LASER激光器的調(diào)Q技術(shù)專講

1、 激光調(diào)激光調(diào) Q 技術(shù)技術(shù) 普通的脈沖激光器普通的脈沖激光器,光脈沖的寬度約在光脈沖的寬度約在ms級級,峰值功率也只有幾十峰值功率也只有幾十kW. 調(diào)調(diào) Q 激光器激光器, ,光脈沖的寬度可以壓到光脈沖的寬度可以壓到ns級級,峰值功率也已達到峰值功率也已達到MW. 調(diào)調(diào)Q Q技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個重要突破，它是將激光能量壓縮到技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，是激光發(fā)展史上的一個重要突破，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提高幾個數(shù)量級的一種技術(shù)。寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個數(shù)量級的一種技術(shù)。調(diào)調(diào)Q技術(shù)的目的：技術(shù)的目的： 壓縮脈沖寬度，

2、提高峰值功率。壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。一、激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)一、激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q Q值是評定激光器中光學諧振腔質(zhì)量好壞的指標值是評定激光器中光學諧振腔質(zhì)量好壞的指標品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)。 1.Q值定義：值定義：每振蕩周期損耗的能量諧振腔內(nèi)儲存的能量2Q2.品質(zhì)因子品質(zhì)因子Q與諧振腔的單程總損耗的關(guān)系與諧振腔的單程總損耗的關(guān)系光強I0在諧振腔傳播z距離后會減弱為 00exp()expa cIIa zIt總總上式可以改寫為光子數(shù)密度的形式 00( )expexpca ctN tNtN總chtNtI0)()(而 體積為V的腔內(nèi)存儲的能量為： 0)( VhtNW 每振蕩周期損耗的能量為： c

3、aVhtNWPc總)(0總aPWQ22調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)Q值的途徑值的途徑 一般采取改變腔內(nèi)損耗的辦法來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的一般采取改變腔內(nèi)損耗的辦法來調(diào)節(jié)腔內(nèi)的Q值。值。 將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其波將普通脈沖固體激光器輸出的脈沖，用示波器進行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)其波形并非一個平滑的光脈沖，而是由許多形并非一個平滑的光脈沖，而是由許多振幅、脈寬和間隔作隨機變化的尖峰脈振幅、脈寬和間隔作隨機變化的尖峰脈沖組成的沖組成的，如圖，如圖(a)所示。每個尖峰的寬度約為所示。每個尖峰的寬度約為0.11s，間隔為數(shù)微秒，脈，間隔為數(shù)微秒，脈沖序列的長度大致與閃光燈泵浦持續(xù)時間相等。圖沖序列的長

4、度大致與閃光燈泵浦持續(xù)時間相等。圖(b)所示為觀察到的紅寶石所示為觀察到的紅寶石激光器輸出的尖峰。這種現(xiàn)象稱為激光器輸出的尖峰。這種現(xiàn)象稱為激光器弛豫振蕩激光器弛豫振蕩。1. 脈沖固體激光器的輸出特性脈沖固體激光器的輸出特性二、二、調(diào)調(diào) Q原理原理 產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因：產(chǎn)生弛豫振蕩的主要原因：當激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級的粒子反當激光器的工作物質(zhì)被泵浦，上能級的粒子反轉(zhuǎn)數(shù)超過閾值條件時，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光。轉(zhuǎn)數(shù)超過閾值條件時，即產(chǎn)生激光振蕩，使腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，而發(fā)射激光。隨著激光的發(fā)射，上能級粒子數(shù)大量被消耗，導致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，當?shù)陀陂y隨著激光的發(fā)射

