調Q脈沖的脈寬和峰值功率課件

第三節(jié)Q調制7.3.1Q調制引言一、調Q目的壓窄光脈沖寬度,使有限的激光能量在極短的時間內輸出以提高脈沖峰值功率。應用:激光測距、激光雷達、非線性光學、激光加工等。二、一般固體激光器的輸出時間特性由于馳豫振蕩，輸出由一系列寬度為微秒量級的“小尖峰序列”構成的幾百微秒或幾毫秒寬的無規(guī)脈沖。峰值功率：幾十KW。三、調Q基本術語第三節(jié)Q調制7.3.1Q調制引言一、調Q目的壓窄光調Q：調腔內損耗Q開關：執(zhí)行調Q功能的器件巨脈沖：調Q產生的激光脈沖四、調Q基本原理1、原理：通過某方法使腔內損耗按規(guī)定程序變化。2、具體過程泵浦開始時：調節(jié)腔使其高損耗，(低Q)，閾值Dnt高，Q開關關閉，不出激光。上能級粒子數(shù)積累。在適當時刻：即上能級粒子數(shù)積累到一較高水平時，突然調節(jié)腔使其低損耗，(高Q)，Dnt

低，Q開關打開，受激輻射迅速增長，上能級粒子在短時間內釋放儲存的能量而形成巨脈沖。3、調Q脈沖的脈寬和峰值功率調Q：調腔內損耗Q開關：執(zhí)行調Q功能的器件巨脈沖：調Q產生2(1)脈寬：幾ns

~幾十ns。(2)峰值功率：高于MW。4、調Q脈沖的形成過程(1)t<0(開關關閉)：高損耗，腔內光子平均壽命為，閾值：，泵浦使↑。(2)t=0(開關打開)：,無激光，只有少數(shù)自發(fā)輻射光子Ni。然后突然降低損耗到，光子壽命為，閾值降為，，使?jié)M足，則光子數(shù)N↑，則↓。(1)脈寬：幾ns~幾十ns。(2)峰值功率：高于MW。43(3)t=tP：,光子數(shù)N=Nm(最大)。(4)t>tP：,光子數(shù)N由Nm開始下降直到N=Ni，時，巨脈沖熄滅。五、調Q的分類1、分類一：按照所控制的損耗種類。(1)控制反射損耗的：轉鏡調Q、電光調Q等。(2)控制吸收損耗的：可飽和吸收調Q。(3)控制衍射損耗的：聲光調Q。(4)控制輸出損耗的：透射式調Q等。2、分類二(1)主動調Q：由外部驅動源控制諧振腔損耗。(3)t=tP：,光子4(2)被動調Q：由激光本身光強來控制諧振腔損耗的，如：可飽和吸收調Q。7.3.2Q調制方法機械轉鏡調Q電光調Q聲光調Q可飽和吸收調Q(被動調Q)一、機械轉鏡調Q工作物質部分反射鏡泵浦燈電源全反射鏡電機觸發(fā)電路延遲裝置yxz1、裝置可為全反介質膜片，也可為直角棱鏡轉鏡可繞z軸高速轉動。2、調Q原理控制反射損耗。(2)被動調Q：由激光本身光強來控制諧振腔損耗的，如：可飽5泵浦等點燃后，如果轉鏡與腔軸不垂直，則損耗大，處于低Q狀態(tài)，Q開關關閉，激光上能級粒子數(shù)不斷積累，積累到飽和時，若轉鏡表面剛好轉到與腔軸垂直位置，則腔損耗最小，處于高Q狀態(tài)，Q開關打開，則巨脈沖形成。3、注意事項(1)準確控制延遲時間以獲得穩(wěn)定的最大功率輸出。原因：泵浦等點燃后，需要經(jīng)過一延遲時間以保證上能級粒子數(shù)有一個積累過程，最佳延遲時間剛好使上能級粒子數(shù)達到飽和值時，延遲時間過短或過長都無法達到最大功率輸出。實現(xiàn)：要設計同步和延遲裝置。泵浦等點燃后，如果轉鏡與腔軸不垂直，則損耗大，處于低Q狀態(tài)，6說明：最佳延遲時間與上能級的粒子壽命、泵燈的放電波形及腔的結構均有關。