激光连续泵浦ndyag激光调q技术

激光连续泵浦ndyag激光调q技术

根据理论计算，q光刻脉数的峰值功率受到脉数原始波束形成之前的初始值的影响。就是说,Q开关的关闭损耗越大,初始粒子布居数反转程度越高,越能提高输出光脉冲的功率。在深调制的Q开关技术中,受抑全内反射(FrustratedTotalInternalReflection——FTIR)棱镜开关技术具有结构简单,Q值调制深度大,效率高的优点,已经用在激光测距的军事技术中。也有为数不多的文献一般性地讨论了FTIR的物理机制。我们在已有的FTIR技术在脉冲泵浦Nd:YAG激光器调Q应用的基础上,紧密结合连续泵浦的Nd:YAG激光器的工作条件,讨论应用FTIR技术调Q的优点和必要条件。1声光调q技术的应用按FTIR棱镜透过率特性理论计算,当棱镜之间的间隙d小于激光波长的十分之一时,其透过率接近100%,在实验条件内,可达到95%。也就是说,把棱镜的高透过率作为Q开关的关闭损耗,是声光调制方法难以达到的优点。后者是目前用于激光打标和激光雕刻的连续泵浦的Nd:YAG激光器的唯一的调Q技术,而它的关闭损耗最大也只有50%。其他的调Q技术,例如被动调Q,电光调Q技术等因难以达到稳定的,高达几十千周的高重复的调Q频率,故很少在连续泵浦的Nd:YAG激光器中使用。本文希望以与声光调Q技术相对比的方式,去分析FTIR调Q技术在连续泵浦的Nd:YAG激光器中应用的优越性。如果假设激光器的工作参数不变(包括对工作物质的泵浦功率,谐振腔内除Q开关以外的单程损耗,腔镜反射率和腔体几何结构等参数),仅仅考虑由于所采用不同的调Q技术,从而不同类型Q开关所引进的损耗调制的差异,则任一调Q激光器(图1),在达到激光稳定输出条件时,有或其中R1和R2是谐振腔两个端镜M1和M2的反射率;γc是除激光棒以外的腔体的单程损耗系数,主要来自于腔内各光学元件表面的反射和光束的衍射损耗;γr是Nd:YAG棒的损耗系数,主要来自于棒的吸收和散射;Y0是谐振腔内除Q开关以外自身的整体单程损耗系数,它包括了γC和γr两项,可取γ0=0.08;γq是Q开关的损耗系数,在FTIR调Q方式中,相应于棱镜的透过率;γ是激光器包括Q开关在内的整体单程损耗系数,因此包括以上各项损耗;α是Nd:YAG棒的增益系数;按我们的讨论,当Q开关关闭时,在声光调制调Q方式中,取γql=0.5;在FTIR调Q方式中,取γq2=0.95。2激光峰值的提高从速率方程可近似得到其中N是归一化粒子数反转密度;Nd是归一化下能级粒子数密度;Φ是归一化腔内光子数;T1=[Lc+(n-1)Lr]/C,Lc是腔长,C是光速;τd是激光下能级寿命,n是激光棒的折射率,K1和K2是与激光上下能级有关的常数。随着两个棱镜间距的拉开,透过率减少,腔内损耗减少,到某一时刻,间距拉开到一定数值时,激光脉冲逐渐形成并且达到峰值。此时,腔内的光子数达到极大值。针对两种不同的调Q方式,对(6)式积分可得把γ0=0.08,γq1=0.5,γq2=0.95代进(11)和(12)式,得到因而,激光峰值高度将提高近一个数量级。如计及脉冲宽度的收窄,峰值功率将有极大的提高。3连续泵浦、并组合的nd标准的FTIR调Q激光器结构如图2脉冲泵浦的Nd:YAG激光器中,腔镜M1与M2的反射率均是全反镜反射率,即R1=R2=1。激光脉冲的能量是穿过棱镜间隙输出。当棱镜间隙从高透过率状态(d=0)拉开后,间隙对激光能量部分反射和部分透过。反射部分作为正反馈,参与激光脉冲的建立;透过部分作为耦合输出。在脉冲泵浦的Nd:YAG激光器中,以氙灯泵浦,增益高,输出耦合的比例高。例如电光调Q的Nd:YAG激光器,M2的透过率可达90%以上,这相当于FTIR棱镜的最大间隔d只拉开到λ/10至λ/5之间的范围。在d回复到起始位置的过程中,继续倒空腔内的激光能量。而在连续泵浦的Nd:YAG激光器中,以氪灯泵浦,增益较低,相应输出耦合的比例低。例如声光调Q的Nd:YAG激光器,M2的透过率一般地只在10%到20%的水平,这相当于FTIR棱镜的最大间隔d需要达到0.8λ到0.9λ的范围,这比前面的情况下,d大很多。在间隔d回复的进程中,“倒空”的意义不大。为此,我们设计激光能量从M2输出,设置R2=80%到90%,d的最大间隔达到或大于激光波长。