5、，上能級粒子數(shù)大量被消耗，導致粒子反轉(zhuǎn)數(shù)降低，當?shù)陀陂y值時，激光振蕩就停止。這時，由于光泵的繼續(xù)抽運，上能級粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新值時，激光振蕩就停止。這時，由于光泵的繼續(xù)抽運，上能級粒子反轉(zhuǎn)數(shù)重新積累，積累，當超過閾值時，又產(chǎn)生第二個脈沖，當超過閾值時，又產(chǎn)生第二個脈沖，如此不斷重復上述過程，直到泵浦停如此不斷重復上述過程，直到泵浦停止才結(jié)束。止才結(jié)束。每個尖峰脈沖都是在閾值每個尖峰脈沖都是在閾值附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水附近產(chǎn)生的，因此脈沖的峰值功率水平較低。增大泵浦能量也無助于峰值平較低。增大泵浦能量也無助于峰值功率的提高，而只會使小尖峰的個數(shù)功率的提高，而只會使小尖峰的個數(shù)增加。增加。E

6、1E2弛豫振蕩產(chǎn)生的物理過程，可以用圖弛豫振蕩產(chǎn)生的物理過程，可以用圖2來描述。它示出了在弛豫振蕩過程中粒子反轉(zhuǎn)數(shù)來描述。它示出了在弛豫振蕩過程中粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n 和腔內(nèi)光子數(shù)和腔內(nèi)光子數(shù)的變化，每個尖峰可以分為四個階段的變化，每個尖峰可以分為四個階段 (在在t1時刻之前，由于泵浦作時刻之前，由于泵浦作用，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)用，粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n增長，但尚未到達閾值增長，但尚未到達閾值n閾閾因而不能形成激光振蕩。因而不能形成激光振蕩。)圖2 腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時間的變化第一階段第一階段(t1一一t2)：激光振蕩剛開始時，：激光振蕩剛開始時，n n閾閾， 0；由于光泵作用，；由于光泵作用， n繼續(xù)繼續(xù)增加，

7、與此同時，腔內(nèi)光子數(shù)密度增加，與此同時，腔內(nèi)光子數(shù)密度也開始增加，由于也開始增加，由于的增長而使的增長而使n減小的速率小于減小的速率小于泵浦使泵浦使n 增加的速率，因此增加的速率，因此n一直增加到最大值。一直增加到最大值。 圖2 腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時間的變化第二階段第二階段(t2一一t3) ： n到達最大到達最大值后開始下降，但仍然大于值后開始下降，但仍然大于n閾閾 ，因此，因此 繼續(xù)增長，而且增長繼續(xù)增長，而且增長非常迅速，達到最大值。非常迅速，達到最大值。 第四階段第四階段(t4一一t5)：光子數(shù)減少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是：光子數(shù)減少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是n又

8、開始回升，又開始回升，到到t5時刻時刻n又達到閾值又達到閾值n閾閾 ，于是又開始產(chǎn)生第二個尖峰脈沖。因為泵浦的抽運過程的，于是又開始產(chǎn)生第二個尖峰脈沖。因為泵浦的抽運過程的持續(xù)時間要比每個尖峰脈沖寬度大得多，于是上述過程周而復始，產(chǎn)生一系列尖峰脈沖。持續(xù)時間要比每個尖峰脈沖寬度大得多，于是上述過程周而復始，產(chǎn)生一系列尖峰脈沖。泵浦功率越大泵浦功率越大,尖峰脈沖形成越快尖峰脈沖形成越快,因而尖峰的時間間隔越小因而尖峰的時間間隔越小 第三階段第三階段(t3一一t4)： n n閾閾 ，增益小于損耗，光子，增益小于損耗，光子數(shù)密度數(shù)密度減少并急劇下降。減少并急劇下降。2.調(diào)調(diào)的基本原理的基本原理 通常