(2)控制轉鏡的最佳轉速，一般控制為：幾萬轉/分轉鏡Q開關是慢開關！二、電光調Q1、晶體的電光效應(1)定義：外加電場使構成晶體的原子分子排列發(fā)生一定的變化，從而引起晶體折射率也發(fā)生變化，也使晶體雙折射性質發(fā)生變化。結果：多各向異性晶體，除存在自然雙折射外，還存在因外加電場而引起的感應雙折射。(2)公式：說明：最佳延遲時間與上能級的粒子壽命、泵燈的放電波形及腔的結7線性電光效應(普克爾效應)電光調Q的基礎二次電光效應(克爾效應)非線性效應，一般較小2、電光調Q(1)采用KDP類晶體的γ63描述的縱向電光效應未加電場：折射率主軸為x、y、z(光軸和電場方向)加上z向電場后：折射率主軸將旋轉為與未加電場時的x、y軸成45度夾角，z軸不變，即：線性電光效應(普克爾效應)電光調Q的基礎二次電光效應(克爾效8電壓z向厚度可見，x’軸為快軸，y’軸為慢軸。則x方向諞振的沿z向照到晶體上后，將分解成沿x’和y’方向偏振的等幅度偏振光，二者經(jīng)過晶體后的位相差為：電壓z向厚度可見，x’軸為快軸，y’軸為慢軸。則x方向諞振的9V為1/4波電壓V為半波電壓(2)裝置(3)調Q原理①(a)圖調Q原理：光經(jīng)P后成為x方向的偏振光，沿z向照到晶體上后，分解成沿x’和y’方向偏振的等幅度偏振光，設晶體上加1/4波電壓，則相位差為π/2，經(jīng)全反鏡，再經(jīng)晶體后，共產生π位相差，偏振面將旋轉90度，無法再穿過P。此時損耗大，Q開關關閉，激光不產生，激光上能級積累粒子，適當時候拆區(qū)電壓，則損耗小，Q開關打開，巨脈沖形成。

：—減壓式調QV為1/4波電壓V為半波電壓(2)裝置(3)調Q原理①(a)10②(b)圖調Q原理若P1//P2：若加半波電壓，產生π相位差，偏振面轉90度，光不通過P2，處于高損低Q狀態(tài)，Q開關關閉，拆區(qū)電壓，Q開關關閉，拆區(qū)電壓，Q開關打開，巨脈沖形成。若P1⊥P2：若不加電壓，則通過P1的光不能通過P2，處于高損低Q狀態(tài)，Q開關關閉，加上半波電壓，產生π相位差，偏振面轉90度，光剛好通過P2，Q開關打開，巨脈沖形成?！獪p壓式調Q—加壓式調Q②(b)圖調Q原理若P1//P2：若加半波電壓，產生π相位差113、電光調Q的優(yōu)缺點(1)優(yōu)點:開關時間取決于電路的高壓上升和退壓時間，能做到小于脈沖建立時間，屬快開關類型，壽命長，輸出巨脈沖穩(wěn)定性好，重復性好，適合大能量調Q，脈寬可達十幾ns，峰值功率：幾十MW。(2)缺點:需幾千伏高壓，易引起對其他好線路的干擾。KDP：KD＊P：三、聲光調Q１、聲光作用：當超聲波在某些介質中傳播時,介質將產生與聲波信號相應的隨時空變化的彈性形變，從而導致介質折射率隨時空間周期性變化，則該介質等效為相位光柵，光柵常數(shù)為λs,當光進入此相位3、電光調Q的優(yōu)缺點(1)優(yōu)點:開關時間取決于電路的高壓上12光柵時將發(fā)生衍射，部分光將偏離原來方向，該現(xiàn)象稱為聲光衍射現(xiàn)象。2、聲光作用分類(1)喇曼-奈斯衍射：當超聲波頻率較低時，光線平行于聲波波面入射，聲光作用長度d較小，且滿足d<<λs2/2λ。