主动激光调Q技术原理解读

5.4激光调Q技术普通的脉冲激光器,光脉冲的宽度约在ms级,峰值功率也只有几十kW.调Q激光器,光脉冲的宽度可以压到ns级,峰值功率也已达到MW.调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量压缩到宽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。调Q技术的目的：压缩脉冲宽度，提高峰值功率。一、激光谐振腔的品质因数QQ值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标——品质因数。1.Q值定义：每振荡周期损耗的能量谐振腔内储存的能量2Q2.品质因子Q与谐振腔的单程总损耗的关系光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为00exp()expacIIazIt总总上式可以改写为光子数密度的形式00()expexpcactNtNtN总chtNtI0)()(而体积为V的腔内存储的能量为：0)(VhνtNW每振荡周期损耗的能量为：caVhtNνWPc总)(0总aPWQ22调节Q值的途径一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。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，而是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的，如图(a)所示。每个尖峰的宽度约为0.1～1μs，间隔为数微秒，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦持续时间相等。图(b)所示为观察到的红宝石激光器输出的尖峰。这种现象称为激光器弛豫振荡。1.脉冲固体激光器的输出特性二、调Q原理产生弛豫振荡的主要原因：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，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，而发射激光。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，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。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。E1E2弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2来描述。它示出了在弛豫振荡过程中粒子反转数△n和腔内光子数Φ的变化，每个尖峰可以分为四个阶段(在t1时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数△n增长，但尚未到达阈值△n阈因而不能形成激光振荡。)图2腔内光子数和粒子反转数随时间的变化第一阶段(t1一t2)：激光振荡刚开始时，△n＝△n阈，Φ＝0；由于光泵作用，△n继续增加，与此同时，腔内光子数密度Φ也开始增加，由于Φ的增长而使△n减小的速率小于泵浦使△n增加的速率，因此△n一直增加到最大值。图2腔内光子数和粒子反转数随时间的变化第二阶段(t2一t3)：△n到达最大值后开始下降，但仍然大于△n阈，因此Φ继续增长，而且增长非常迅速，达到最大值。第四阶段(t4一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是△n又开始回升，到t5时刻△n又达到阈值△n阈，于是又开始产生第二个尖峰脉冲。因为泵浦的抽运过程的持续时间要比每个尖峰脉冲宽度大得多，于是上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小第三阶段(t3一t4)：△n＜△n阈，增益小于损耗，光子数密度Φ减少并急剧下降。2.调Ｑ的基本原理通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，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。这是普通激光器峰值功率(一般为几十千瓦数量级)。不能提高的原因。既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，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，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，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。QvAgn221阈总aPWQ22当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，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。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。总aPWQ22Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的Q值(或损耗a总)来实现。调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如右图所示。图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化；图(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)；图(c)表示粒子反转数△n的变化；图(d)表示腔内光子数Φ随时间的变化。3.Q开关激光器的特点（1）通过改变Q值——改变阈值，控制激光产生的时间。在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至t0时刻，粒子数反转达到最大值△ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ni△nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。调Q脉冲的建立有个过程，当Q值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数Φ增长十分缓慢，如图3所示，其值始终很小，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。图3从开始振荡到脉冲形成的过程只有振荡持续到t＝tD时，增长到了ΦD，雪崩过程才形成，Φ才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。（2）两阶段①储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值。