【教学课件】第三节Q调制.ppt
第三节 Q调制,7.3.1 Q调制引言,一、调Q目的,压窄光脉冲宽度,使有限的激光能量在极短的时间内输出以提高脉冲峰值功率。,应用:激光测距、激光雷达、非线性光学、激光加工等。,二、一般固体激光器的输出时间特性,由于驰豫振荡，输出由一系列宽度为微秒量级的“小尖峰序列”构成的几百微秒或几毫秒宽的无规脉冲。峰值功率：几十KW。,三、调Q基本术语,调Q：调腔内损耗,Q开关：执行调Q功能的器件,巨脉冲：调Q产生的激光脉冲,四、调Q基本原理,1、原理：通过某方法使腔内损耗按规定程序变化。,2、具体过程,泵浦开始时：调节腔使其高损耗，(低Q)，阈值Dnt 高，Q开关关闭，不出激光。上能级粒子数积累。,在适当时刻：即上能级粒子数积累到一较高水平时，突然调节腔使其低损耗，(高Q)，Dnt 低，Q开关打开，受激辐射迅速增长，上能级粒子在短时间内释放储存的能量而形成巨脉冲。,3、调Q脉冲的脉宽和峰值功率,(1)脉宽：几ns 几十ns。,(2)峰值功率：高于MW。,4、调Q脉冲的形成过程,(1)t 0(开关关闭)：高损耗，腔内光子平均寿命为，阈值：，泵浦使。,(2)t=0(开关打开)：,无激光，只有少数自发辐射光子Ni。然后突然降低损耗到，光子寿命为，阈值降为，使满足，则光子数N，则。,(3)t=tP：,光子数N=Nm(最大)。,(4)t tP：,光子数N由Nm开始下降直到N=Ni，时，巨脉冲熄灭。,五、调Q的分类,1、分类一：按照所控制的损耗种类。,(1)控制反射损耗的：转镜调Q、电光调Q等。,(2)控制吸收损耗的：可饱和吸收调Q。,(3)控制衍射损耗的：声光调Q。,(4)控制输出损耗的：透射式调Q等。,2、分类二,(1)主动调Q：由外部驱动源控制谐振腔损耗。,(2)被动调Q：由激光本身光强来控制谐振腔损耗的，如：可饱和吸收调Q。,7.3.2 Q调制方法,机械转镜调Q,电光调Q,声光调Q,可饱和吸收调Q(被动调Q),一、机械转镜调Q,工作物质,部分反射镜,泵浦灯,电源,全反射镜,电机,触发电路,延迟装置,y,x,z,1、装置,可为全反介质膜片，也可为直角棱镜,转镜可绕 z 轴高速转动。,2、调Q原理,控制反射损耗。,泵浦等点燃后，如果转镜与腔轴不垂直，则损耗大，处于低Q状态，Q开关关闭，激光上能级粒子数不断积累，积累到饱和时，若转镜表面刚好转到与腔轴垂直位置，则腔损耗最小，处于高Q状态，Q开关打开，则巨脉冲形成。,3、注意事项,(1)准确控制延迟时间以获得稳定的最大功率输出。,原因：泵浦等点燃后，需要经过一延迟时间以保证上能级粒子数有一个积累过程，最佳延迟时间刚好使上能级粒子数达到饱和值时，延迟时间过短或过长都无法达到最大功率输出。,实现：要设计同步和延迟装置。,说明：最佳延迟时间与上能级的粒子寿命、泵灯的放电波形及腔的结构均有关。,(2)控制转镜的最佳转速，一般控制为：几万转/分,转镜Q开关是慢开关！,二、电光调Q,1、晶体的电光效应,(1)定义：外加电场使构成晶体的原子分子排列发生一定的变化，从而引起晶体折射率也发生变化，也使晶体双折射性质发生变化。,结果：多各向异性晶体，除存在自然双折射外，还存在因外加电场而引起的感应双折射。,(2)公式：,线性电光效应(普克尔效应),电光调Q的基础,二次电光效应(克尔效应),非线性效应，一般较小,2、电光调Q,(1)采用KDP类晶体的63描述的纵向电光效应,未加电场：折射率主轴为x、y、z(光轴和电场方向),加上z向电场后：折射率主轴将旋转为与未加电场时的x、y轴成45度夹角，z轴不变，即：,电压,z向厚度,可见，x轴为快轴，y轴为慢轴。,则x方向谝振的沿z向照到晶体上后，将分解成沿x和y方向偏振的等幅度偏振光，二者经过晶体后的位相差为：,V为1/4波电压,V为半波电压,(2)装置,(3)调Q原理,(a)图调Q原理：光经P后成为x方向的偏振光，沿z向照到晶体上后，分解成沿x和y方向偏振的等幅度偏振光，设晶体上加1/4波电压，则相位差为/2，经全反镜，再经晶体后，共产生位相差，偏振面将旋转90度，无法再穿过P。