入射光Ii,λ超聲波λsI0I+1I+2I-1I-2(2)布拉格衍射(調Q所用)：當超聲波頻率較高時，光線與聲波波面成一夾角入射，且聲光作用長度d較大，且滿足d>>λs2/2λ。入射光Ii,λ超聲波λsI0I0I-1θi2θi=2θdSinθd=λ/2λs光柵時將發(fā)生衍射，部分光將偏離原來方向，該現(xiàn)象稱為聲光衍射現(xiàn)13特點:只出現(xiàn)0級和1級或-1級,視入射光方向而定,適當調節(jié)參數(shù)可使能量全部集中在1級或-1級。H：換能器寬度d：換能器長度M：聲光介質的品質因素P：超聲驅動功率3、聲光調Q裝置透反鏡全反鏡YAG高頻振蕩驅動電源換能器聲光介質吸聲介質換能器：利用反壓電效應將電能轉化為機械能，以產生超聲波。吸聲介質：吸收傳來的聲波，以免形成聲駐波效應而延長開關時間。特點:只出現(xiàn)0級和1級或-1級,視入射光方向而定,適當調節(jié)參144、聲光調Q原理聲光Q開關加上電壓后在介質中形成超聲波，當入射光以sin2θd=λs/2λ角度入射時，衍射光偏離入射光即腔軸線方向，導致?lián)p耗增加，Q開關關閉，激光上能級積累粒子，當粒子積累達飽和時，突然拆去超聲場，衍射消失，腔損減小，Q開關打開，巨脈沖形成。5、聲光調Q器件設計中的注意事項(1)合理設計超聲柱的尺寸，聲光距離由布拉格判據(jù)決定。(2)換能器材料應有較大的機電耦合系數(shù)，以提高聲電轉換效率。4、聲光調Q原理聲光Q開關加上電壓后在介質中形成超聲波，當入15(3)聲光材料品質因素M要較大，對光和超聲波吸收要小，以免產生熱量擾亂位相光柵；要有良好的熱穩(wěn)定性；光學上均勻，有足夠大尺寸，對功率大的激光調Q器件，應考慮介質有較高的激光損耗閾值。(4)為避免聲光介質對光和聲吸收產生的熱量不能耗散而導致介質中形成溫度梯度，應考慮水冷散熱問題。(5)由于駐波型超聲波不易迅速消除而導致開關時間加長，在聲光介質另一側加吸聲材料使介質中只允許行波超聲波，以加快開關時間。6、聲光調Q的優(yōu)缺點(1)調制電壓低(<200V)，多用于低增益的連續(xù)激光器，峰值功率：幾百瓦；脈寬：幾十ns；形成高重復率脈沖。(3)聲光材料品質因素M要較大，對光和超聲波吸收要小，以免產16(2)缺點：對高能激光器的開關能力差，故不適用于高能調Q激光器。7、常用聲光材料(1)聲光介質：氧化碲(TeO2)、鉬酸鉛(PbMoO4)(對1.06μm通光力差，影響調Q輸出功率)；熔融石英(便宜，好光學加工，可用于大功率聲光調Q激光器)等。(2)吸聲材料：鉛橡膠、玻璃棉。(3)換能器：鈮酸鋰(LiNbO3)、石英等。四、被動調Q—可飽和吸收調Q1、可飽和吸收液體的吸收系數(shù)公式①假設：均勻加寬、二能級系統(tǒng)、f1=f2，σ21=σ12。②公式(2)缺點：對高能激光器的開關能力差，故不適用于高能調Q激光17其中:υ0:吸收譜線中心頻率③說明:β0(υ0)隨I增大而減小，入射光幾乎全部透過，稱為“漂白”2、可飽和吸收調Q原理其中:υ0:吸收譜線中心頻率③說明:β0(υ0)隨I增大而減18將可飽和吸收體放入諧振腔，泵浦開始時，因β較大，則腔處于高損低Q狀態(tài)，激光上能級不斷積累粒子，而腔內熒光不斷增強，當光強可與Is’相比擬時，β減小，達到一定程度時，染料“漂白”，腔處于低損高Q狀態(tài)。