（精密仪器及机械专业论文）振镜式激光在线打标系统的研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

攮要 激光程线打标技术是一种新兴的激光加工技术，它具有加工效率高，不影响生产 线原有运行状态等特点。该技术近年来在园内发膳很快，僵丽国外静先进技术稻院还 有不少差距。 本文首先通过对程线打标需求的分析，研制了一台较先进的激光二极管泵浦 n d ：y a g 全淫态声先谖q 激光嚣。鼹稳貔条 粤法对璐体热焦距遴嚣了糕量。然轰缀会稳 腔条件，设计出幼念热稳性平行平耐谐振腚。通过实验得出：在三向侧面泵浦d p l 中， 遴避合理逡择泵潴参数使产垒静振荡光蔹逡子基攘模赢辫竞寨，驻绢显臻簸歉狰熬发； 将q 开关固定在振荡光束腰位簧附近，有望得到最理想的调q 激光脉冲。 为满麓在线打标的要求，对激光器和掇镜的关键参数的选择标准进行了详缁静介 绍，并对激光在线打标系统其它部分的设计作了说明。通过对系统楚体性能的分析及 打杯测试，该系统可满足对金属工件进行在线打标的需嚣，达到了预期目的。 关键诃：在线打标晶体热效应n d ：y a g 激光器声光调q 振镜 a b s t r a c t l a s e ro n - l i n em a r k i n gi san e w - d e v e l o p e d t e c h n o l o g yo fl a s e rp r o c e s s i n g i th a sal o to f f e a t u r e s ，s u c ha sh i g he f f i c i e n c y , u n t o u c h e dt ot h ep r o d u c t i o nl i n e i no u rc o u r l w y , i ti s d e v e l o p i n gq u i c k l y , b u ts t i l lh a sat o n gw a yt og oc o m p a r e dw i t l lf o r e i g na d v a n c e d t e c h n o l o g y a na d v a n c e da c o u s t i c o p t i cm o d u l a t i o nd i o d e l a s e r - p u m p e dn d ：y a gs o l i d s t a t el a s e r w a sd e v e l o p e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h er e a lm a r k i n g t h ef o c il e n g t ho f t h e r m a ll e n sw a s m e a s u r e dw i t ht h em e t h o do fc o n d i t i o no fs t e a d yr e s o n a t o r ad y n a m i c s t e a d yp l a n e r e s o n a t o ru s e df o rl a s e rm a r k i n gw a sd e s i g n e d ac o n c l u s i o nw a se d u c e db yt h ee x p e r i e n c e s ， t h a ti nt h r e e d i r e c t i o ns i d e d i o d e l a s e r - p u m p e dl a s e r s ，t h et i m et h a tu l t r a s o n i cg o tt h r o u g h t h ed i a m e t e ro ft h eb e a mo fl i g h tc a l lb eg r e a t l ys h o r t e n e d ，i fp u m p i n gp a r a m e t e r sw e r e p r o p e r l yc h o s e n , t om a k et h ev o l u m eo ft h eo s c i l l a t i o nb e a mv e r g eo nt h ev o l u m eo fb a s i c t r a n s v e r s em o d e lo fg a u s sb e a m ，s ot h a tt h ep u l s ew i d t hb e c a m eo b v i o u s l yn a r r o w i n a d d i t i o n ，i ft h eq s w i t c hw a sf i x e do nt h ep o s i t i o no ft h eb e a mw a i s t ，t h eb e s tq m o d u l a t e d l a s e rp u l s ec a nb eh o p e f u l l yg o t t h e c h