9、的激光器諧振腔的損耗是不變的通常的激光器諧振腔的損耗是不變的，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到或略超過閾值，一旦光泵浦使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到或略超過閾值時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級不時，激光器便開始振蕩，于是激光上能級的粒子數(shù)因受激輻射而減少，致使上能級不能積累很多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。這是普通激光器峰值功率能積累很多的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，只能被限制在閾值反轉(zhuǎn)數(shù)附近。這是普通激光器峰值功率(一般為幾十千瓦數(shù)量級一般為幾十千瓦數(shù)量級) )。不能提高的原因。不能提高的原因。 既然激光上能級最大粒子反轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制，那么，既然激光上能級最大粒子反

10、轉(zhuǎn)數(shù)受到激光器閾值的限制，那么，要使上能級積累要使上能級積累大量的粒子，可以設(shè)法通過改變（增加）激光器的閾值來實現(xiàn)大量的粒子，可以設(shè)法通過改變（增加）激光器的閾值來實現(xiàn)，就是當激光器開始泵，就是當激光器開始泵浦初期，設(shè)法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級浦初期，設(shè)法將激光器的振蕩閾值調(diào)得很高，抑制激光振蕩的產(chǎn)生，這樣激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)便可積累得很多。QvAgn 221閾總aPWQ22當反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累到最大時，再突然把閾值調(diào)到很低，此時，積累在上能級的大量粒子便雪崩式的躍遷到低能級，于是在極短的時間內(nèi)將能量釋放出來，就獲得峰值功率極高的

11、巨脈沖激光輸出。 改變激光器的閾值是提高激光上能級粒子數(shù)積累的有效方法改變激光器的閾值是提高激光上能級粒子數(shù)積累的有效方法?？俛PWQ22Q值與諧振腔的損耗成反比值與諧振腔的損耗成反比，要改變激光器的閾值，可以通過突變諧振腔的要改變激光器的閾值，可以通過突變諧振腔的Q值值(或損耗或損耗a總總)來實現(xiàn)來實現(xiàn)。 調(diào)調(diào)Q技術(shù)就是通過某種方法使腔的技術(shù)就是通過某種方法使腔的Q值隨時間按一定程序變化的技術(shù)值隨時間按一定程序變化的技術(shù)?；蛘哒f使腔使腔的的損耗損耗隨時間按一定程序變化的技術(shù)隨時間按一定程序變化的技術(shù)。 調(diào)調(diào)Q激光脈沖的建立過程，激光脈沖的建立過程，各參量隨時間的變化情況，如各參量隨時間的變化

12、情況，如右圖所示。右圖所示。圖圖(a)表示泵浦速率表示泵浦速率Wp隨時間隨時間的變化；的變化；圖圖(b)表示腔的表示腔的Q值是時間的階值是時間的階躍函數(shù)躍函數(shù)(藍虛線藍虛線)；圖圖(c)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)表示粒子反轉(zhuǎn)數(shù)n的變的變化；化；圖圖(d)表示腔內(nèi)光子數(shù)表示腔內(nèi)光子數(shù)隨時間隨時間的變化的變化。3.Q開關(guān)激光器的特點開關(guān)激光器的特點 （1） 通過改變通過改變Q值值改變閾改變閾值，控制激光產(chǎn)生的時間。值，控制激光產(chǎn)生的時間。在泵浦過程的大部分時間里諧振在泵浦過程的大部分時間里諧振腔處于低腔處于低Q值狀態(tài)，故閾值很高值狀態(tài)，故閾值很高不能起振，從而激光上能級的粒不能起振，從而激光上能級的粒子數(shù)不斷

13、積累，直至子數(shù)不斷積累，直至 t0時刻，粒時刻，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達到最大值子數(shù)反轉(zhuǎn)達到最大值ni，在這，在這一時刻，一時刻，Q值突然升高值突然升高(損耗下?lián)p耗下降降)，振蕩閾值隨之降低，于是，振蕩閾值隨之降低，于是激光振蕩開始建立。由于此激光振蕩開始建立。由于此ni nt(閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù)閾值粒子反轉(zhuǎn)數(shù))，因此，因此受激輻射增強非常迅速，激光介受激輻射增強非常迅速，激光介質(zhì)存儲的能量在極短的時間質(zhì)存儲的能量在極短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱龅哪芰?，?nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槭芗ぽ椛鋱龅哪芰?，結(jié)果產(chǎn)生了一個峰值功率很結(jié)果產(chǎn)生了一個峰值功率很高的窄脈沖。高的窄脈沖。 調(diào)調(diào)Q脈沖的建立有個過程，當脈沖的建立有個過程，當Q值階躍上

