激光调Q技术讲解.ppt

上海大学材料学院电子系激光调激光调Q技术技术刘强刘强11721442上海大学材料学院电子系contentv概述概述v激光调激光调Q技术原理技术原理v几种激光调几种激光调Q技术技术上海大学材料学院电子系概述概述调调Q技术的出现和发展，是激光发展史上技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量的一个重要突破，它是将激光能量压缩压缩到宽到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。率可提高几个数量级的一种技术。调调Q激光器用于很多方面：阴影照相，测量高速激光器用于很多方面：阴影照相，测量高速运动的物体速度，全息照相，对运动物体拍照等。运动的物体速度，全息照相，对运动物体拍照等。上海大学材料学院电子系Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标品质因数。品质因数。Q值定义值定义：在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。即即调节调节Q值的途径值的途径：Q Q值与谐振腔的损耗成反比值与谐振腔的损耗成反比一般采取改变腔内损耗的办法一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的来调节腔内的Q值。值。泵泵浦浦时令腔损耗很大时令腔损耗很大(Q很小很小),突然减小损耗突然减小损耗(增增大大Q),使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射使积蓄的反转粒子数在短时间内完成受激辐射,形成光脉冲形成光脉冲.上海大学材料学院电子系 将普通脉冲固体激光器输出的脉冲用示波器进行观察、记录，发现其波将普通脉冲固体激光器输出的脉冲用示波器进行观察、记录，发现其波形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多形并非一个平滑的光脉冲，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的脉冲组成的，如图，如图(a)所示。所示。图图(b)所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现象称为这种现象称为激光器激光器驰驰豫振荡豫振荡。脉冲固体激光器的输出特性脉冲固体激光器的输出特性激光调Q原理上海大学材料学院电子系v产生驰豫振荡的主要原因：产生驰豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，从而发射激生激光振荡，使腔内光子数密度增加，从而发射激光。光。随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，导致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振荡就导致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振荡就停止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反停止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累。转数重新积累。v当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。上述过程，直到泵浦停止才结束。每个尖峰脉冲都每个尖峰脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低。增大泵浦能量也无助于峰值功率的提高，而只低。增大泵浦能量也无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。会使小尖峰的个数增加。上海大学材料学院电子系 通常的激光器谐振腔的损耗是不变的通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率峰值功率(一般为几十千瓦数量级一般为几十千瓦数量级)不能提高的原因。不能提高的原因。要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。能级的反转粒子数便可积累得很多。上海大学材料学院电子系 v当反转粒子数积累到最大时，突然把阈值调到很低，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。v改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。积累的有效方法。上海大学材料学院电子系高功率激光器：高功率激光器：追求单脉冲能量追求单脉冲能量追求峰值功率追求峰值功率追求更窄的脉宽追求更窄的脉宽调调Q技术的技术的目的目的：压缩脉冲宽度，提高峰值功率。压缩脉冲宽度，提高峰值功率。