o o s i n gs t a n d a r d so f k e yp a r a m e t e r so f t h e l a s e ra n d g a l v a n o m e t e rw e r ep r e s e n t e d t om e e tt h en e e d so fo n - l i n em a r k i n g t h ed e s i g n so fo t h e rp a r t so ft h es y s t e mw e r e p a r t i c u l a r l ye x p l a i n e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h es y s t e ma n dt h em a r k i n gt e s t so nt h em e t a l w o r k p i e c e s ，t h es y s t e mc a r lm e e tt h en e e d so fo n - l i n em a r k i n g k e y w o r d s ：o n l i n em a r k i n gt h e r m a le f f e c to fc r y s t a l n d ：y a gl a s e ra c o u s t i c - o p t i c m o d u l a t i o ng a i v a n o m e t e r i i 长春理王大常硕圭学位论文原剖镶声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文叛镜式激光在线打标系统的研究，是本 人在指鼯教师的指导下，独立进李j 二研究工作所取褥的成果。除文中已缀注明引用的内 容韩，零论文不包含任鳄其缝个人或集体己缀发表或撰写邋的作品成采。对本文豹骄 究做出黧要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全懑识到本声明 的法律然果由本人承提。 作者签名； 煮! 蜩丛u 月4 日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本鬻俊论文作者及指导教师党全了解“长器理工大学硕士、搏士学饿论文舨权使 用规定”，同意长春瑗王大学徐留_ 箨向国家有笑部门或机构送交学位论文的复印彳串和嗽 子版，允许论文被套阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容缡入专关数攒霹进季亍捡索，也可采用影毽】、缀印或熬撞等复制手袋保存帮汇编 学位论文。 作者签名： 盔里i丛零1 月卫霹 指导导师虢碴蟮砸年互乒日 l 。1 激光封耘技术溉述 笫章绪论 1 9 6 0 年，伴随着第一台红宝石激光器的问世，搬开了激光及其应用技术研 究的帷幕。4 0 多年来，以激光器为基础的激光技术得到了迅速的发展，现已进 入了工程化、商用化阶段。由于激光具有很好的单色憔、相干性、方向性和赢亮 度等不可比拟鹣缆点，已蔹广泛疯爝予工农业生产、遴谖、医疗、军事、秘臻等 各个领域，鼹避了这些领域懿技涞遴步，劳带来了蘸掰未有的发震。 激光打标怒在激光焊接、激光热处理、激光切害6 、激光打孔等应用按术之后 发展起来的门新型加工技术，题种非接触、无污染、无磨损的新标记工艺。 近年来，随着激光器的可靠性和实用性的提高，加上计算机技术的迅速发媵和光 学器件的改进，後缮激光打振技术获缮飞速发展。 激光努标麓穰雳毫戆量密度戆激宠束对垂稼终惩，使器蠡表瑟发生物遴凌亿 学的变化，从弼获得可见图案的标记方式f n 。高能量的激光束聚焦在材料波瑟上， 使材料迅速汽化，形成凹坑。随着激光束在材料表谣脊规律地移动同时控制激光 的开断，激光策也就在材料表面加工成了一个指定的图案。激光打标与传统的标 记工艺相比鸯明显的优点： f l 标记遮凄浚，字迹溥嚷、永久。 ( 2 ) 菲接触式加工，污染小，无磨损。 ( 3 ) 操作方便，防伪功能强。 ( 4 ) 可以做到高速自动化运行，生产成本低。 1 2 激光打檬技术瑷状 1 2 1 打标用激光器及其国内外发展现状 目前用于打标的激光器主要商n d ：y a g 激光器和c 0 2 激光器。n d ：y a g 激光 器产生懿激光旋被会疆和绝大多数塑料缀好地吸收，瑟显其波长短 ，2 f j 面+ o + 鼍。) ( 2 _ 3 ) 由式( 2 1 3 ) 可以得出，热焦距与棒半径的平方成正比，与泵浦功率成反比， 如果忽赂端嚣效黢，剡热焦距与棒长无关。对t n d ：y a g 撼体棒，由上或还可以褥 努，滋度分布猗健、熬应交光弹穗帮端蟊效斑三因素对总熬焦距豹贡献院饲约为 3 7 ：1 0 ：3 。 2 4 热焦距懿测量 激光高功率懑转时，激光晶体的热效应几乎影响到激光性能的各个方面，诸 如谐振腔的稳定性，模体积的大小和模式耦岔效率等。所以在设计激光谐振腔之 裁，确定激光晶髂热焦鞭戆大小裁成7 一个黪霉重要兹溺遴。熬焦距戆溅量方法 有缀多( 8 1 【“l ，如公式法、探测光束法、横模拍频法和c c d 照相法等。