14、升時開始振蕩，在值階躍上升時開始振蕩，在t=t0振蕩開始建立振蕩開始建立至以后一個較長的時間過程中，光子數(shù)至以后一個較長的時間過程中，光子數(shù)增長十分緩慢，如圖增長十分緩慢，如圖3所示，其值始終所示，其值始終很小，受激輻射幾率很小，此時仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢。很小，受激輻射幾率很小，此時仍是自發(fā)輻射占優(yōu)勢。 圖圖3 從開始振蕩到脈沖形成的過程從開始振蕩到脈沖形成的過程只有振蕩持續(xù)到只有振蕩持續(xù)到ttD時，增長時，增長到了到了D ，雪崩過程才形成，雪崩過程才形成， 才迅速增大，受激輻射才迅才迅速增大，受激輻射才迅速超過自發(fā)輻射而占優(yōu)勢。速超過自發(fā)輻射而占優(yōu)勢。（2） 兩階段兩階段 儲能階段（延遲時間）

15、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達最大值儲能階段（延遲時間）反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達最大值 。 iD因此，調(diào)因此，調(diào)Q脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時間脈沖從振蕩開始建立到巨脈沖激光形成需要一定的延遲時間t (也也就是就是Q開關(guān)開啟的持續(xù)時間開關(guān)開啟的持續(xù)時間)。光子數(shù)的迅速增長，使。光子數(shù)的迅速增長，使ni迅速減少，到迅速減少，到t=tp時時刻，刻， ni= nt，光子數(shù)達到最大值，光子數(shù)達到最大值m之后，由之后，由n nt ，則，則 迅速減少，迅速減少，此時此時n = nf ，為振蕩終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)。可見，調(diào)，為振蕩終止后工作物質(zhì)中剩余的粒子數(shù)。可見，調(diào)Q脈沖的脈沖的峰值是發(fā)生在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于

16、閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)峰值是發(fā)生在反轉(zhuǎn)粒子數(shù)等于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)(ni= nt)的時刻。的時刻。iD激光產(chǎn)生輸出激光產(chǎn)生輸出 忽略泵浦和自發(fā)輻射的影響。忽略泵浦和自發(fā)輻射的影響。（3） 開關(guān)時間開關(guān)時間 從從Q值最小變到最大值最小變到最大Q值即損耗從最大變到最小需要值即損耗從最大變到最小需要的時間叫開關(guān)時間。的時間叫開關(guān)時間。 開關(guān)時間對激光脈沖的影響很大，按開關(guān)時間的大小開關(guān)時間對激光脈沖的影響很大，按開關(guān)時間的大小分為快、慢兩種類型。分為快、慢兩種類型。 諧振腔的諧振腔的Q值與損耗值與損耗a總總成反比，如果按照一定的規(guī)律改變諧振腔的成反比，如果按照一定的規(guī)律改變諧振腔的a總總值，就值，就可以使可以使

