激光連續(xù)泵浦ndyag激光調(diào)q技術(shù)

激光連續(xù)泵浦ndyag激光調(diào)q技術(shù)

根據(jù)理論計(jì)算，q光刻脈數(shù)的峰值功率受到脈數(shù)原始波束形成之前的初始值的影響。就是說(shuō),Q開(kāi)關(guān)的關(guān)閉損耗越大,初始粒子布居數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高,越能提高輸出光脈沖的功率。在深調(diào)制的Q開(kāi)關(guān)技術(shù)中,受抑全內(nèi)反射(FrustratedTotalInternalReflection——FTIR)棱鏡開(kāi)關(guān)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,Q值調(diào)制深度大,效率高的優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)用在激光測(cè)距的軍事技術(shù)中。也有為數(shù)不多的文獻(xiàn)一般性地討論了FTIR的物理機(jī)制。我們?cè)谝延械腇TIR技術(shù)在脈沖泵浦Nd:YAG激光器調(diào)Q應(yīng)用的基礎(chǔ)上,緊密結(jié)合連續(xù)泵浦的Nd:YAG激光器的工作條件,討論應(yīng)用FTIR技術(shù)調(diào)Q的優(yōu)點(diǎn)和必要條件。1聲光調(diào)q技術(shù)的應(yīng)用按FTIR棱鏡透過(guò)率特性理論計(jì)算,當(dāng)棱鏡之間的間隙d小于激光波長(zhǎng)的十分之一時(shí),其透過(guò)率接近100%,在實(shí)驗(yàn)條件內(nèi),可達(dá)到95%。也就是說(shuō),把棱鏡的高透過(guò)率作為Q開(kāi)關(guān)的關(guān)閉損耗,是聲光調(diào)制方法難以達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)。后者是目前用于激光打標(biāo)和激光雕刻的連續(xù)泵浦的Nd:YAG激光器的唯一的調(diào)Q技術(shù),而它的關(guān)閉損耗最大也只有50%。其他的調(diào)Q技術(shù),例如被動(dòng)調(diào)Q,電光調(diào)Q技術(shù)等因難以達(dá)到穩(wěn)定的,高達(dá)幾十千周的高重復(fù)的調(diào)Q頻率,故很少在連續(xù)泵浦的Nd:YAG激光器中使用。本文希望以與聲光調(diào)Q技術(shù)相對(duì)比的方式,去分析FTIR調(diào)Q技術(shù)在連續(xù)泵浦的Nd:YAG激光器中應(yīng)用的優(yōu)越性。如果假設(shè)激光器的工作參數(shù)不變(包括對(duì)工作物質(zhì)的泵浦功率,諧振腔內(nèi)除Q開(kāi)關(guān)以外的單程損耗,腔鏡反射率和腔體幾何結(jié)構(gòu)等參數(shù)),僅僅考慮由于所采用不同的調(diào)Q技術(shù),從而不同類型Q開(kāi)關(guān)所引進(jìn)的損耗調(diào)制的差異,則任一調(diào)Q激光器(圖1),在達(dá)到激光穩(wěn)定輸出條件時(shí),有或其中R1和R2是諧振腔兩個(gè)端鏡M1和M2的反射率;γc是除激光棒以外的腔體的單程損耗系數(shù),主要來(lái)自于腔內(nèi)各光學(xué)元件表面的反射和光束的衍射損耗;γr是Nd:YAG棒的損耗系數(shù),主要來(lái)自于棒的吸收和散射;Y0是諧振腔內(nèi)除Q開(kāi)關(guān)以外自身的整體單程損耗系數(shù),它包括了γC和γr兩項(xiàng),可取γ0=0.08;γq是Q開(kāi)關(guān)的損耗系數(shù),在FTIR調(diào)Q方式中,相應(yīng)于棱鏡的透過(guò)率;γ是激光器包括Q開(kāi)關(guān)在內(nèi)的整體單程損耗系數(shù),因此包括以上各項(xiàng)損耗;α是Nd:YAG棒的增益系數(shù);按我們的討論,當(dāng)Q開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí),在聲光調(diào)制調(diào)Q方式中,取γql=0.5;在FTIR調(diào)Q方式中,取γq2=0.95。2激光峰值的提高從速率方程可近似得到其中N是歸一化粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度;Nd是歸一化下能級(jí)粒子數(shù)密度;Φ是歸一化腔內(nèi)光子數(shù);T1=[Lc+(n-1)Lr]/C,Lc是腔長(zhǎng),C是光速;τd是激光下能級(jí)壽命,n是激光棒的折射率,K1和K2是與激光上下能級(jí)有關(guān)的常數(shù)。