上海大学材料学院电子系超阈度超阈度:峰值光子数密度要获得高的超阈度，要求泵浦强，损耗低 光脉冲宽度上海大学材料学院电子系几种激光调几种激光调Q技术技术机械转镜调机械转镜调Q声光调声光调Q技术技术电光调电光调Q技术技术染料调染料调Q技术技术分类主动式调主动式调Q方法方法被动式调被动式调Q方法方法高压、快速电光驱动器或射频调制器等外部条件人为地改变激光腔内Q值的技术激光波长处吸收系数随能量密度增加而减小直至饱和的可饱和吸收特性，将其置于谐振腔内起到调制Q值的作用上海大学材料学院电子系电光调Q技术u电光效应电光效应：沿电光晶体的某一特定方向加直沿电光晶体的某一特定方向加直流电场后流电场后,在光轴方向上产生双折射现象，即在光轴方向上产生双折射现象，即入射线偏振光将分解为两个偏振方向正交的入射线偏振光将分解为两个偏振方向正交的本征偏振光本征偏振光u电光调Q是指在激光谐振腔内加置一块偏振片和一块KDP晶体。上海大学材料学院电子系电光调Q装置示意图u光经过偏振片后成为线偏振光，如果在KDP晶体上外加/4电压，由于泡克尔斯效应，使往返通过晶体的线偏振光的振动方向改变/2。u如果KDP晶体上未加电压，往返通过晶体的线偏振光的振动方向不变。上海大学材料学院电子系第一阶段：积累阶段第一阶段：积累阶段偏振光通过偏振光通过KDP晶体时分解为沿晶体时分解为沿X和和Y方向振动的振幅相方向振动的振幅相等的两束光，两束光的振动方向垂直，频率相同，沿相同方等的两束光，两束光的振动方向垂直，频率相同，沿相同方向传播时，其合成的规迹由两光的相位差来决定，当向传播时，其合成的规迹由两光的相位差来决定，当时，两束光合成为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原时，两束光合成为一线偏光，它的振动方向相对入射光的原振动方向旋转振动方向旋转90度。因为度。因为P1/P2，所以，从晶体出来的光不，所以，从晶体出来的光不能通过能通过P2，被，被P2反射掉。所以光不能在腔内来回传播形成振反射掉。所以光不能在腔内来回传播形成振荡。这就相当于腔内光子的损耗很大，荡。这就相当于腔内光子的损耗很大，Q值很高，称为值很高，称为“关关门门”状态。状态。电光调电光调Q技术分为两个阶段技术分为两个阶段上海大学材料学院电子系（2）第二阶段：脉冲形成阶段）第二阶段：脉冲形成阶段Q开关完全打开开关完全打开 在第一阶段工作物质的反转粒子数达到最大值 时，突然退去晶体上的电压，这时晶体又恢复了原来的状态，光在腔内形成振荡。上海大学材料学院电子系半导体泵浦激光打标机半导体泵浦激光打标机 RTP晶体晶体/RTPQ开关开关 电光调Q应用上海大学材料学院电子系1.1.有较高的动态损耗（）和插入损耗（）有较高的动态损耗（）和插入损耗（）2.2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到秒开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到秒 3.3.典型的典型的Nd:YAGNd:YAG电光调电光调Q激光器的输出光脉冲宽度激光器的输出光脉冲宽度 约为约为-20-20nsns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦 4.4.适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损 耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器电光调电光调Q技术特点技术特点上海大学材料学院电子系声光调Q技术声光调Q装置示意图u1.下图是一个声光调Q的YAG激光器的示意图。腔内插入的声光调Q器件由声光互作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成的。u2.原理：在激光谐振腔内放置声光偏振器，当光通过介质中的超声场时，由于衍射造成光的偏折，就会增加损耗而改变腔的Q值。上海大学材料学院电子系声光调Q应用串联式多路声光调制器串联式多路声光调制器 声光效应演示仪声光效应演示仪 上海大学材料学院电子系染料调Q技术u染料调Q是指在谐振腔中插入染料，当激光器刚运转，发射光强很小时，染料的强烈吸收作用使Q值很低，上能级粒子数便能迅速积累；u当腔内光强增加到一定程度时，染料突然达到吸收饱和，对该波长的光成为透明媒质，从而谐振腔的Q值突然升高，产生激光巨脉冲。u染料成为光透明的过程称为染料漂白。u 由于漂白是暂时的，故染料可以重复使用。上海大学材料学院电子系开开始始泵泵浦浦 腔腔内内荧荧光光弱弱 吸吸收收系系数数大大 Q 值值低低 不能形成激光不能形成激光继继续续泵泵浦浦 腔腔内内荧荧光光变变强强 吸吸收收系系数数变变小小 荧荧光光达达到到一一定定值值时时，吸吸收收系系数数饱饱和和 染染料料被被漂漂白白 Q值突增，形成激光脉冲值突增，形成激光脉冲 泵浦结束泵浦结束染料调Q装置示意图染料盒内装有可饱和染料，这种染料对该激光器发出的光有强烈吸收作用，而且随入射光的增强吸收系数减小。上海大学材料学院电子系