng)(1)染料的吸收中心波長要與激光波長基本吻合。(2)染料的飽和吸收光強(qiáng)Is’應(yīng)大小適當(dāng)，若太小，則激光上能級粒子積累不充分，開關(guān)作用差，若太大，則染料難以達(dá)到飽和，激光閾值高，Q開關(guān)速度慢。(3)染料溶液應(yīng)有一定的穩(wěn)定性。6、染料調(diào)Q的優(yōu)缺點(diǎn)(1)簡單方便，峰值功率：KMW，脈寬：幾十ns。(2)缺點(diǎn)：染料易變質(zhì)，輸出不穩(wěn)定性，易受染料濃度、激光能量及染料盒的影響。7、新型固體飽和吸收材料(1060nm)Cr4+:YAG、Cr4+:GSGG、Cr4+:GSAG、Mg2SiO4、LiF:F-2等。7.3.3調(diào)Q激光器基本理論一、處理方法速率方程→調(diào)Q激光的峰值功率、巨脈沖能量及脈沖時(shí)間特性二、簡化假設(shè)1、損耗從δH降為δ為瞬時(shí)的，即階躍式突變的——適用于快開關(guān)調(diào)Q。2、設(shè)腔長等于工作物質(zhì)長度，L=l。3、系統(tǒng)為三能級系統(tǒng)，且υ=υ0，f1=f2。4、ηF=1，則忽略A31和S21，則n1W13=n3S32。三、反轉(zhuǎn)集居數(shù)和光子數(shù)密度速率方程方程注：(1)從t=0，即Q開關(guān)打開時(shí)開始討論。損耗不能忽略！(2)根據(jù)三能級系統(tǒng)速率方程及簡化假設(shè)可以證明7.3.2式。四、激光器的輸出峰值功率1、峰值功率公式S:工作物質(zhì)橫截面積T:輸出反射鏡透過率２、公式證明(略)(了解)3、討論(1)Δni/Δnt越大，則Nm越大，Pm越大。(2)影響Δni/Δnt大小的因素①δH/δ

越大，Δni/Δnt越大。因?yàn)棣腍越大，意味著Q開關(guān)關(guān)閉時(shí)，允許達(dá)到而又不超過閾值Δnt’的Δni就越大，而Q開關(guān)打開時(shí)的δ越小，則Δnt越小。②

泵浦功率越高，Δni/Δnt越大。③在相同的泵浦功率下，上能級的壽命越長，ni/Δnt越大。熒光壽命紅寶石釹玻璃YAGCO2He-Ne染料3ms0.7ms0.23ms1ms20ns~ns工作介質(zhì)氦氖激光器與染料激光器不適合采用調(diào)Q技術(shù)！五、巨脈沖能量1、輸出巨脈沖能量(1)公式其中：為“儲(chǔ)能”，即儲(chǔ)存在工作物質(zhì)中可能轉(zhuǎn)變?yōu)榧す獾某跏寄芰?。V：工作物質(zhì)體積。為巨脈沖熄滅后工作物質(zhì)中剩余的能量?！獌?chǔ)能利用率(2)公式證明發(fā)射一個(gè)光子，則Δn減少2，設(shè)巨脈沖開始時(shí)，Δn=Δni，熄滅時(shí)Δn=Δnf，則巨脈沖持續(xù)過程中單位體積工作物質(zhì)發(fā)射的光子為：則腔內(nèi)巨脈沖的能量：從而：則輸出巨脈沖能量為：a：腔內(nèi)凈損耗。2、影響輸出巨脈沖能量的因素(1)儲(chǔ)能Ei越大，輸出能量E越大。(2)Δnf/Δni越小，則儲(chǔ)能利用度μ越大，從而輸出能量E越大。3、影響Δnf/Δni大小的因素(1)隱函數(shù)公式(2)公式證明(略)(了解)(3)討論如果：六、巨脈沖的時(shí)間特性Δt－調(diào)Q脈寬1、巨脈沖寬度定義：脈沖形成中，光子數(shù)密度由Nm/2上升到Nm所需時(shí)間Δtr和由Nm下降到Nm/2所需時(shí)間Δte之和。DtrDte＋Dt

＝2、Δt的估算方法積分該式(7-3-5)代入思路：7.3.12式給出Δn~t關(guān)系，由7.3.5知N~Δn關(guān)系，代7.3.5入7.3.12可知N~t關(guān)系，從而知脈寬Δt。上升沿同理：下降沿難以獲得解析式！需要數(shù)值求解！已知Δni/Δnt，由7.3.13即可求得Δtr和Δte，從而求得Δt的數(shù)值解。3、Δt的數(shù)值解結(jié)果討論(1)Δni/Δnt越大，則Δtr和Δte同時(shí)變窄，且Δtr比Δte更窄。理由：Δni/Δnt越大→g凈增大→N的增長和Δn的下降越快→脈沖建立和熄滅過程越短。(2)要使Δt小，則L不能太長，δ不能太??！七、實(shí)際調(diào)Q情形1、理論或數(shù)值計(jì)算與實(shí)測值之間有差異。差異產(chǎn)生原因？①泵浦激勵(lì)不均勻，中心大，邊緣小→Dn

分布不均勻脈沖建立時(shí)間不同

(中心部分先建立，邊緣后建立)輸出脈沖是中心到邊緣多個(gè)脈沖疊加的結(jié)果，故變寬脈沖能量分散在較大的時(shí)間范圍內(nèi)，則峰值功率小。②Q開關(guān)時(shí)間并非瞬時(shí)，需要時(shí)間→脈寬變寬，峰值功率下降。2、調(diào)Q巨脈沖寬度較窄，在此短時(shí)間內(nèi)四能級系統(tǒng)的激光下能級來不及抽空，故調(diào)Q器件中的四能級系統(tǒng)接近三能級系統(tǒng)。7.3.4另一類激光調(diào)Q分類及腔倒空技術(shù)一、另一類激光調(diào)Q分類按照巨脈沖輸出前能量的儲(chǔ)存地點(diǎn)進(jìn)行分類。脈沖反射式調(diào)Q脈沖透射式調(diào)Q(腔倒空)脈沖透反式調(diào)Q二、脈沖反射式調(diào)Q輸出前為工作物質(zhì)儲(chǔ)能tQ工作物質(zhì)儲(chǔ)能輸出光脈沖特點(diǎn)：低Q時(shí)，工作物質(zhì)上能級積累粒子，因而儲(chǔ)能，高Q時(shí)巨脈沖振蕩并輸出，振蕩和輸出同時(shí)進(jìn)行，脈寬脈寬取決于激光增長和衰減過程。光束需在腔內(nèi)往返若干次才能完成率減過程，故脈寬可達(dá)數(shù)十納秒。(思考：Δt=?)例：飽和吸收調(diào)Q、電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q。三、脈沖透射式調(diào)Q(腔倒空)輸出前為諧振腔儲(chǔ)能tQ諧振腔儲(chǔ)能輸出光脈沖特點(diǎn)：諧振腔有全反鏡M1和可控反射鏡M2構(gòu)成，t<0時(shí)，M2全反，腔處于高Q狀態(tài)，激光振蕩而無輸出，即此時(shí)由諧振腔儲(chǔ)能；當(dāng)t=0時(shí)，控制M2使其透過率達(dá)100%，則腔內(nèi)