隨著兩個(gè)棱鏡間距的拉開(kāi),透過(guò)率減少,腔內(nèi)損耗減少,到某一時(shí)刻,間距拉開(kāi)到一定數(shù)值時(shí),激光脈沖逐漸形成并且達(dá)到峰值。此時(shí),腔內(nèi)的光子數(shù)達(dá)到極大值。針對(duì)兩種不同的調(diào)Q方式,對(duì)(6)式積分可得把γ0=0.08,γq1=0.5,γq2=0.95代進(jìn)(11)和(12)式,得到因而,激光峰值高度將提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。如計(jì)及脈沖寬度的收窄,峰值功率將有極大的提高。3連續(xù)泵浦、并組合的nd標(biāo)準(zhǔn)的FTIR調(diào)Q激光器結(jié)構(gòu)如圖2脈沖泵浦的Nd:YAG激光器中,腔鏡M1與M2的反射率均是全反鏡反射率,即R1=R2=1。激光脈沖的能量是穿過(guò)棱鏡間隙輸出。當(dāng)棱鏡間隙從高透過(guò)率狀態(tài)(d=0)拉開(kāi)后,間隙對(duì)激光能量部分反射和部分透過(guò)。反射部分作為正反饋,參與激光脈沖的建立;透過(guò)部分作為耦合輸出。在脈沖泵浦的Nd:YAG激光器中,以氙燈泵浦,增益高,輸出耦合的比例高。例如電光調(diào)Q的Nd:YAG激光器,M2的透過(guò)率可達(dá)90%以上,這相當(dāng)于FTIR棱鏡的最大間隔d只拉開(kāi)到λ/10至λ/5之間的范圍。在d回復(fù)到起始位置的過(guò)程中,繼續(xù)倒空腔內(nèi)的激光能量。而在連續(xù)泵浦的Nd:YAG激光器中,以氪燈泵浦,增益較低,相應(yīng)輸出耦合的比例低。例如聲光調(diào)Q的Nd:YAG激光器,M2的透過(guò)率一般地只在10%到20%的水平,這相當(dāng)于FTIR棱鏡的最大間隔d需要達(dá)到0.8λ到0.9λ的范圍,這比前面的情況下,d大很多。在間隔d回復(fù)的進(jìn)程中,“倒空”的意義不大。為此,我們?cè)O(shè)計(jì)激光能量從M2輸出,設(shè)置R2=80%到90%,d的最大間隔達(dá)到或大于激光波長(zhǎng)。而由于M2的部分透過(guò),d的初始值可略大,這對(duì)于避免d的過(guò)小所引起的光膠有利。此外,以氪燈泵浦的Nd:YAG激光器中,調(diào)Q的激光巨脈沖寬度為102ns量級(jí),比以氙燈泵浦的調(diào)Q光脈沖寬度(10ns量級(jí))大一個(gè)數(shù)量級(jí),在FTIR調(diào)Q方案,希望在激光脈沖形成的進(jìn)程中,維持在正反饋的時(shí)間長(zhǎng)一些,利于從腔鏡M2輸出激光能量。4角波型q開(kāi)關(guān)的工作特性已有的關(guān)于FTIR開(kāi)關(guān)時(shí)間特性的分析都以棱鏡內(nèi)部超聲頻率ω作為分析的參量。其實(shí),驅(qū)動(dòng)FTIR棱鏡的是脈沖電壓,棱鏡內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)和兩塊棱鏡耦合面的移動(dòng)也都是脈沖的形式。因此,用時(shí)間參量去分析FTIR開(kāi)關(guān)的時(shí)間特性更為直接和準(zhǔn)確。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的Nd:YAG激光器調(diào)Q的重復(fù)頻率,可以從1KHz直到50KHz,看實(shí)際應(yīng)用的需要。要取得最高的調(diào)Q效率,其相應(yīng)的重復(fù)頻率取決于Nd3+離子的激光上能級(jí)壽命τu。在兩次Q開(kāi)關(guān)導(dǎo)通之間的時(shí)間間隔內(nèi),激光器處于低Q狀態(tài)。激光上能級(jí)粒子數(shù)不斷積累,并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這過(guò)程在激光上能級(jí)壽命終結(jié)時(shí)達(dá)到飽和。換言之,Q開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的重復(fù)周期等于激光上能級(jí)壽命。從有關(guān)的文獻(xiàn)可知,Q開(kāi)關(guān)開(kāi)啟的重復(fù)頻率不應(yīng)大于5KHz,常用的頻率為1～2KHz。這個(gè)參數(shù)決定于激光工作物質(zhì),所以,無(wú)論是聲光調(diào)制或FTIR技術(shù),都是一樣的。