17、Q值發(fā)生相應的變化。諧振腔的損耗一般包括有：值發(fā)生相應的變化。諧振腔的損耗一般包括有：反射損耗、衍射損反射損耗、衍射損耗、吸收損耗耗、吸收損耗等。那么，我們用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可等。那么，我們用不同的方法控制不同類型的損耗變化，就可以形成不同的調(diào)以形成不同的調(diào)Q技術(shù)。有技術(shù)。有機械轉(zhuǎn)鏡調(diào)機械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q、電光調(diào)電光調(diào)Q技術(shù)，聲光調(diào)技術(shù)，聲光調(diào)Q技術(shù)，染技術(shù)，染料調(diào)料調(diào)Q技術(shù)技術(shù)等。等。三、三、Q調(diào)制方法調(diào)制方法四、調(diào)四、調(diào)Q技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵 動態(tài)損耗：動態(tài)損耗：Q 開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，諧振腔應具有最大的損耗，以開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，諧振腔應具有最大的損耗，以保證保證Q 開關(guān)打開之前

18、沒有激光產(chǎn)生；開關(guān)打開之前沒有激光產(chǎn)生； 插入損耗插入損耗：Q 開關(guān)處于打開狀態(tài)時，由開關(guān)本身引起的損耗應最開關(guān)處于打開狀態(tài)時，由開關(guān)本身引起的損耗應最 小，小，一般會引入反射及散射損耗；一般會引入反射及散射損耗； 開關(guān)時間，開關(guān)時間，Q 開關(guān)應有優(yōu)異的開、關(guān)轉(zhuǎn)換性能，快的開關(guān)時間，開關(guān)應有優(yōu)異的開、關(guān)轉(zhuǎn)換性能，快的開關(guān)時間， 將將產(chǎn)生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開關(guān)時間會使所存儲的能量在產(chǎn)生窄而且高功率峰值的脈沖；慢的開關(guān)時間會使所存儲的能量在開關(guān)完全打開之間迅速衰竭；開關(guān)完全打開之間迅速衰竭； 同步性能，同步性能， Q 開關(guān)應能夠精確地控制，與外界信號保持同步。開關(guān)應能夠精確地控制，與外界

19、信號保持同步。 電光電光調(diào)調(diào) Q一、電光晶體調(diào)一、電光晶體調(diào)Q原理原理 1. 電光電光Q開關(guān)原理。開關(guān)原理。 利用晶體的電光效應，在晶體上加一階躍式電壓，調(diào)利用晶體的電光效應，在晶體上加一階躍式電壓，調(diào)節(jié)腔內(nèi)光子的反射損耗。節(jié)腔內(nèi)光子的反射損耗。 圖4-27 電光調(diào)Q裝置示意圖 （1）第一階段：積累階段）第一階段：積累階段 電光調(diào)電光調(diào)Q激光器如圖所示。未加電場前晶體的折射率主軸為激光器如圖所示。未加電場前晶體的折射率主軸為z、y、z。沿晶沿晶體光軸方向體光軸方向z施加一外電場施加一外電場E , ,由于由于普克爾效應普克爾效應, ,主軸變?yōu)橹鬏S變?yōu)閤x、y,zy,z。令光束。令光束沿沿z z軸

20、方向傳播軸方向傳播, ,經(jīng)偏振器后變?yōu)槠叫杏诮?jīng)偏振器后變?yōu)槠叫杏趚軸的線偏振光軸的線偏振光, ,入射到晶體表面時分解為入射到晶體表面時分解為等幅的等幅的xx和和yy方向的偏振光方向的偏振光, ,在晶體中二者具有不同的折射率在晶體中二者具有不同的折射率x x和和y y。經(jīng)。經(jīng)過晶體長度過晶體長度d d距離后距離后, ,二偏振分量產(chǎn)生了相位差二偏振分量產(chǎn)生了相位差VcvEdcvcvdxy633063302 2)(2圖4-27 電光調(diào)Q裝置示意圖 式中式中為晶體尋常光折射率為晶體尋常光折射率;6363是晶體的電光系數(shù)是晶體的電光系數(shù);V;V是加在晶體兩端的是加在晶體兩端的電壓，電壓，d d為晶體在為