在这里， 我们选用了稳腔条件法对热焦距进行测量和计算，省掉了所有中间步骤，直接得 出】| 薅瓣要豹测量结渠。这种方法是从谐振腔款角度进行测潼计算豹，掰缮结果应 用予谐振腔静设计蔻最合适豹”。 2 4 1 理论分析 图2 5 内含热透镜的乎平腔示意图 阮门u 、-|j 芝砬 一 心一岛 ，+ ，nu 岛一最n 心 一 醚几 一 = ( 三三 一( 墨磊 p 手o ( 乏惫) ( 2 1 4 ) 则谐振腔参数为： q = t 爹t 噬= t 一 e 2 t s ， 由谐振腚的稳定性条件： 0 蔓g i g 2 1 ( 2 1 6 ) 虿魏， o a 一多酢一争) s l ( 2 - ，) ，j 当谐振胶的工作点从稳区转为非稳区的时候，上式会经过等号成立的点， 那么就可以邋j 建测量出五、之两个距离的数值，代入等号成立的上式，谶两求出 熬焦距f 霹。 实验中取 乏，所以毛可以忽略，把如2 0 代人式( 2 1 7 ) 中得到 吲1 _ ) l ( 2 1 8 ) 又嚣为，鸳太予0 ，繇蔽涎! ， ( 2 ，1 9 ) 由上式可得，在平行平面腔巾，谐振腔稳定工作时，热焦距，必须大于或等 于，在谐振腔从稳区走向非稳区的过程中，处于临界状态时，的大小即为热 焦距静大小。 2 4 2 热焦距的测量 在热透镜效应比较弱的时候，谐振腔总是处于稳定区内，所以为了然到从稳 定区到非稳睡的转变的目的，可以通过增加泵浦功率，即增强热透效应，减少热 选厂 乏叠， 弘 卜 ，三厂 = 、t， 1 l o ， 、， o l ，一厂 l 一 ，。l 、ij 乏1 l o ， i | 焦距，也阿以通过增大谐振腔的长度，以达到谐振腔从稳区到a # 稳区的转变目的。 采用平行平面谐振腔，首先确定泵涌功率和一个数值较小的如( 本实验中1 2 的值定为5 m m ) ，调节谐振胺使输出光最大，然后连续调节 直至输出为鬻，此 时的值即为测得的热焦距的大小。改变泵浦功率的大小，连续测麓不同泵浦功 率印下翡燕焦g 移静大小。掰得数据如表2 * l 耩示； 表2 - 1 平平腔的热焦距 ，( a ) 2 0 2 5 2 6 2 82 9 e p ( w ) 2 2 92 8 83 龆3 2 7 3 4 0 矗r a m ) 5 3 84 l o3 6 53 2 02 9 0 当然，这种测量方法虽然有其优点，但也存在偏麓，主要原因是：( 1 ) 谐 摄黪存寝振荡溪篷。( 2 ) 乎嚣平甏谐振腔豹谖萤精度要求麓，缀难达型理想豹 调节精度。 2 5 本童小结 本章介绍了n d ：y a g 晶体的物理性质，分析了用l d a 三向侧面裂清时的温度 分布特性，并介绍了由此产溅的热透镜效应。用稳腔条件法对热焦躐进行了测量， 该方法从谐振黢熬惫壤进行测量诗算懿，省去了孛澍步骤，囊接德出测鬃结果， 比较准确，适合用于动态谐振腔的设计。 第三章l d 泵浦n d ：y a g 激光器谐振腔的设计 激光的产生包含聪个方面的内容：( 1 ) 光的受激辐射放大；( 2 ) 光波模式 的选择。光的受激辐射放大主黉由增箍介质秘泵浦系统实现，丽光波模式的选择 则要娃j 激光谐振腔的结构来熨现。激光谐振腔有两个方面的作用，一方面是提供 光学蔽馈能力，另一努嚣弱怒辩麓两振荡先聚的频率秘方囱产生限蠲，夯帮辩振 荡波激的数目产生限制。 对手竞波嚣言，荚渡长辍短，霞魏鋈体激光器一般采溺费教式煞谐振整。根 据几何偏折( 逸出) 损耗的高低，开放式光腔可以分为稳定脓、非稳腔和介稳腔 三类； ( 1 ) 稳定瞪一如果在某类光腔中可以存在这样的傍轴模，它们可以在腔 内多次传播霹不逸出黢终，则戏为稳定理。这类腔垂冬波导限铡能力魄较弱，竣出 光束发散角较大，但损耗小，调整精度要求较低，主要适于中、小功率激光器。 ( 2 ) 余稳粒这类黢瓣波形嫩制能力比较强，可获褥发教角撞当小嚣模 场均匀性又比较好的输出光束，适于各种类型的激光器系统。 ( 3 ) 非稳腔如果傍皴模经过少数几次传播勰逸出黢终，即鸯很高的几 何光学损耗，则称为非稳腔。这类腔的波型限制能力比较强，输出光束发散龠较 小，缎损耗较大，且须采用侧面逸出输出耦会，因此主要适用于高增益大口径激 光器系统h “。 3 1 共轴球面腔的稳定性条律 程激竞技笨该竣，广泛罴稿由两浚其奔公共辘线鸯冬球面镜梅成鹃谐振整，弦 为共轴球面腔；其中个( 或两个) 度射境为平面的腔是这类腔的特例，因此我 霞先分辑善逶共辘球鼗耱豹稳定牲。 r l 和0 l 到达m 2 上，在m 2 境面上发生魇射，镜面曲率半径为r 2 ，之厝光 线又扶氧龟葶亍避到m l ，熬爱又在m l 上发生爱翦，麓垂乏，光线在黢内宠戏一次 往返。有几何光学传输矩阵可得其总的坐标变换 ( 洲一o 哏。1 * o 呗。1 蒯 t ， 按矩阵乘法规则，可以求出 1 4 c a = 毒i - 2 l , 扣b = 2 1 ：岳0 - 喜) 争争一静 2 ，c 一专+ 扣静肚州一争一静 一 一r 一 匿3 - 1 光线程获轴球面腔中的筱遐传播不葸图 光线在臌内经1 1 次往返的变换关系以矩阵的形式表示为 ( 乏 = 譬熊) _ 去( 觚m n 妒- s l n 尹( n 。1 弦溉妒b s i n 如n 妒，施 = 陋象) ( 三) 式中妒一a r c c o s 寺( a + d ) ( 3 4 ) 要使傍轴光线在腔内往返经意多次丽不致横向逸出腔外，则以要求变换矩阵 戆蚤令元素a 。