最新調(diào)Q(Q開(kāi)關(guān))技術(shù)

1、光 電 信 息 學(xué) 院第二章 調(diào)q(q開(kāi)關(guān))技術(shù)周一主樓東101周三二教206第二大節(jié)主要內(nèi)容：一、調(diào)q技術(shù)的基本概念和基本理論二、實(shí)現(xiàn)調(diào)q技術(shù)的方法： 1. 電光調(diào)q ； 2. 聲光調(diào)q ； 3. 染料調(diào)q ； 4. 色心晶體調(diào)q； 5. 轉(zhuǎn)鏡調(diào)q 。2.1 概述一、什么是調(diào)q？q值？二、調(diào)q技術(shù)的目的： 壓縮脈沖寬度，提高峰值功率。三調(diào)q激光（短脈沖）的應(yīng)用強(qiáng)相干光與物質(zhì)的相互作用短脈沖的應(yīng)用2.2.1 一般固體脈沖激光器的輸出特性v輸出的脈沖是系列尖峰振蕩 馳豫振蕩脈沖激光器輸出的尖峰結(jié)構(gòu)v馳豫振蕩產(chǎn)生的物理過(guò)程第一階段第二階段第三階段第四階段v普通激光器峰值功率不能提高的原因v獲得巨脈

2、沖激光輸出的方法腔內(nèi)光子數(shù)和粒子反轉(zhuǎn)數(shù)隨時(shí)間的變化 2.1.2 調(diào)q的基本原理v定義：q值是評(píng)定激光器中光學(xué)諧振腔質(zhì)量好壞的指標(biāo)-品質(zhì)因數(shù)。q值-定義為在激光諧振腔內(nèi)，儲(chǔ)存的總能量與腔內(nèi)單位時(shí)間損耗的能量之比。v調(diào)節(jié)q值的途徑 一般采取改變腔內(nèi)損耗的辦法來(lái)調(diào)節(jié)腔內(nèi)的q值。21210001222w22wc nlthccthgnaqvgvnaqqvnlqv腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量每秒損耗的能量v 穩(wěn)定調(diào)q脈沖的建立過(guò)程v實(shí)現(xiàn)調(diào)q對(duì)激光器的基本要求 工作物質(zhì)抗損傷閾值要高,同時(shí)有較長(zhǎng)的能級(jí)壽命 泵浦速度必須快于激光上能級(jí)的自發(fā)輻射速率 諧振腔的q值改變要快,一般應(yīng)與諧振腔建立激光振蕩的時(shí)間相比擬.20,2q1

3、tttd nandtgdandtgdngdtad nndtndndtn 二能級(jí)系統(tǒng)的模型令將代入上式得：調(diào) 激光振蕩的速率方程2.2 調(diào)調(diào)q激光器的基本理論激光器的基本理論v調(diào)q的速率方程v速率方程的求解021(1)21(1)21ln()214mtitntntmittitimtndd nnndd nnnnnnnnnnv調(diào)q脈沖的峰值功率(ln)2(ln)212itcitmittciichvnpnnntnnhvpnnntnnphvt 1()2exp(1)exp()iffifitiffiitennh vnnnnnnnnnnn v調(diào)q脈沖的能量及能量利用率v調(diào)q脈沖的時(shí)間特性0212(ln)2(ln

4、)iitnnitttinnittindtd nnd ntnnnnnnnnd ntnnnnnnn v非理想階躍式q開(kāi)關(guān)函數(shù)的情況 腔內(nèi)損耗與時(shí)間呈線性函數(shù)（左圖） 穩(wěn)變非線性(拋物線)開(kāi)關(guān)函數(shù)（中圖） 峰值光子數(shù)密度m隨脈沖半寬度t及脈沖建立的延遲時(shí)間td的變化（右圖）v q開(kāi)關(guān)激光器的特點(diǎn) 1. 通過(guò)改變改變q值改變閾值，控制激光產(chǎn)生的時(shí)間。2. 兩階段 （1）儲(chǔ)能階段（延遲時(shí)間） 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達(dá)最大值 。 （2）激光產(chǎn)生輸出 忽略泵浦和自發(fā)輻射的影響。3. 開(kāi)關(guān)時(shí)間 從q值最小變到最大q值即損耗從最大變到最小需要的時(shí)間叫開(kāi)關(guān)時(shí)間。 開(kāi)關(guān)時(shí)間對(duì)激光脈沖的影響很大，按開(kāi)關(guān)時(shí)間的大小分為快、慢兩種類