巨脈沖形成。3、裝置工作物質透反鏡全反鏡染料盒或染料片4、常見的可飽和吸收體—各種染料各種染料:BDN；五甲川；十一甲川；隱花青溶劑：丙酮；二氯乙烷將可飽和吸收體放入諧振腔，泵浦開始時，因β較大，則腔處于高損195、染料調Q的注意事項(1)染料的吸收中心波長要與激光波長基本吻合。(2)染料的飽和吸收光強Is’應大小適當，若太小，則激光上能級粒子積累不充分，開關作用差，若太大，則染料難以達到飽和，激光閾值高，Q開關速度慢。(3)染料溶液應有一定的穩(wěn)定性。6、染料調Q的優(yōu)缺點(1)簡單方便，峰值功率：KMW，脈寬：幾十ns。(2)缺點：染料易變質，輸出不穩(wěn)定性，易受染料濃度、激光能量及染料盒的影響。5、染料調Q的注意事項(1)染料的吸收中心波長要與激光波長基207、新型固體飽和吸收材料(1060nm)Cr4+:YAG、Cr4+:GSGG、Cr4+:GSAG、Mg2SiO4、LiF:F-2等。7、新型固體飽和吸收材料(1060nm)Cr4+:YAG、217.3.3調Q激光器基本理論一、處理方法速率方程→調Q激光的峰值功率、巨脈沖能量及脈沖時間特性二、簡化假設1、損耗從δH降為δ為瞬時的，即階躍式突變的——適用于快開關調Q。2、設腔長等于工作物質長度，L=l。3、系統(tǒng)為三能級系統(tǒng)，且υ=υ0，f1=f2。4、ηF=1，則忽略A31和S21，則n1W13=n3S32。三、反轉集居數(shù)和光子數(shù)密度速率方程7.3.3調Q激光器基本理論一、處理方法速率方程→調Q激22方程注：(1)從t=0，即Q開關打開時開始討論。損耗不能忽略！(2)根據(jù)三能級系統(tǒng)速率方程及簡化假設可以證明7.3.2式。四、激光器的輸出峰值功率1、峰值功率公式S:工作物質橫截面積T:輸出反射鏡透過率方程注：(1)從t=0，即Q開關打開時開始討論。損耗不能忽略23２、公式證明(略)(了解)3、討論(1)Δni/Δnt越大，則Nm越大，Pm越大。(2)影響Δni/Δnt大小的因素①δH/δ

越大，Δni/Δnt越大。因為δH越大，意味著Q開關關閉時，允許達到而又不超過閾值Δnt’的Δni就越大，而Q開關打開時的δ越小，則Δnt越小。②

泵浦功率越高，Δni/Δnt越大。２、公式證明(略)(了解)3、討論(1)Δni/Δnt越大，24③在相同的泵浦功率下，上能級的壽命越長，ni/Δnt越大。熒光壽命紅寶石釹玻璃YAGCO2He-Ne染料3ms0.7ms0.23ms1ms20ns~ns工作介質氦氖激光器與染料激光器不適合采用調Q技術！五、巨脈沖能量1、輸出巨脈沖能量(1)公式其中：為“儲能”，即儲存在工作物質中可能轉變?yōu)榧す獾某跏寄芰?。③在相同的泵浦功率下，上能級的壽命越長，ni/Δnt越大。25V：工作物質體積。為巨脈沖熄滅后工作物質中剩余的能量?！獌δ芾寐?2)公式證明發(fā)射一個光子，則Δn減少2，設巨脈沖開始時，Δn=Δni，熄滅時Δn=Δnf，則巨脈沖持續(xù)過程中單位體積工作物質發(fā)射的光子為：則腔內巨脈沖的能量：V：工作物質體積。