、毽、c 。、d n 对经意篷n 蚜保持蠢羧。这翔缝惫争瘦为实数置 不为艇，k = 0 ，1 ，2 。这样，由式( 3 4 ) 有 壹( 一+ d ) 】2 1 ( 3 5 ) 或 一l 主( a + 功 l ( 垌 代入a 、d 缮 吲卜知一寺d a ， 引入g 参数可将上式写成 0 为勘 l 3 8 噜) 蜀小砉，9 22 l 一酉l ( 3 8 - b ) 这就是捉轴球面腔的稳定性条件。 3 2 有源谐振腔a b c d 矩阵及其对谐振腔稳定性的影响 3 2 1 有源谐振腔a b c d 矩阵 上节讨论了一对腔镜构成的无源谐振腔的a b c d 矩阵，分析了共轴球面腔的 稳定性条件。当在光腔中插入激活介质n d ：y a g ) 岳，激光晶体的热效应可用腔内 含有一个薄透镜来进行一级近似，如图( 3 2 ) 所示。r 1 、r 2 是m l 、m 2 镜的曲率半 径，上i 、如是到两镜面的距离，f t 是透镜的焦距，l = l j + l 2 是两镜面距离。其 往返传输矩阵为： ( 三匐= 一0 。 ( 。1 ( 一0 ( 。1 一笔0 t ( 。1 一0 ( 。1 图3 - 2 含热透镜的谐振腔 令厶：厶+ 厶一刍争，为谐振腔的有效腔长，根据共轴球面腔的稳定性条件： ， 一1 三( 4 + d ) 1 ，可得：o 岛 1 ，其中： 纠一隽专 9 2 = 1 l j l ：一鼍 ( 3 1 0 ) 为有源谐振腔的g 参数。当谐振腔处于基模运转时，腔镜m l 和m 2 上t e m o o 模的光斑尺寸可以表示为 1 6 w i 2 等点g lg 1 9 2 ) 】l 2 万l l 一 砑= 警而】l ，2 3 2 2 有源谐振腔热稳定性分析 ( 3 1 1 - a ) ( 3 1 1 - b ) 在我们的设计中谐振腔采用平平腔【1 8 】，m l ，m 2 为平面反射镜，r i 0 0 ，飓一。， 即 g l = 1 一f - 务 9 2 = lf r 。 ( 3 1 2 ) 由谐振腔的稳定性条件： 呱9 2 = 1 - 办1 一务+ 等d 如前所述，泵浦功率p i 。越大，热透镜焦距疗越小，热效应愈严重。故在m 2 为输出镜时，阡乏不变意味着激光输出模式稳定2 2 1 。为了使n d ：y a g 在不同的 输入泵浦功率，或在谐振腔的轴向出现微扰时，激光器能输出稳定的模式，要求 盟：o 。 诉 式( 3 11 - b ) 对石求导并整理得： 2 蜀一+ 鲁c 鲁，2 + 2 9 2 鲁2 。 这就是d p s s l 激光器输出模式热稳定应满足的充要条件。 上2 之间的关系。 令x = 万1 ，贝| j 雾- o 和下式成立条件帆 d w 2 ：o d x 因为o ，放下式与式( 3 1 5 ) 等价。 巫：4 孵巫：0 d xd x 1 - g 。g ：= ( 厶+ 岛) x 一厶上2 x 2 ( 3 1 4 ) 下面确定三，和 ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 1 7 ) 鼍；? ：一譬吁犏 嘞 ：芷垒二垒生f 墨垒二垒是生 由上式可得：( 1 - 2 厶算) 时= ( 1 一三2 ) ( 厶+ 如一上l 厶x ) ( 3 1 9 ) g 一2 乏砖嘭= 鲁( 一麓一2 五乏+ 2 垦x ) ( 3 2 0 ) z ：坠三垒2 兰! 刍刍! ! 墨二垒2f 3 2 荔 输出激光模式满足热稳定性的一个必要条件吲。【2 5 1 。 3 。3 鸯源港缀麓结捣及参数设计 综合前耐几节的分析，我们在确定d p s s l 谐振腚的参数时应符合谐振腔的 振荡稳定条件( 0 g t 9 2 1 ) 和输出激光模式的热稳定性条件( 厶三2 ) ，采用 平平腔结构，嫩i 平蘑镜对1 0 6 4 n m 激光镀全反射膜；m z 平强镜对1 0 6 4 n m 激光 帮务透襞；m l 耱m 2 翡镜瑟瑟经d = 6 m m 。由予平平谚叛薤孛，对豫黢瓣稳区 宽度比非对称腔的稳区宽度要长l 溯，因此，我们选用对称放置谐振腔镜( 即 三1 三2 ) 。选用的n d ：y a g 棒尺寸为：中3 x 6 5 m m ；激光棒在l d a 输出最大泵 浦功率1 8 0 w 时热透镜效应等效熊g e f t = 2 9 0 m m ，以棒的几何中心为计簿起点， 二板管阵列的谢效泵浦长度为3 0 m m 。 在潢是乎乎膝戆稳定注条传下，港纹疑激光器工佟豹动态稳定牲考纛嚣不考 虑光束质量的情况下，一般采雳动态稳腔条俘【2 7 l f 2 辫： 鞠9 2 ：1 ( 3 2 3 ) 鞠9 22 j 【土 来设计谐振腔参数。已知三1 = 2 ， = 2 9 0 m m ，由式( 3 1 2 ) 和( 3 。2 3 ) 得：上l = 2 l s m 8 5 m m 。嶷然这符合谐振腔的振荡稳定条件和输出激光模式的热稳定性条件。 由( 3 1 1 ) 式可以算嫩在两谐振腔镜上的基模光斑尺寸：w t _ - o 2 4 5 6 m m ，w 2 2 0 。3 6 1 3 m m 。濒设计豹谐振羟凭 霉绩擒霭3 - 3 掰示。 