5、型。 0n v 電光q開(kāi)關(guān)： 利用晶體的電光效應(yīng)，在晶體上加一階躍式電壓，調(diào)節(jié)腔內(nèi)光子的反射損耗。2.3.1 帶偏振器的電光調(diào)q器件 帶偏轉(zhuǎn)器的電光調(diào)q裝置v 調(diào)q工作程序示意圖v 對(duì)偏轉(zhuǎn)器的要求v 對(duì)調(diào)制晶體的要求電光調(diào)q工作程序示意圖2.3.2 單塊雙45電光q開(kāi)關(guān) 帶偏振器的q開(kāi)關(guān)激光器需加偏振器，使腔內(nèi)元件增多，因而增加了腔內(nèi)損耗，降低了調(diào)q效率。把晶體做成雙45的形式，使晶體起著偏振、q開(kāi)關(guān)兩個(gè)作用，克服了上述q開(kāi)關(guān)激光器的缺點(diǎn)。 v q開(kāi)關(guān)原理單塊雙45電光調(diào)q激光器v 工作原理 未加電壓時(shí)的情況 加電壓時(shí)的情況vx=0時(shí)的光路圖vx0時(shí)的光路圖v ln晶體q開(kāi)關(guān)： （1）雙45晶

6、體等效于在兩個(gè)偏轉(zhuǎn)器之間夾一塊調(diào)制晶體 （2）晶體在加工時(shí)造成的誤差。45 不夠準(zhǔn)確，光軸有些偏離。入射的光束不能嚴(yán)格地垂直入射面等。入射光有一定的發(fā)散角，因此相當(dāng)于有一部分光束不是垂直入射面入射。 （3）o、e光走的路程不同，因此當(dāng) 時(shí)，o、e光并非完全旋轉(zhuǎn)90,解決辦法預(yù)偏置.2vvx雙45晶體實(shí)際出射光斑情況v 單塊單 45電光開(kāi)關(guān) 原理 ：以ln橫向運(yùn)用退壓式結(jié)構(gòu)為例，分析原理和一般q開(kāi)關(guān)相同。 也是分兩個(gè)階段討論其工作原理：粒子數(shù)積累階段和脈沖形成階段。結(jié)論：?jiǎn)?45q開(kāi)關(guān)相當(dāng)于帶一個(gè)偏振器的q開(kāi)關(guān)。2.3.3 脈沖透射式q開(kāi)關(guān)激光器 v原理： 反射式q開(kāi)關(guān)激光器：由于激光的形成和輸

7、出同時(shí)進(jìn)行，因此脈沖寬度的壓縮受了限制。脈沖透射式q開(kāi)關(guān)打破了這種限制，把激光形成和激光的輸出分成兩階段。共三個(gè)階段： a 、 ，激光不能振蕩，積累階段（透射損耗大） b 、 ，激光形成但不輸出（透射損耗近似為零） c激光輸出階段（透射損耗大） 具有以上特點(diǎn)的激光器為透射式q開(kāi)關(guān)激光器。maxminqmaxminq 透射式原理不同于反射式，結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)： q開(kāi)關(guān)的三個(gè)階段：1)不加 ,2）加壓 ,3）退壓2vptm調(diào)q激光器ptm式電光q開(kāi)關(guān)v 單塊雙45電光ptm式調(diào)q開(kāi)關(guān)v ptm式調(diào)q的優(yōu)點(diǎn) 效率比prm式高 脈寬窄q開(kāi)關(guān)的工作程序單塊雙45電光ptm式調(diào)q開(kāi)關(guān)2.3.4 q調(diào)制技術(shù)的其

8、他功能 v1.選橫模的功能 v2.選單縱模的功能 v3.鎖模 削波等功能 2.4 設(shè)計(jì)電光調(diào)q激光器應(yīng)考慮的問(wèn)題 調(diào)制晶體材料的選擇 消光比要高 透過(guò)率要高 半波電壓要低 抗破壞閾值要高 晶體防潮 調(diào)制晶體的電極結(jié)構(gòu) 對(duì)激光工作物質(zhì)的要求 對(duì)光泵浦燈的要求 對(duì)q開(kāi)關(guān)控制電路的要求2.5 聲光調(diào)q2.5.1 基本原理 聲光調(diào)制原理 聲光調(diào)q聲光調(diào)q激光器示意圖連續(xù)激光器高重復(fù)率調(diào)q過(guò)程v聲光調(diào)q激光器的特點(diǎn) 開(kāi)關(guān)時(shí)間與脈寬 聲光q開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn) 聲光q開(kāi)關(guān)與重復(fù)頻率v連續(xù)激光器聲光調(diào)q運(yùn)轉(zhuǎn)方式2.5.2 聲光q開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)v 聲光q開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)和聲光調(diào)制器完全相同。換能器、聲光介質(zhì)、吸收器三個(gè)部分