鑒于聲光調(diào)制機(jī)理與FTIR調(diào)制機(jī)理異,兩者的Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)過(guò)程的時(shí)間輪廓截然不同。前者是一個(gè)矩型的時(shí)間窗口,Q開(kāi)關(guān)快速打開(kāi)后,保持一段時(shí)間間隔,然后快速關(guān)閉。后者是靠石英介質(zhì)內(nèi)脈沖的彈性振動(dòng)實(shí)現(xiàn)Q開(kāi)關(guān)的動(dòng)作,其時(shí)間演變過(guò)程復(fù)雜得多,為簡(jiǎn)單計(jì),以一個(gè)對(duì)稱的三角波型的脈沖討論FTIR調(diào)制的時(shí)間特性。描述一個(gè)對(duì)稱的三角波型脈沖用兩個(gè)參數(shù):脈沖的高度和脈沖的上升時(shí)間。按照Nd:YAG激光器的巨脈沖形成過(guò)程的分析,由Q突變到巨脈沖輸出,中間有一個(gè)時(shí)間間隔τp,激光器需要在其間建立起足夠的背景輻射,以激發(fā)突發(fā)的受激輻射并進(jìn)一步放大,最終形成激光脈沖。為此,FTIR棱鏡間隙拉開(kāi)的時(shí)間必須小于τp,這也是對(duì)驅(qū)動(dòng)FTIR棱鏡的電脈沖的首要要求。首先,如前面討論,已設(shè)定棱鏡間隙變化量是從d=0到d≥λ,以達(dá)到完全打開(kāi)Q開(kāi)關(guān)的目的。當(dāng)達(dá)到d=λ時(shí),雖然Q開(kāi)關(guān)完全打開(kāi),但激光脈沖尚未形成。然后,按照激光能量輸出方案要求,Q突變完成后,應(yīng)保持在全開(kāi)狀態(tài)并延續(xù)一個(gè)τp的時(shí)間間隔,以孕育巨脈沖的生成。所以,實(shí)際過(guò)程是,驅(qū)動(dòng)脈沖的上升沿應(yīng)以盡量小于τp的時(shí)間拉開(kāi)棱鏡的間隙達(dá)到d=λ,并以同樣的速率繼續(xù)上升和持續(xù)τp/2的時(shí)間。然后,脈沖回落,再經(jīng)歷τp/2的時(shí)間,返回到d=λ的水平,在這段τp時(shí)間內(nèi),FTIR棱鏡透過(guò)率等于零。此時(shí),激光脈沖已形成并達(dá)到峰值,能量從腔鏡M2輸出。當(dāng)間隙繼續(xù)向初始位置回落時(shí),能量的輸出仍同步進(jìn)行直到完成。圖3是FTIR棱鏡Q開(kāi)關(guān)的時(shí)序。從圖中可看到,棱鏡的間隙從d=0初始位置拉開(kāi)至d=λ,歷時(shí)τp/2;繼續(xù)拉至d=2λ,又歷時(shí)τp/2。然后,從最大值返回,再歷時(shí)τp/2后,通過(guò)d=λ的位置,最終回到d=0初始值。完成一次開(kāi)啟動(dòng)作,共需時(shí)2τp。這樣的脈沖波型,應(yīng)能同時(shí)滿足前面討論中提到的兩個(gè)要求。驅(qū)動(dòng)FTIR棱鏡是借助換能器實(shí)現(xiàn)的。換能器的材料是壓電陶瓷。顯然,換能器應(yīng)具備寬帶和響應(yīng)時(shí)間特性好的物理性質(zhì)。對(duì)于Nd:YAG激光工作物質(zhì),λ=1.06μm,τp=1μs～2μs。扣除超聲在石英內(nèi)部的損耗和換能器連接層的阻抗,要求壓電陶瓷的伸縮幅度大于2μm,中心響應(yīng)頻率為1Mz左右。按照這些基本要求,選取合適的壓電陶瓷類型和計(jì)算電源的注入功率。5激光器整體損耗系數(shù)wlp我們比較了受抑全內(nèi)反射棱鏡和聲光調(diào)制兩種調(diào)Q技術(shù)的機(jī)理,特別討論了巨脈沖形成的過(guò)程對(duì)激光能量輸出方案,和對(duì)驅(qū)動(dòng)FTIR棱鏡方案的要求。我們認(rèn)為,連續(xù)Nd:YAG激光器采用FTIR棱鏡調(diào)Q技術(shù),其光脈沖峰值功率將會(huì)極大地提高。Lr是Nd:YAG棒的長(zhǎng)度。其中N1(0),N2(0)是分別在FTIR調(diào)Q和聲光調(diào)制調(diào)Q兩種情況下,初始時(shí)刻歸一化粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度;Np是在激光峰值時(shí)刻歸一化粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度;Γ1,Γ2是與時(shí)間有關(guān)的激光器整體的損耗系數(shù)。它們是時(shí)間的函數(shù)。對(duì)于FTIR調(diào)Q,它隨著棱鏡間的間距變化而變化;對(duì)于聲光調(diào)Q,則隨著超聲場(chǎng)的建立過(guò)程而變化。為簡(jiǎn)單計(jì),取值為初始時(shí)刻與激光峰值兩個(gè)時(shí)刻,激光器整體的損耗系數(shù)的平均值。