i i l 攘莲：戳 蓑2 i 鬈= 篙= f 一 1 。j j 一 拳黑翩 l 毒 毒 蠢 毒 l d _ k 一 图3 - 3 有源平平谐振黢结构图 其中的关键元律l d 泵清n d ：y a g 模块豹横截瑟如图3 - 4 所豸毒： 图3 - 4l d 泵浦n d ：y a g 模块的横截面图 3 4 输浅镜最佳透过率的设计 教冷热沆 砖却承富 l i d ：y g 晶体 = 摄曹盛硼 当输入不变时，能获得最大功率输出耐的输出镜透过率称为最佳透过率，用 t m 表示。 对连续工作的四能级系统，有 5 毒南碱瑚 ( 3 2 4 ) 2 口e + 1 1 1 土 圪2 _ ( 3 2 5 ) 足? 苁 彳加。如 、7 其中，畸、v 。分别为输出激光频率和泵浦光频率；t 为输出镜透过率 = 1 - e - 2 “为q - 作物质内部损耗，a 为工作物质损耗系数，上为工作物质长度， 和为光一光转换效率，p 拥为泵浦功率，泵浦阈值功率，k 是反应各种转换效率 的综合泵浦系数，0 2 l 为发射截面，a y o a - 作物质横截面面积，a 2 ，为自发辐射机率。 当r l ，2 0 l 0 ，所以 咒= 4 2 k , a p = 一 ( 3 3 1 ) 由式( 3 3 1 ) 可知，输出镜最佳透过率是输入功率和阈值( 激光器泵浦阈值 与k 成反比) 的函数，输入功率越大，越大；k 越大，阈值越小，t m 越大。 把所f f n d ：y a g 棒参数直径为3 m m ，长度为6 5 m m ；0 2 l = 2 7 8 8 x 1 0 _ 2 0 e m 2 ； r f = 3 3 ；a = l f 0 ，a 2 ，s o 0 5 ，h = 6 6 3 x 1 0 3 4 j s ，w = 3 7 1 3 1 0 “s ，代入式( 3 2 6 ) 得：k = 2 1 1 0 一3 ，w 。a = 0 0 0 5 c m ，所以f l = 2 a l = o 0 5 ，尸k = 1 8 0 w 代入式( 3 3 1 ) 得；= o 1 2 ，考虑到激光器的其它损耗及实际应用情况，t m 寇为1 5 。 3 5 本耄小结 本章详缁介绍了谐振腔的稳定住条件，并用a b c d 矩阵理论计算彳鳟出平行平面 谐振腔稳定条件下，腔长之间以及与热焦躐之间的关系。利用前一章测得的热焦 距数据，设计出一种工业激光打标绡的动态热稳往平行平藤谐振腔；并焉公式法 估算了谐振腔输出镜的最佳透过率。 2 l 第四章声光调q 技术 通常的连续脉冲固体激光器谐振腔的损耗是基本固定不变的，当光泵浦使 反转粒子数达到或略超过阈值，激光器谐振腔内就形成了振荡，上能级的粒子数 会因为受激辐射而减少，上能级粒子数不可能积累较大而只能被限制在阈值反转 粒子数，因此其输出的峰值功率不可能太高。为克服在自由振荡情况下激光输出 峰值功率低、时| 日j 特性差的缺点，常采用调q 技术以获得短而强的激光巨脉冲输 出。“调q ”就是采用一定的技术和装置来控制激光器谐振腔的q 值按一定的规 律变化，将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而改善激光脉冲的功率和 时间特性的目的，使光源的峰值功率可提高几个数量级。在泵浦开始时使腔处于 高阈值状态，不能形成振荡，上能级的反转粒子数大量积累，当达到最大值时， 突然将闽值降低损耗减小，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反 转粒子数被消耗并以单一脉冲形式释放出来，从而获得峰值功率很高的巨脉冲。 调q 技术自从1 9 6 2 年问世以来发展极为迅速，目前可以获得脉宽为纳秒数量级， 峰值功率在i o m w 以上的激光脉冲。 把声光q 开关插入谐振腔内，当声光电源产生的高频振荡信号加在声光器件 的换能器上时，在声光介质中形成了等效的相位光栅，当光束通过此声光介质时 产生布拉格衍射，衍射光偏离了o 级光而无法在腔内形成振荡。当去掉加在声光 器件上的高频振荡信号，声光介质中的超声场消失，谐振腔处于高q 值状念，相 当于q 开关打开，q 值交替变换一次就输出了一个q 脉冲。 4 1 声光调0 基本原理 4 1 1 声光调制的物理基础 超声波是一种弹性波，在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从 而激起介质中各质点沿声波传播方向的振动，引起介质的密度呈疏密相间的交替 变化，从而介质的折射率也随着发生相应的周期性变化，这如同介质变成一个“相 位光栅”，声光栅常数等于超声波的波长丑。( 行波场的光栅常数丑，驻波场的 光栅常数1 2 丑) 当光波通过此加有超声波场的介质时，就会发生衍射效应。衍 射光的强度、频率、方向等都将随着超声场的变化而改变【2 9 1 。 声波在介质中的传播分为行波和驻波两种形式。在调q 激光器中，使工作物 质储能在很短时间内以单一脉冲发射，即q 开关必须在短于激光脉冲建立的时间 内完成由低q 德到高q 值状态的转变，由于行波场消除较快，开关时间逶于调q ， 驻波场消除慢而不适于调q ，因此，在调q 激光器中用的是行波声光调制器。 