而由于M2的部分透过,d的初始值可略大,这对于避免d的过小所引起的光胶有利。此外,以氪灯泵浦的Nd:YAG激光器中,调Q的激光巨脉冲宽度为102ns量级,比以氙灯泵浦的调Q光脉冲宽度(10ns量级)大一个数量级,在FTIR调Q方案,希望在激光脉冲形成的进程中,维持在正反馈的时间长一些,利于从腔镜M2输出激光能量。4角波型q开关的工作特性已有的关于FTIR开关时间特性的分析都以棱镜内部超声频率ω作为分析的参量。其实,驱动FTIR棱镜的是脉冲电压,棱镜内部质点和两块棱镜耦合面的移动也都是脉冲的形式。因此,用时间参量去分析FTIR开关的时间特性更为直接和准确。连续运转的Nd:YAG激光器调Q的重复频率,可以从1KHz直到50KHz,看实际应用的需要。要取得最高的调Q效率,其相应的重复频率取决于Nd3+离子的激光上能级寿命τu。在两次Q开关导通之间的时间间隔内,激光器处于低Q状态。激光上能级粒子数不断积累,并实现粒子数反转。这过程在激光上能级寿命终结时达到饱和。换言之,Q开关开启的重复周期等于激光上能级寿命。从有关的文献可知,Q开关开启的重复频率不应大于5KHz,常用的频率为1～2KHz。这个参数决定于激光工作物质,所以,无论是声光调制或FTIR技术,都是一样的。鉴于声光调制机理与FTIR调制机理异,两者的Q开关打开过程的时间轮廓截然不同。前者是一个矩型的时间窗口,Q开关快速打开后,保持一段时间间隔,然后快速关闭。后者是靠石英介质内脉冲的弹性振动实现Q开关的动作,其时间演变过程复杂得多,为简单计,以一个对称的三角波型的脉冲讨论FTIR调制的时间特性。描述一个对称的三角波型脉冲用两个参数:脉冲的高度和脉冲的上升时间。按照Nd:YAG激光器的巨脉冲形成过程的分析,由Q突变到巨脉冲输出,中间有一个时间间隔τp,激光器需要在其间建立起足够的背景辐射,以激发突发的受激辐射并进一步放大,最终形成激光脉冲。为此,FTIR棱镜间隙拉开的时间必须小于τp,这也是对驱动FTIR棱镜的电脉冲的首要要求。首先,如前面讨论,已设定棱镜间隙变化量是从d=0到d≥λ,以达到完全打开Q开关的目的。当达到d=λ时,虽然Q开关完全打开,但激光脉冲尚未形成。然后,按照激光能量输出方案要求,Q突变完成后,应保持在全开状态并延续一个τp的时间间隔,以孕育巨脉冲的生成。所以,实际过程是,驱动脉冲的上升沿应以尽量小于τp的时间拉开棱镜的间隙达到d=λ,并以同样的速率继续上升和持续τp/2的时间。然后,脉冲回落,再经历τp/2的时间,返回到d=λ的水平,在这段τp时间内,FTIR棱镜透过率等于零。此时,激光脉冲已形成并达到峰值,能量从腔镜M2输出。当间隙继续向初始位置回落时,能量的输出仍同步进行直到完成。图3是FTIR棱镜Q开关的时序。从图中可看到,棱镜的间隙从d=0初始位置拉开至d=λ,历时τp/2;继续拉至d=2λ,又历时τp/2。然后,从最大值返回,再历时τp/2后,通过d=λ的位置,最终回到d=0初始值。完成一次开启动作,共需时2τp。这样的脉冲波型,应能同时满足前面讨论中提到的两个要求。驱动FTIR棱镜是借助换能器实现的。换能器的材料是压电陶瓷。显然,换能器应具备宽带和响应时间特性好的物理性质。对于Nd:YAG激光工作物质,λ=1.06μm,τp=1μs～2μs。扣除超声在石英内部的损耗和换能器连接层的阻抗,要求压电陶瓷的伸缩幅度大于2μm,中心响应频率为1Mz左右。按照这些基本要求,选取合适的压电陶瓷类型和计算电源的注入功率。5激光器整体损耗系数wlp我们比较了受抑全内反射棱镜和声光调制两种调Q技术的机理,特别讨论了巨脉冲形成的过程对激光能量输出方案,和对驱动FTIR棱镜方案的要求。我们认为,连续Nd:YAG激光器采用FTIR棱镜调Q技术,其光脉冲峰值功率将会极大地提高。Lr是Nd:YAG棒的长度。其中N1(0),N2(0)是分别在FTIR调Q和声光调制调Q两种情况下,初始时刻归一化粒子数反转密度;Np是在激光峰值时刻归一化粒子数反转密度;Γ1,Γ2是与时间有关的激光器整体的损耗系数。它们是时间的函数。对于FTIR调Q,它随着棱镜间的间距变化而变化;对于声光调Q,则随着超声场的建立过程而变化。为简单计,取值为初始时刻与激光峰值两个时刻,激光器整体的损耗系数的平均值。