21、晶體在z z軸方向的長度。當軸方向的長度。當=/2=/2時時, ,所需電壓稱作四分之一波電所需電壓稱作四分之一波電壓壓, ,記作記作V/4.圖中電光晶體上施以電壓圖中電光晶體上施以電壓V V/4/4時時, ,從偏振器出射的線偏振光經(jīng)電從偏振器出射的線偏振光經(jīng)電光晶體后光晶體后, ,沿沿xx和和yy方向的偏振分量產(chǎn)生了方向的偏振分量產(chǎn)生了/2/2位相延遲位相延遲, ,經(jīng)全反射鏡反射經(jīng)全反射鏡反射后再次通過電光晶體后又將產(chǎn)生后再次通過電光晶體后又將產(chǎn)生/2/2延遲延遲, ,合成后雖仍是線偏振光合成后雖仍是線偏振光, ,但偏振方但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向向垂直于偏振器的偏振方向, ,因此不能通

22、過偏振器。這種情況下諧振腔的損因此不能通過偏振器。這種情況下諧振腔的損耗很大耗很大, ,處于低處于低Q值狀態(tài)值狀態(tài), ,激光器不能振蕩激光器不能振蕩, ,激光上能級不斷積累粒子（激光上能級不斷積累粒子（這一這一狀態(tài)相當于光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)）狀態(tài)相當于光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)）。（2）第二階段：脈沖形成階段）第二階段：脈沖形成階段Q開關(guān)完全打開開關(guān)完全打開 在某一特等時刻在某一特等時刻, ,突然撤去電光晶體兩端的電壓突然撤去電光晶體兩端的電壓, ,則偏振光的振動方向不再被則偏振光的振動方向不再被旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)900，相當于光開關(guān)被打開，相當于光開關(guān)被打開，則諧振腔突變至低損耗、高則諧振腔突變至低損耗、高Q值

23、狀態(tài)值狀態(tài), ,于是于是形成巨脈沖激光。（形成巨脈沖激光。（這一狀態(tài)相當于光開關(guān)處于打開狀態(tài)）這一狀態(tài)相當于光開關(guān)處于打開狀態(tài)）。1.1.有較高的動態(tài)損耗（）和插入損耗（）有較高的動態(tài)損耗（）和插入損耗（） 2.2.開關(guān)速度快，同步性能好。開關(guān)時間可以達到秒開關(guān)速度快，同步性能好。開關(guān)時間可以達到秒 ，3.3.典型的典型的Nd:YAGNd:YAG電光調(diào)電光調(diào)Q激光器的輸出光脈沖寬度激光器的輸出光脈沖寬度 約為約為-20-20nsns，峰值功率達到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦，峰值功率達到數(shù)兆瓦至數(shù)十兆瓦 4.4.適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術(shù)較高的插入損適用于脈沖式泵浦激光器，由于該技術(shù)較高的插入損

24、耗使激光器無法振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器耗使激光器無法振蕩而不適用于連續(xù)泵浦激光器910二、電光調(diào)二、電光調(diào)Q技術(shù)特點技術(shù)特點聲光聲光調(diào)調(diào) Q一、聲光一、聲光Q開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)腔內(nèi)插入的聲光調(diào)腔內(nèi)插入的聲光調(diào)Q器件由聲光互作用介質(zhì)器件由聲光互作用介質(zhì)( (如熔融石英如熔融石英) )和鍵合于其上的換能器所構(gòu)成的。和鍵合于其上的換能器所構(gòu)成的。 圖4-28 聲光調(diào)Q裝置示意圖二二. .聲光調(diào)聲光調(diào)Q原理：原理： 當聲波在某些介質(zhì)中傳播時當聲波在某些介質(zhì)中傳播時, ,該介質(zhì)會產(chǎn)生與聲波信號相應的、隨時間和空該介質(zhì)會產(chǎn)生與聲波信號相應的、隨時間和空間周期變化的彈性形變間周期變化的彈性形變