在行波声场作用下，介质折射率的增大或减小交静变化，并以声速向前推进， 由于声速远邋小于光速，所以对毙波来说，运动的声光栅可看作在对阅上不变， 空霾上是交纯瓣。 设声波的角频率为哆，波矢为，则声波的方程为或 a ( x ，r ) = a s i n ( c o , t t x ) ( 4 1 ) 式中a 为介质质点的瞬时位移，a 为质点位移的振幅。可近似认为介质的折 射搴变 ：歪毙鼍：余囊质点 酝方囱德移豹交往率，甏 a n ( x , f ) 。c 睾= - k , a c o s ( r o , t g x ) ( 4 2 ) t x 或a ( x ，r ) = a 船c o s ( q f 一屯x ) ( 4 3 ) 则声光介璇中的折射率为： 戤，磅= n o + a n c o s ( r o , t - g x ) ( 4 4 ) 4 i 2 声光互作用类型 按照声波频率的高低以及声波_ 和光波作用长度的不问，声光互作用可分为拉 曼。魏赣舔射秘垮拉耪袈射两穗类懋。 ( 1 ) 羧羹纳簸衍射 当超声波频率较低，光波垂溉于声场传播方向，声光互作用长度较籁，形成 相位平面光栅，衍射光对称地分布在零级衍射光两侧，且同级次衍射光的强度相 等，这种衍射称为拉曼纳斯衍射。衍射角 s 融黟= 搬 ( 4 。5 ) 噍 式中，m 踟，l ，士2 ，五， 分别为光波和声波的波长。各级衍射光强为： 厶：，o 以2 f 2 7 r a n l ) ( 4 6 ) ( 2 ) 毒挝猿辑麓 当超声波频率较高，光柬与声波渡蘑藤爨一定瓣麓发斜入射，光波在奔质中 要穿过多个声波面，长的相互作用，形成体光栅，当入射光与声波面间夹角满足 一定条件时，各级衍射光会相互干涉，各高级衍射光将互相抵消，只出脱o 级和 + l 级( 或一1 级) 衍射光布拉格衍射。布拉格衍射分为正常和异常布拉格衍射两 种。在各向同性介质中，入射光和衍射光的波矢相等( 偏振方向相同) ，称之为 正常布拉格衍射；在各向异性介质，入射光和衍射光的偏振方向不同，称之为异 常布拉格衍射。 正常布拉格衍射情况下的布拉格方程为 s 抽易2 矗 4 7 ) 式中q = 吃= 岛，岛为布拉格角，五为声波的波长。 衍射光强： 纠咖2 k 肛 s ， 式中，作用在声光介质上的声功率，三、h 分别为声光介质的长和宽，m 为 声光介质的声光优质。当足够大时，衍射效率可以达到1 0 0 。 4 1 3 声光调q 的基本原理 对于谐振腔长为l 的激光器，其品质因数q 值可表示为 q ：_ 2 r c n l ( 4 9 ) 地 式中n 为腔内介质折射率，九为真空中的激光中心波长，为单程损耗。当工 作物质和激光器腔长一定时，q 仅与激光单程损耗率，成反比。谐振腔的损耗一般 主要包括反射损耗、衍射损耗、散射损耗和吸收损耗等。 如果在激光器开始泵浦时，将高频信号作用到声光q 开关上，此时q 开关处 于衍射状态，即整个谐振腔处于低o 值高损耗状态，振荡无法形成，上能级的反 转粒子数大量积累；当积累到最大值时，突然去除作用在q 开关上的高频信号， 谐振腔的损耗突然减小，q 值突增，激光振荡迅速建立起来并在极短的时间内上 能级的反转粒子数倍消耗而转变为单一脉冲形式将光能释放出去，脉冲建立过程 如图4 1 所示。 个 籁 m 梨 恕 蛙 翟鳊；。 一一j fl | 图4 - 1 连续声光q 开关激光脉冲建立过程 4 2 声光调q 激光器的速率方程 4 2 1 声光调q 激光器速率方程 由于调q 激光脉冲宽度很笮，故征调q 激光脉冲彤成过程，尢论工作物质原为 三能级还是四能级，其行为表现均与三能级相同。设q 开关打开前不存在自发辐 射，q 开关打开后光泵浦立即停止，q 值为阶跃式变化，q 值阶跃变化时工作物 质内已贮存了m 个反转粒子数，q 值阶跃后光子在腔内的平均寿命为t ，则腔内 总光子数随时间的变化率为 罂：m ( g 三一土)( 4 1 0 ) d t ，l t 在激光器增益等于损耗的阈值条件时，掣：0 ，得阈值增益系数为q 。 “i g f = 参 ( 4 1 1 ) 令r = 扣以得i d a p 叫若_ 1 ) 2 ) 而叉 g f = c r 2 ， ( 4 1 3 一a ) g = q 1 n ( 4 1 3 b ) 式中，。为工作物质中粒子( 原子、分子溅离子) 的受激辐射截面，和分别为 工作物质中反转粒子数和阈德反转粒子数，将式( 4 1 3 ) 代入“1 2 ) 式褥： 譬：审( 导一1 ) 4 “) 瘢 、j 7、 对于三能级系统，每产嫩一个光子，由于激光上能级的粒子数减少一个，而下 能级粒乎数将增加一个，总效果使反转粒子数减少两个又因为调o 过程持续时问 不超过儿十纳秒，在如此缀啦时闻内，自发辐射和泵漓激励对于反转数的影响可 忽殪，粼爱转蔽子数疆露麓交鼗率方程霉写秀 警= 之面芳 刚s ， mn 、? 式( 4 1 4 ) 、( 4 1 5 ) 即为调o 激光器的速率方獠。 4 2 。2 满q 激光嚣速率方稷豹解 ( 1 ) 调q 激光器腔内光子数 当f 时，激光增益火于损耗，光子数不断增加：当n 时，增益小于损耗， 光子数开始减少。酝以，姿= 够时光子数达皴大篷唾搿。设调q 邀程中q 建阶跃 雕开始辩。腔内裙始光予数近似为0 ，裙始爱转粒子数最大。将焱( 4 。