激光原理之调Q技术

1 激光原理与技术 激光技术部分 调Q技术 2 1概述 调Q技术是将一般输出的连续或脉冲激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射 从而是光源的峰值功率可以提高几个数量级的一种技术 非线性光学 强相干光与物质相互作用激光医学 激光加工 需要高功率 窄脉宽激光光源 激光测距 雷达 提高测量精度 2 1概述 激光器的弛豫振荡对四能级系统 速率方程可以写为 增加泵浦功率只能减少提高尖峰的间隔 增加尖峰频率 不能减少激光脉宽 也不能增加激光器的峰值功率 2 1概述 调Q基本原理 一 品质因数Q值的定义调Q技术是通过某种方法使腔内Q值按一定程序变化的技术 Q低则抑制激光产生 使粒子在上能级积累到一定程度后提高Q值 建立激光振荡 形成巨脉冲输出 2 1概述 调Q基本原理 二 2 1概述 实现调Q对激光器的要求工作介质抗损伤阈值要高 上能级寿命要比较长泵浦过程使上能级粒子增加 在没有产生受激辐射的情况下 自发辐射使上能级粒子减少 当两者平衡时就是上能级能够积累的最大粒子数 泵浦速度必须快于激光上能级的自发辐射速率 谐振腔的Q值改变要快 2 2调Q激光器的基本理论 调Q速率方程调Q速率方程以两能级模型给出如果考虑到在Q突变过程中 激光器参数剧烈变化 可以忽略泵浦过程和自发辐射过程 同时令激光器在Q值突变之前处于低阈值状态 反转粒子数不断积累 假设Q值是阶跃式变化 则在Q值突变时刻定为零时刻 给以给出下面的方程 2 2调Q激光器的基本理论 调Q速率方程的求解光子数密度与反转粒子数密度关系峰值光子数密度Q脉冲峰值功率Q脉冲能量Q脉冲能量利用率Q脉冲宽度 调Q速率方程的求解光子数密度与反转粒子数密度关系峰值光子数密度Q脉冲峰值功率Q脉冲能量Q脉冲能量利用率Q脉冲宽度 调Q速率方程的求解光子数密度与反转粒子数密度关系峰值光子数密度Q脉冲峰值功率Q脉冲能量Q脉冲能量利用率Q脉冲宽度 2 2调Q激光器的基本理论 2 2调Q激光器的基本理论 2 2调Q激光器的基本理论 调Q的关键参量超阈度要获得高的超阈度 要求泵浦强 损耗低 Q开关时间ts 由高损耗变到低损耗实际所需时间是开关时间ts ts td时 Q脉冲的参数与理想阶跃开关相同 只不过脉冲建立时间由ts延迟 tstd为快开关 ts td为慢开关 td是特征时间 与 ni nth有关 2 3电光调Q方法 机理在激光谐振腔内 利用电光调制器作为Q开关 开关时间在ns量级 调Q时间可以精确控制 方法 2波片式 2 3电光调Q方法 4波片式 起偏与检偏合二为一思考题 怎么讲 4波片退压式调Q变成 4波片加压式调Q 上述方法称为PRM方式调Q 在建立Q脉冲过程中 边振荡边输出 Q脉冲宽度10 100ns 2 3电光调Q方法 2 3电光调Q方法 2 3电光调Q方法 PTM方式由两个全反镜组成谐振腔 2波片式 思考 P1 P2光路及调Q过程如何 2 3电光调Q方法 PTM方式 4波片式 2 3电光调Q方法 设计电光调Q激光器要考虑的问题调制晶体光学均匀性好 透过率高 半波电压低 抗激光破坏阈值高 对1064nm激光 KD P V 2 6000 LiNbO3 V 2 9250 d L 调制器的电极结构要形成均匀电场纵向运用用环形电极 横向运用用平板电极 对工作物质的要求上能级寿命长 抗激光破坏阈值高 对泵浦源的要求泵浦光的脉宽和工作物质的上能级寿命要匹配 对Q开关控制电路的要求开关速度要快 控制要精确 机理在激光谐振腔内 利用声光调制器作为Q开关 声光调制器的1级光为腔内损耗 0级光为激光振荡 调Q过程声光调制器调制信号为在fm的作用下 轴向光线受Bragg衍射作用 以角度被衍射出腔外 这时要求 激光不振荡 在fs的调制下 消除了Bragg衍射作用 激光振荡建立 产生Q脉冲 2 4声光调Q方法 2 4声光调Q方法 声光调Q激光器结构 2 4声光调Q方法 2 4声光调Q方法 参量设计Bragg判据Bragg公式M2 L H Ps PEQ开关时间输出特性声光PTM激光器 2 4声光调Q方法 2 4声光调Q方法 2 5被动调Q方法 电光调Q和声光调Q都是主动式调Q 即人为的利用某些物理效应来控制激光谐振腔的损耗 从而达到Q值得突变 而被动式调Q方式 是利用某些可饱和吸收体本身特性来改变激光谐振腔的损耗 达到调Q目的 2 5被动调Q方法 可饱和吸收体 2 5被动调Q方法 可饱和吸收材料 可饱和吸收材料经历了长期的发展 最开始使用染料 BDN 然后发展出色心晶体 现在常用的是Cr YAG 对于可饱和吸收材料有如下一些要求 可饱和吸收材料对激光波长有吸收峰可饱和吸收材料的吸收截面要远远大于激光工作物质的吸收截面 这让饱和光强较小 易于 漂白 可饱和吸收材料的物理化学性能稳定 2 5被动调Q方法 被动调Q过程 调Q过程自动完成 非人为控制 是被动式的 运转特性T0的选取对应染料浓度 与泵浦强度有关 激光输出镜透过率的选取 强泵浦 高透过率时是快开关 脉冲被动调Q激光器会出现多脉冲现象 连续被动调Q激光器输出脉冲重复率取决于泵浦强度 不能人为控制 输出脉冲峰值功率取决于T0和输出镜透过率 与泵浦强度无关 2 5被动调Q方法 被动调Q过程速率方程激光介质采用四能级模型 可饱和吸