ΦiΦD因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间△t(也就是Q开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使△ni迅速减少，到t=tp时刻，△ni=△nt，光子数达到最大值Φm之后，由△n＜△nt，则Φ迅速减少，此时△n=△nf，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(△ni=△nt)的时刻。ΦiΦD②激光产生输出忽略泵浦和自发辐射的影响。（3）开关时间从Q值最小变到最大Q值即损耗从最大变到最小需要的时间叫开关时间。开关时间对激光脉冲的影响很大，按开关时间的大小分为快、慢两种类型。谐振腔的Q值与损耗a总成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的a总值，就可以使Q值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染料调Q技术等。三、Q调制方法四、调Q技术关键动态损耗：Q开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证Q开关打开之前没有激光产生；插入损耗：Q开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最小，一般会引入反射及散射损耗；开关时间，Q开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间，将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭；同步性能，Q开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步。电光调Q一、电光晶体调Q原理•1.电光Q开关原理。利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。图4-27电光调Q装置示意图（1）第一阶段：积累阶段电光调Q激光器如图所示。未加电场前晶体的折射率主轴为z、y、z。沿晶体光轴方向z施加一外电场E,由于普克尔效应,主轴变为x‘、y’,z‘。令光束沿z轴方向传播,经偏振器后变为平行于x轴的线偏振光,入射到晶体表面时分解为等幅的x'和y'方向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折射率η’x和η’y。经过晶体长度d距离后,二偏振分量产生了相位差δVcvEdcvcvdxy63306330''22)(2图4-27电光调Q装置示意图式中η为晶体寻常光折射率;γ63是晶体的电光系数;V是加在晶体两端的电压，d为晶体在z轴方向的长度。当δ=π/2时,所需电压称作四分之一波电压,记作Vλ/4.图中电光晶体上施以电压Vλ/4时,从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后,沿x‘和y’方向的偏振分量产生了π/2位相延迟,经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又将产生π/2延迟,合成后虽仍是线偏振光,但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向,因此不能通过偏振器。这种情况下谐振腔的损耗很大,处于低Q值状态,激光器不能振荡,激光上能级不断积累粒子（这一状态相当于光开关处于关闭状态）。（2）第二阶段：脉冲形成阶段——Q开关完全打开在某一特等时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则偏振光的振动方向不再被旋转900，相当于光开关被打开，则谐振腔突变至低损耗、高Q值状态,于是形成巨脉冲激光。（这一状态相当于光开关处于打开状态）。1.有较高的动态损耗（９９％）和插入损耗（１５％）2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到秒，3.典型的Nd:YAG电光调Q激光器的输出光脉冲宽度约为１０-20ns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦4.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910二、电光调Q技术特点声光调Q一、声光Q开关器件的结构——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。图4-28声光调Q装置示意图二.声光调Q原理：当声波在某些介质中传播时,该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变,从而导致介质折射率的周期变化,形成等效的位相光栅,其光栅常数等于声波波长λs.光束射经此介质时发生衍射,一部分光偏离原来方向。当声波频率较高.声光作用长度d足够大,满足2sd时(λs与λ分别为声波与光波波长),如果λ射光与声波波面的夹角θ满足s2sin则透射光束分裂为零级与+1级或-1级(视入射方向而定)衍射光,+1级或-1级衍射光与声波波面的夹角亦为θ,如图所示。这种现象称作布喇格衍射,一级衍射光先强I1(或I-1)与入射光光强Ii之比为声光布喇格衍射衍射示意图)2(sin21iII式中Δφ是经长度为d的位相光栅后光波相位变化的幅度。2)2(2MPHdd式中Δη是介质折射率变化的幅值;d与H分别为换能器的长度与宽度;M是声光介质的品质因素;P是超声驱动功率。提高超声驱动功率可得到较高的衍射效率。声光调Q技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q任务。在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔具有很低的Q值，Q开关处于关状态；在某一特定时间，撤去超声，光束则顺利通过均匀的声光介质，此时Q开关处于开状态；声光Q开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成,常用的声光介质有熔融石英、锢酸铅及重火石玻璃等。声光介质表面粘接有由银酸鲤、石英等压电材料薄片制成的换能器,换能器的作用是将高频信号转换为超声波。声光开关置于激光器中,在超声场作用下发生衍射,由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加,从而使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场,则衍射效应即刻消失,谐振腔损耗突然下降,激光巨脉冲遂即形成。图4-28声光调Q装置示意图声光调Q开关时间一般小于光脉冲建立时间,属快开关类型。由于开关的调制电压只需100多伏,所以可用于低增益的连续激光器,可获得峰值功率几百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲。但是,声光开关对高能量激光器的开关能力差,不宜用于高能调Q激。染料调Q前面介绍的都是主动式调Q方法，即是人为地利用某些物理效应来控制激光谐振腔的损耗，从而达到Q值的突变。本节介绍被动式Q开关，即利用某些可饱和吸收体本身特性，能自动地改变Q值的一种方法。一、可饱和吸收染料的调Q原理利用有机材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性来达到调Q的目的。图就是染料调Q激