25、, ,從而導致介質(zhì)折射率的周期變化從而導致介質(zhì)折射率的周期變化, ,形成等效的形成等效的位相光柵位相光柵, ,其光柵常數(shù)等于聲波波長其光柵常數(shù)等于聲波波長s s. .光束射經(jīng)此介質(zhì)時發(fā)生衍射光束射經(jīng)此介質(zhì)時發(fā)生衍射, ,一部分光偏離原來方一部分光偏離原來方向。當聲波頻率較高向。當聲波頻率較高. .聲光作用長度聲光作用長度d d足夠大足夠大, ,滿足滿足2sd 時時(s s與與分別為聲波與光波波長分別為聲波與光波波長),),如果如果射光與聲波波面的夾角射光與聲波波面的夾角滿足滿足s2sin 則透射光束分裂為零級與則透射光束分裂為零級與+1+1級或級或-1-1級級( (視入射方向視入射方向而定而定

26、) )衍射光衍射光,+1,+1級或級或-1-1級衍射光與聲波波面的夾角亦級衍射光與聲波波面的夾角亦為為,如圖所示。這種現(xiàn)象稱作布喇格衍射如圖所示。這種現(xiàn)象稱作布喇格衍射, ,一級衍射一級衍射光先強光先強I1(或或I-1) )與入射光光強與入射光光強Ii 之比為之比為 聲光布喇格衍射衍射示聲光布喇格衍射衍射示意圖意圖)2(sin21iII式中式中是經(jīng)長度為是經(jīng)長度為d的位相光柵后光波相位變化的幅度。的位相光柵后光波相位變化的幅度。2)2(2MPHdd 式中式中是介質(zhì)折射率變化的幅值是介質(zhì)折射率變化的幅值;d與與H分別為換能器的長度與寬度分別為換能器的長度與寬度;M是是聲光聲光介質(zhì)的品質(zhì)因素介質(zhì)的

27、品質(zhì)因素;P是超聲驅(qū)動功率。提高超聲驅(qū)動功率可得到較高的衍射效率。是超聲驅(qū)動功率。提高超聲驅(qū)動功率可得到較高的衍射效率。聲光調(diào)聲光調(diào)Q技術(shù)技術(shù)利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調(diào)利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調(diào)Q任務。任務。在聲光器件工作時在聲光器件工作時產(chǎn)生很高的衍射損耗，此時，腔具產(chǎn)生很高的衍射損耗，此時，腔具 有很低的有很低的Q值，值，Q開關(guān)處于關(guān)狀態(tài)；在某一特開關(guān)處于關(guān)狀態(tài)；在某一特定時間，撤去定時間，撤去 超聲，光束則順利通過均勻的聲光介質(zhì)，超聲，光束則順利通過均勻的聲光介質(zhì)， 此時此時Q開關(guān)處于開關(guān)處于 開狀態(tài)；開狀態(tài)； 聲光聲光Q開關(guān)由一塊對激光波長透明的聲光介質(zhì)及換能器組成開關(guān)

28、由一塊對激光波長透明的聲光介質(zhì)及換能器組成, ,常用的聲光介常用的聲光介質(zhì)有熔融石英、錮酸鉛及重火石玻璃等。聲光介質(zhì)表面粘接有由銀酸鯉、石英等質(zhì)有熔融石英、錮酸鉛及重火石玻璃等。聲光介質(zhì)表面粘接有由銀酸鯉、石英等壓電材料薄片制成的換能器壓電材料薄片制成的換能器, ,換能器的作用是將高頻信號轉(zhuǎn)換為超聲波。聲光開換能器的作用是將高頻信號轉(zhuǎn)換為超聲波。聲光開關(guān)置于激光器中關(guān)置于激光器中, ,在超聲場作用下發(fā)生衍射在超聲場作用下發(fā)生衍射, ,由于一級衍射光偏離諧振腔而導致?lián)p由于一級衍射光偏離諧振腔而導致?lián)p耗增加耗增加, ,從而使激光振蕩難以形成從而使激光振蕩難以形成, ,激光高能級大量積累粒子。若這時