1 4 ) 豫浚式 ( 4 1 5 ) 并利用分离变量两边同时积分可以得到涧q 脉冲激光器腔内光子数的表示 式。腔内光子数的最大值 卟等案卸2 ( 4 1 6 ) 国上式可以看出，提商窃始反转粒子数m 与闽值反转粒子数m 之间的比值 可以提商腔内光子数的最大值中。 ( 2 ) 调o 脉冲的脉冲能爨 w 簿n 嚣等久懿著律罄受攘导出了速率方獠熬孵， 式表示q 开关激先器翡输掇艉量： 露= 面h v ah c 1 n ( 务 壤攮该著终，霹以嚣熏下 ( 4 1 7 ) 式中，j j i ，为光子能量，a 为有效光束截面积，t l r 为受激发射截面，为反转 减少因子，r 为输出镜反射率，为激光振荡终止时的反转粒子数密度( 通常 情况下 口r ) 。 激光脉冲的能量是由受激辐射过程中消耗反转粒子数提供的，因此，q 脉冲 的能量又可以表示为： e = 寺( m 一，) h v v ( 4 1 8 ) 式中矿为工作物质的体积。 ( 3 ) 调q 激光器的峰值功率 当腔内光于数为。时，透过输出反射镜的激光脉冲的功率也达到峰值，峰 值撼 = 等喃卧f 【1 札如 9 ) 式中，是工作物质长度，l 为光子在腔内的往返一周的时间。 ( 4 ) 调q 激光器的脉冲宽度 由调q 激光器的速率方程( 4 1 6 ) 和( 4 1 5 ) 式可以得到 d t = 二二_ 。d n ( m ，一1 ) 2 ( 4 2 0 ) 对( 4 2 0 ) 式两边进行积分 出= f d t = ：而静 ( 4 ) ( 4 2 1 ) 式仅表示激光脉冲的一段时间。 4 3 三向侧面泵浦固体激光器中影响声光0 开关效果的因素分析 声光q 开关插入损耗低，重复频率高，是高重复频率d p l 的首选调q 器件p o j 。 d p l 区别于传统灯泵浦固体激光器的一个显著特点是其泵浦光的可控性。通过合 理控制和选择泵浦光参数，提高振荡光和输出光性能，该技术在端面泵浦d p l 中 已得到成功运用。在l d - _ - - 向侧面泵浦n d ：y a g 激光器中，实验发现声光q 开关在 不同谐振腔以及在同一谐振腔中不同位置时，输出激光脉冲的能量和时间特性不 同，通过对该现象的讨论，明确了振荡光对输出激光脉冲的影响规律，进一步分 析了泵浦光分布对声光调q 效果的影响。 4 3 1 调q 效果与声光q 开关插入位置关系实验 实验光路如图4 - 2 所示，其中n d ：y a g 晶体左端面镀1 0 6 4n f n 激光高反膜， 右端面镀1 0 6 4 n m 激光增透膜，尺寸3x 2 01 1 1 1 1 0 ，被互成1 2 0 。的3 个间断条状激光二 极管阵列侧面泵浦。声光q 开关厚度3 0 m m ，凹面输出镜m 的曲率半径r = l m ，对 1 0 6 4 n m 激光的透过率t = - 1 5 ，脉冲重复频率矿= l o k h z 。 图4 2n d ：y a g 激光器声光调q 实验光路图 取腔长为8 5m m ，将q 开关依次放在距离输出镜几个不同的位置：三= 7 m m ， 1 3 m m ，1 7 n l n l ，2 2 m i n ，测量各位置的连续输出功率昂，调q 平均输出功率p 和 脉冲宽度f ，用测量的数据通过式( 4 2 2 ) 和( 4 2 3 ) 计算脉冲峰值功率k i 1 ：1 谓j q 效率r 。脉冲宽度、脉冲峰值功率和调q 效率随q 开关中心到输出镜距离变化曲 线如图4 - 3 所示。由图4 3 看出，q 开关中心距离输出镜3 2 m m 附近时，脉宽最窄， 峰值功率最高，调q 效率最大。越远离该位置，脉宽越宽，峰值功率越低，调q 效率越小。 己。= p ( f x f ) ( 4 2 2 ) 一 ， r l = ( 4 2 3 ) q 开关中心到输出镜距离，蛐 3 l | 2 9 拦 叠z ， 髫2 5 2 02 53 03 5 4 0 q 开关中心到输出镜距离m m 08 4 槲0 8 2 季0 8 0 陬0 7 8 0 7 6 q 开关中心到输出镜距离蛳 图4 - 3 腔长$ 5 m m 时脉宽、峰值功率和调q 效率随q 开关位置变化 再取腔长为1 1 0 m m ，同样将声光q 开关分别放在距离输出镜几个不同的位 置：l = il m m ，2 0 r a m ，3 3m l n ，4 3 m m ，测量各位置时的连续输出功率功、调q 平均输出功率尸和脉冲宽度r ，用测量的数据通过式( 4 2 2 ) 和( 4 2 3 ) 计算脉冲峰 值功率和调q 效率。从实验结果看出，q 开关中心距离输出镜4 8 m m 时，脉宽有极 小值，峰值功率和调q 效率有极大值。远离该位置，脉宽变宽，峰值功率降低， 调q 效率增大。 4 3 2 实验结果分析 激光二极管三向侧面泵浦时，增益介质内任一点泵浦光强是3 个方向泵浦光 强在该点的叠加，增益介质横截面内泵浦光强分布不再是基横模高斯分布，产生 的振荡光也不再是t e m 0 0 的高斯光束【3 ”，因此不能用传统的谐振腔计算方法计算 腔内束腰位置、束腰半径和任意位置处的光束半径。在这里用实验测得的输出激 光束参数通过光线传输矩阵推算出腔内光束参数。 腔长为8 5 m m 时，推算出腔内各处光束半径随该位置到输出镜距离变化如图 4 - 4 中虚线所示。