9、組成，且材料、尺寸相同v 不同點(diǎn)：聲光調(diào)制器：有駐波和行波兩種結(jié)構(gòu)。 聲光q開(kāi)關(guān)：只有行波結(jié)構(gòu)。1、材料的選擇: 對(duì)聲光介質(zhì)材料的選擇應(yīng)綜合考慮如下要求；介質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)m2要大；對(duì)光的吸收要小(即對(duì)光的透過(guò)率要高)；對(duì)超聲波的吸收要?。挥辛己玫臒岱€(wěn)定性；介質(zhì)在光學(xué)上是均勻的，且有足夠大的尺寸。對(duì)功率大的調(diào)q器件，還要考慮采用激光損傷閾值高的材料。2、器件的設(shè)計(jì)v 聲光器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理地確定超聲柱的尺寸v 換能器與聲光介質(zhì)的粘結(jié)工藝也是十分重要的問(wèn)題超聲場(chǎng)尺寸聲光器件結(jié)構(gòu)形式聲光器件的工作方式3、器件的結(jié)構(gòu)形式聲光調(diào)q器件典型結(jié)構(gòu)2112221sin ( )(1 cos )222112iss

10、ivvivlvm phhplm 4、驅(qū)動(dòng)聲功率的確定2.5.4 聲光腔倒空激光器 聲光腔倒空激光器原理 優(yōu)點(diǎn) 要求聲光腔倒空激光器 2.6.1 可飽和吸收染料的調(diào)q原理 v 可飽和吸收體的吸收特性v 可飽和吸收染料的調(diào)q原理2.6.2 飽和吸收的速率方程染料透過(guò)率與激光功率密度的關(guān)系01/saai i2.6.3 染料調(diào)q激光器及其輸出特性v染料q開(kāi)關(guān)激光器形式 兩種，染料盒和全反射鏡合為一體，利用染料盒的后壁做全反鏡。在鎖模中用。 染料盒單獨(dú)放在腔內(nèi)，這種機(jī)構(gòu)注意避免染料盒的表面和反射鏡之間形成寄生振蕩。一般染料盒傾斜一個(gè)小角度1 2，也可以傾斜布儒斯特角。染料調(diào)q激光器1、對(duì)染料選擇的要求

11、染料的吸收峰應(yīng)與激光波長(zhǎng)基本吻合 染料要有適當(dāng)?shù)娘柡凸鈴?qiáng)值 染料溶液要有一定的穩(wěn)定性幾種染料的吸收譜線2、影響染料調(diào)q輸出特性的因素 v 染料濃度的影響v 輸入能量v 染料盒的影響v 輸出鏡反射率的影響染料調(diào)q輸出特性曲線液層厚度對(duì)輸出特性的影響染料盒的結(jié)構(gòu)染料q開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1.簡(jiǎn)單方便。這種q開(kāi)關(guān)只要配好溶液放在染料盒內(nèi)，或做成染料片成品。放諧振腔中即可。而電光調(diào)q中還需要一套電路系統(tǒng)控制q開(kāi)關(guān)。 2.速度快。染料q開(kāi)關(guān)屬于快開(kāi)關(guān)。一般10-9ns量級(jí)。3.自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)和增益的調(diào)諧。4.具有選模的作用。在中心頻率附近的模式，增益高，先振蕩，消耗；而增益低的模式被抑止（在漂白前）

12、。漂白后，其他模能夠振蕩。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1.同步精度差。不需要同步裝置簡(jiǎn)單，但要得到很好的調(diào)q效果需要經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)。而實(shí)際要求和q開(kāi)關(guān)激光器同步，染料q開(kāi)關(guān)不能使用。 2.穩(wěn)定性差。染料的溶液不穩(wěn)定，影響輸出的功率不穩(wěn)定。 3.輸出功率不能很大。因?yàn)槿玖险{(diào)q激光器實(shí)際上在閾值附近工作。因此染料q開(kāi)關(guān)激光器適用于同步精度要求不高，穩(wěn)定性要求不高的實(shí)際應(yīng)用。2.6.4 lif可飽和吸收晶體q開(kāi)關(guān) 工作原理：lif晶體是無(wú)色透明晶體，不能做q開(kāi)關(guān)晶體用，但當(dāng)它經(jīng)過(guò)射線輻射后就可以產(chǎn)生色心，開(kāi)始變?yōu)樽丶t色。隨著輻射劑量的大小不同，其著色的深淺也不同，產(chǎn)生不同的色心f，f2， ， 心等。由于色心不同，吸收譜產(chǎn)生了明顯的變化。2f2ff2-心的吸收譜線在1.06微米激光作用下f2-心的透過(guò)率2.6.5 二極管泵浦被動(dòng)調(diào)q激光器2）nd:yvo4/cr:yag結(jié)構(gòu)被動(dòng)調(diào)q紅外激光器1）nd:yvo4/cr:yag/ktp結(jié)構(gòu)被動(dòng)調(diào)q綠光激光器調(diào)q脈沖激光的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑照片穩(wěn)定綠光脈沖波形圖3）nd:yvo4/cr:yag/lbo結(jié)構(gòu)被動(dòng)調(diào)q綠光激光器2.7 轉(zhuǎn)鏡調(diào)q 轉(zhuǎn)鏡調(diào)q的工作原