29、突然撤除超激光高能級大量積累粒子。若這時突然撤除超聲場聲場, ,則衍射效應即刻消失則衍射效應即刻消失, ,諧振腔損耗突然下降諧振腔損耗突然下降, ,激光巨脈沖遂即形成。激光巨脈沖遂即形成。圖4-28 聲光調(diào)Q裝置示意圖 聲光調(diào)聲光調(diào)Q Q開關(guān)時間一般小于光脈沖建立時間開關(guān)時間一般小于光脈沖建立時間, ,屬快開關(guān)類型。由于開關(guān)的調(diào)屬快開關(guān)類型。由于開關(guān)的調(diào)制電壓只需制電壓只需100100多伏多伏, ,所以可用于低增益的連續(xù)激光器所以可用于低增益的連續(xù)激光器, ,可獲得峰值功率幾百千瓦、可獲得峰值功率幾百千瓦、脈寬約為幾十納秒的高重復率巨脈沖。但是脈寬約為幾十納秒的高重復率巨脈沖。但是, ,聲光開

30、關(guān)對高能量激光器的開關(guān)能聲光開關(guān)對高能量激光器的開關(guān)能力差力差, ,不宜用于高能調(diào)不宜用于高能調(diào)Q激。激。染料調(diào)染料調(diào)Q 前面介紹的都是主動式調(diào)Q方法，即是人為地利用某些物理效應來控制激光諧振腔的損耗，從而達到Q值的突變。本節(jié)介紹被動式Q開關(guān)，即利用某些可飽和吸收體本身特性，能自動地改變Q值的一種方法。一、可飽和吸收染料的調(diào)一、可飽和吸收染料的調(diào)Q原理原理 利用有機材料對光的吸收系數(shù)會隨著光強變化的特性來達到調(diào)利用有機材料對光的吸收系數(shù)會隨著光強變化的特性來達到調(diào)Q的目的。的目的。 圖就是染料調(diào)圖就是染料調(diào)Q激光器的示意圖。它是在一個激光器的示意圖。它是在一個固體激光器的腔內(nèi)插入一個染料盒構(gòu)成

31、的。固體激光器的腔內(nèi)插入一個染料盒構(gòu)成的。 圖(染料調(diào)Q裝置示意圖某些有機染料是一種非線性吸收介質(zhì)，即其吸收系數(shù)某些有機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)，當在較強激光作用下，其吸收系數(shù)隨光并不是常數(shù)，當在較強激光作用下，其吸收系數(shù)隨光強的增加而減小直至飽和，對光呈現(xiàn)透明的特性，這強的增加而減小直至飽和，對光呈現(xiàn)透明的特性，這種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數(shù)種染料稱為可飽和吸收染料，吸收系數(shù)可以表示為：可以表示為： 011sII式中式中0是中心頻率小信號吸收系數(shù)是中心頻率小信號吸收系數(shù); I 和和 Is 分別為人射光強和飽和光強。分別為人射光強和飽和光強。011sII 可見可見, ,吸收系數(shù)隨光強的增加而減少吸收系數(shù)隨光強的增加而減少, ,當光強很當光強很大時大時, ,吸收系數(shù)為零吸收系數(shù)為零, ,入射光幾乎全部透過。飽和入射光幾乎全部透過。飽和吸收體的透過率隨光強的變化如下圖所示。吸收體的透過率隨光強的變化如下圖所示。 Is為染料的飽和吸收光強，其大小與染料的種類和濃度有關(guān)，一般來說，為染料的飽和吸收光強，其大小與染料的種類和濃度有關(guān)，一般來說，染料的濃度增加，染料的濃度增加， Is值也增加；值也增加；I為入射光強。由上式可以看出，為入射光強。由上式可以看出