束腰半径为0 6 4 0 1 m m ，束腰距输出镜3 1 1 6 9 6 m m ，该距离接近 实验中脉宽最窄、峰值功率最高、调q 效率最大时的q 开关中心位置( 3 2 m m 处) 。 图4 4 谐振腔中各处的光束半径 如果将三向侧面泵浦时n d ：y a g 晶体的热效应等效为一个薄透镜，则可依 据实验测得的输出激光束参数通过谐振腔光线传输矩阵反算出该等效热透镜 距。由此计算出振荡光束腰到输出镜的距离为3 1 4 5 5 3m m ，t e m o o 振荡模束腰 半径瓯= o 2 4 3 m m ，同时计算出腔内任一位置处t e m o o 横模光斑半径显然束腰 位置的计算值非常接近实验值，但束腰半径的计算值小于实验推算值，这是因为 三向侧面泵浦时谐振腔内存在多横模振荡，产生的是多阶厄米高斯光束，各 阶振荡光束束腰半径相差较大对t e m 。0 或t e m o 。模，束腰半径。或。与t e m o o 模束腰半径n k 存在关系式【3 副 q o = c o o 。= ( 2 村+ 1 ) “2 。 ( 4 2 4 ) 将前面计算出的t e m o o 模束腰立i 童径和实验推算出的束腰半径值代人式( 4 2 4 ) ， 褥n , - - 3 ，说明谐振腔内最高阶振荡横为琵m 或t e m 3 8 ，计冀其在腔蠹务位置处的 必索半径夔该篷鬟到输篷镜篷饔交纯夔线魏疆4 - 4 巾豹实线掰示，鸶蜜验推算趁 线一致。 运用前文的热透镜焦距，计算腔长为1 1 0 m m 时腔内光束束腰到输出镜的距离 为4 5 2 5 3 4 m m ，靠j 疆实验中脉宽最小、峰值功率最简、调q 效率较大时的q 开关 巾心霞萋4 8 m m 。囊鼗褥出结谂：娄q 器关孛；1 5 , 霞予振荡光素簇位萋瓣避时，调q 效果最好。 由调q 理论w 娴【3 3 】，初始反转率点子数m 与阈值反转粒子数m 的比值i v 1 是描 j v 。 x ， 述激光基蒎洚麴鬟蔡参数，当越犬，簸i 孛峰篷凌攀麓舞，瑟 孛宽发怒搴。因魏 a f 粳设计调q 激光器时。用尽可能大的裂浦功率来增火峰值功率，采用q 值突变量 犬的q 开关，并选用高效率的激光z 作物质和合适的谐振腔结构使脉宽最小。对 声光调q 激光器，巍泵滤功率增加劐与衍射效率相邋斑熬值时，腔内羧耗小于增 麓，0 牙关“关不鞭”，霹戮振荡密巍，毽褥不羁毫蜷穰功率、窄歉宽瓣输窭激竞 脉冲。只有在提简声光q 开关衍射效率，增加衍射损耗下才能迸一步增加泵浦功 率以获得较高的输出峰值功率和较窄的脉冲宽度。 声光调q 是基于声光布拉格衍射原理当入射光线与声波面夹角满足条件： 黟= 筑= a r c s i n ( 2 五)( 4 。2 5 ) 时，入射光的能量将全部转移到某一级衍射方向，q 歼关衍射效率达极大值，调 q 效果最好。式( 4 2 5 ) q ，岛为器件的布拉格角，五和以分别为振荡激光和声波波 长。 实验掰爱豹q 歼关，激竞束耋纛入莉辩正磐满怼匆拉旗条搏，邋鼗只有在束 腰处的激光束才能以布拉格角入射，有可能达到最佳调q 效果。距离柬腰越远， 光束中满足布拉格条件的部分越少，衍射效率越低。因此q 开关越靠近柬腰位置， 衍射效率越高，调q 效果越好，脉冲峰值功率越高。同时，随着q 开关靠近束腰 豫鬟，辘乡 激光遴i 鎏q 开关兹光程缀短，q 牙关鼹光懿吸收减少，捶入缓耗降 氐， 输患功率提高。另外，q 开关越靠i 穗柬疆位置，光束嶷径越小，超声波通过光束 赢径的渡越时间越短，脉宽就越窄。 4 3 3 泵浦光分布对调q 效果的影晌 水漉 i m r $ k r i n d ：y a g 玻璃智 图4 5 三向侧面泵浦结构不意图 根据前文的实验和分析可以判断出，只有激光器在基横模运转时，才可能有 最好的光束状态。但在多向侧面泵浦形式中，由于泵浦光空间分布的复杂性，纯 粹的基横模振荡很难实现。侧面泵浦时，激光二极管阵列沿晶体轴线方向排列 成间断条状激光二极管阵列。由于它们排列密集，泵浦光沿晶体轴线方向近似呈 线状排列，因此在与晶体轴线方向垂直的横截面内，认为泵浦情况相同。对图4 5 所示的3 个激光二极管( b a r ) 的发射光轴互成1 2 0 0 泵浦的情况，各点泵浦光强是3 个 b a r 在该点光强的叠加3 4 i 。 这时谐振腔中振荡光不再只是t e m o o 圆高斯光束，近阈值条件下其3 个低阶 振荡模的归一化光场分布函数分别为： m m 模： c 墨弘z ，= ：z ：丽唧 之c 乏孑) 例m 槐s i o ( x , y , z ) 2 南 x p l 之c 艺# ) j 删撒s o l ( x , y , z ) = 面8 而细卜艺孑) j z s ， 式( 4 2 6 ) q b 的n ( z ) 为t e m o o 在z 处的光束半径。 、 褂 嚣 习 臻 图4 - 6 泵浦光束腰半径和n d ：y a g 晶体半径对输出功率的影响 图4 6 为近阈值条件下3 个低阶振荡模的空腔输出功率随泵浦束腰半径和n d ： y a g 晶体半径变化的数值计算结果。从图4 6 看出，近阈值时的输出模式主要有 t e m o o 模和t e m l o 模。特别当泵浦束腰半径大于0 0 9 m m 或晶体半径小于1