為巨脈沖熄滅后工作物質中剩余的能量?！獌δ?6從而：則輸出巨脈沖能量為：a：腔內凈損耗。2、影響輸出巨脈沖能量的因素(1)儲能Ei越大，輸出能量E越大。(2)Δnf/Δni越小，則儲能利用度μ越大，從而輸出能量E越大。3、影響Δnf/Δni大小的因素(1)隱函數(shù)公式從而：則輸出巨脈沖能量為：a：腔內凈損耗。2、影響輸出巨脈沖27(2)公式證明(略)(了解)(3)討論如果：(2)公式證明(略)(了解)(3)討論如果：28六、巨脈沖的時間特性Δt－調Q脈寬1、巨脈沖寬度定義：脈沖形成中，光子數(shù)密度由Nm/2上升到Nm所需時間Δtr和由Nm下降到Nm/2所需時間Δte之和。DtrDte＋Dt＝2、Δt的估算方法積分該式(7-3-5)代入六、巨脈沖的時間特性Δt－調Q脈寬1、巨脈沖寬度定義：脈沖29思路：7.3.12式給出Δn~t關系，由7.3.5知N~Δn關系，代7.3.5入7.3.12可知N~t關系，從而知脈寬Δt。思路：7.3.12式給出Δn~t關系，由7.3.5知N~Δn30上升沿同理：上升沿同理：31下降沿下降沿32難以獲得解析式！需要數(shù)值求解！已知Δni/Δnt，由7.3.13即可求得Δtr和Δte，從而求得Δt的數(shù)值解。3、Δt的數(shù)值解結果討論(1)Δni/Δnt越大，則Δtr和Δte同時變窄，且Δtr比Δte更窄。理由：Δni/Δnt越大→g凈增大→N的增長和Δn的下降越快→脈沖建立和熄滅過程越短。(2)要使Δt小，則L不能太長，δ不能太小！七、實際調Q情形1、理論或數(shù)值計算與實測值之間有差異。難以獲得解析式！需要數(shù)值求解！已知Δni/Δnt，由7.3.33差異產生原因？①泵浦激勵不均勻，中心大，邊緣小→Dn分布不均勻脈沖建立時間不同(中心部分先建立，邊緣后建立)輸出脈沖是中心到邊緣多個脈沖疊加的結果，故變寬脈沖能量分散在較大的時間范圍內，則峰值功率小。②Q開關時間并非瞬時，需要時間→脈寬變寬，峰值功率下降。2、調Q巨脈沖寬度較窄，在此短時間內四能級系統(tǒng)的激光下能級來不及抽空，故調Q器件中的四能級系統(tǒng)接近三能級系統(tǒng)。差異產生原因？①泵浦激勵不均勻，中心大，邊緣小→Dn分布不347.3.4另一類激光調Q分類及腔倒空技術一、另一類激光調Q分類按照巨脈沖輸出前能量的儲存地點進行分類。脈沖反射式調Q脈沖透射式調Q(腔倒空)脈沖透反式調Q二、脈沖反射式調Q輸出前為工作物質儲能tQ工作物質儲能輸出光脈沖特點：低Q時，工作物質上能級積累粒子，因而儲能，高Q時巨脈沖振蕩并輸出，振蕩和輸出同時進行，脈寬7.3.4另一類激光調Q分類及腔倒空技術一、另一類激光調Q35脈寬取決于激光增長和衰減過程。光束需在腔內往返若干次才能完成率減過程，故脈寬可達數(shù)十納秒。(思考：Δt=?)例：飽和吸收調Q、電光調Q、聲光調Q、轉鏡調Q。三、脈沖透射式調Q(腔倒空)輸出前為諧振腔儲能tQ諧振腔儲能輸出光脈沖特點：諧振腔有全反鏡M1和可控反射鏡M2構成，t<0時，M2全反，腔處于高Q狀態(tài)，激光振蕩而無輸出，即此時由諧振腔儲能；當t=0時，控制M2使其透過率達100%，則腔內激光迅速逸出腔外，形成巨脈沖。脈寬取決于激光增長和衰減過