调Q光纤激光器类型机器工作原理

1、调Q光纤激光器类型及其工作原理调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技术的目的是压缩脉冲宽度，提高峰值功率。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。而调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

2、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。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。所以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。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

3、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。Q开关激光器的特点通过改变Q值一一改变阈值，控制激光产生的时间。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)表示粒子反转数的变化；图(d)表示腔内光子数随时间的变化。时间。开关激光院冲建立过程时间。开关激光院冲建立过程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， 在这一时刻

4、，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。（2）两阶段储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值.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。只有振荡持续到t=tD时， 增长到了。，雪崩过程才形成，0才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐 射而占优势。激光产生输出（忽略泵

5、浦和自发辐射的影响。）IS MrZIB值，射损a ,生相应的因此，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At （也就 是Q开关开启的持续时间）。光子数的迅速增长，使迅速减少，到t=tp时刻， ni= nt，光子数达到最大值0 m之后，由V nt，则0迅速减少，此 时= 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（二 IS MrZIB值，射损a ,生相应的成反比，如果按照一定的规律改。谐振腔的损耗一般包括有：f振腔的a总 射损耗、衍 刀.人损耗等。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

6、。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染 料调Q成反比，如果按照一定的规律改。谐振腔的损耗一般包括有：光纤激光器是以光纤作为基质掺入某些激活离子作成介质，或直接利用光纤 自身的非线性效应作成的一类激光器。其实质是一个波长转换器加亮度提升器。若按照激励机制的不同，光纤激光器可以分为：（1）晶体光纤激光器，工作 介质为激光晶体光纤；（2）非线性光纤激光器，主要有受激拉曼散射（SRS）光 纤激光器和受激布里渊散射（SRS）光纤激光器；（3）掺杂稀土类光纤激光器： 通过在光纤基质中掺杂不同的稀土离子，获得相应波段的激光输出。若按照结构特点，光纤激光器又可分为空间结构和全光纤结构两类：空间结 构

7、的光纤激光器利用透镜将泵浦光耦合进掺杂光纤。但其激光系统体积较大，激 光系统不稳定，对所在环境要求较高，实现生产化是一件很困难的事；而全光纤 化光纤激光器利用泵浦合束器将泵浦光耦合进增益光纤、用光纤光栅代替腔镜， 实现了元器件的全光纤化。其优点是激光器体积小、稳定、便于维护。、电光晶体调Q原理电光Q开关原理是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。其第一阶段是积累阶段，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x、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气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

8、,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n x和n y。经过晶体长度d距离后,二偏振分量 产生了相位差0式中n为晶体寻常光折射率；Y 63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0 =n 2时,所需电 压称作四分之一波电压，记作V入性图中电光晶体上施以电压V入/时，从偏振器 出射的线偏振光经电光晶体后，沿）和y方向的偏振分量产生了n /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n /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

9、，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）。第二阶段为脉冲形成阶段一一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）。电光调Q技术的特点为：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10-9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

10、损耗使激光器无法振荡而不 适用于连续泵浦激光器。二、声光调Q原理声光Q开关器件的结构是由腔内插入的声光调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。声反射材料声YAG光YAG晶体超声波发生器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入s.光束射经此介质时发生衍射，一部分光偏离原来方向。当,入2.,、，、.,，、ds , t .,声波频率较高.声光作用长度d足够大，满足时（入s与入分别为声波与光波sin 0 =波长），如果入射光与声波波面的夹角。满足2

11、上 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e，如图所示。这种现象称作布喇格衍射，一级衍射光先强11（或i-1）与入射光光 强ii之比为岫二?岫二?% = ； (2 LmP )2Ii = Sin2()T T左式中 是经长度为d的位相光栅后光波相位变化的幅度。右式中 n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

12、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锂、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。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

13、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激光。三、染料调Q原理电光调Q和声光调Q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。而染料调Q属于被动式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。染料 调Q的核心原理为：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。染料调Q激光器是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构 成的。某些有机染料是一种非线性吸收介质，即其吸收系数并不是常数，当在较强激光

14、作用下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料，吸收系数可以表示为:a =这种染料称为可饱和吸收染料，吸收系数可以表示为:a =a图（染料调Q装置示意图式中a 0是中心频率小信号吸收系数;I和Is分别为人射光强和饱和光强。可见, 吸收系数随光强的增加而减少,当光强很大时，吸收系数为零,入射光几乎全部透 过。饱和吸收体的透过率随光强的变化如下图所示。Is为染料的饱和吸收光强，其大小与染料的种类和浓度有关，一般来说，染料的 浓度增加，Is值也增加；I为入射光强。由上式可以看出，当I Is时，吸收系 数趋于零，染料对通过的光束于是变为透明。将饱和吸收体放在谐振腔中，泵浦 过程开始时，腔内自发荧光很弱，染料吸收系数很大，使光的透过率很低，腔处 于低Q值（高损耗）状态，故不能形成激光振荡。随着光泵的继续作用反转粒子数 的积累，放大的自发辐射逐渐增加，当光强与饱和吸收体的Is可比拟时，染料的吸 收系数变小，透过率逐渐增大.当这一过程发展到一定程度时，单程增益等于单程 损耗，激光器开始起振。随着激光强度的增加,到一定数值时，染料吸收达到饱和（吸收最小）值，突然被“漂白”而变得透明了，这时腔内Q值猛增，产生了 受激辐射不断增长的雪崩过程.产生激光振荡输出调Q激光脉冲。当激光光强增 加饱和时，增益系数显著