此时损耗大，Q开关关闭，激光不产生，激光上能级积累粒子，适当时候拆区电压，则损耗小，Q开关打开，巨脉冲形成。,：,减压式调Q,(b)图调Q原理,若P1/P2：若加半波电压，产生相位差，偏振面转90度，光不通过P2，处于高损低Q状态，Q开关关闭，拆区电压，Q,开关关闭，拆区电压，Q 开关打开，巨脉冲形成。,若P1P2：若不加电压，则通过P1的光不能通过P2，处于高损低Q状态，Q开关关闭，加上半波电压，产生相位差，偏振面转90度，光刚好通过P2，Q开关打开，巨脉冲形成。,减压式调Q,加压式调Q,3、电光调Q的优缺点,(1)优点:开关时间取决于电路的高压上升和退压时间，能做到小于脉冲建立时间，属快开关类型，寿命长，输出巨脉冲稳定性好，重复性好，适合大能量调Q，脉宽可达十几ns，峰值功率：几十MW。,(2)缺点:需几千伏高压，易引起对其他好线路的干扰。,KDP：,KDP：,三、声光调Q,、声光作用：当超声波在某些介质中传播时,介质将产生与声波信号相应的随时空变化的弹性形变，从而导致介质折射率随时空间周期性变化，则该介质等效为相位光栅，光栅常数为s,当光进入此相位,光栅时将发生衍射，部分光将偏离原来方向，该现象称为声光衍射现象。,2、声光作用分类,(1)喇曼-奈斯衍射：当超声波频率较低时，光线平行于声波波面入射，声光作用长度d较小，且满足ds2/2。,入射光Ii,超声波s,I0,I+1,I+2,I-1,I-2,(2)布拉格衍射(调Q所用)：当超声波频率较高时，光线与声波波面成一夹角入射，且声光作用长度d较大，且满足ds2/2。,入射光Ii,超声波s,I0,I0,I-1,i,2i=2d,Sind=/2s,特点:只出现0级和1级或-1级,视入射光方向而定,适当调节参数可使能量全部集中在1级或-1级。,H：换能器宽度,d：换能器长度,M：声光介质的品质因素,P：超声驱动功率,3、声光调Q装置,透反镜,全反镜,YAG,高频振荡驱动电源,换能器,声光介质,吸声介质,换能器：利用反压电效应将电能转化为机械能，以产生超声波。,吸声介质：吸收传来的声波，以免形成声驻波效应而延长开关时间。,4、声光调Q原理,声光Q开关加上电压后在介质中形成超声波，当入射光以sin2d=s/2 角度入射时，衍射光偏离入射光即腔轴线方向，导致损耗增加，Q开关关闭，激光上能级积累粒子，当粒子积累达饱和时，突然拆去超声场，衍射消失，腔损减小，Q开关打开，巨脉冲形成。,5、声光调Q器件设计中的注意事项,(1)合理设计超声柱的尺寸，声光距离由布拉格判据决定。,(2)换能器材料应有较大的机电耦合系数，以提高声电转换效率。,(3)声光材料品质因素M要较大，对光和超声波吸收要小，以免产生热量扰乱位相光栅；要有良好的热稳定性；光学上均匀，有足够大尺寸，对功率大的激光调Q器件，应考虑介质有较高的激光损耗阈值。,(4)为避免声光介质对光和声吸收产生的热量不能耗散而导致介质中形成温度梯度，应考虑水冷散热问题。,(5)由于驻波型超声波不易迅速消除而导致开关时间加长，在声光介质另一侧加吸声材料使介质中只允许行波超声波，以加快开关时间。,6、声光调Q的优缺点,(1)调制电压低(200V)，多用于低增益的连续激光器，峰值功率：几百瓦；脉宽：几十ns；形成高重复率脉冲。,(2)缺点：对高能激光器的开关能力差，故不适用于高能调Q激光器。,7、常用声光材料,(1)声光介质：氧化碲(TeO2)、钼酸铅(PbMoO4)(对1.06m通光力差，影响调Q输出功率)；熔融石英(便宜，好光学加工，可用于大功率声光调Q激光器)等。,(2)吸声材料：铅橡胶、玻璃棉。,(3)换能器：铌酸锂(LiNbO3)、石英等。,四、被动调Q可饱和吸收调Q,1、可饱和吸收液体的吸收系数公式,假设：均匀加宽、二能级系统、f1=f2，21=12。,公式,其中:,0:吸收谱线中心频率,说明:0(0)随I增大而减小，入射光几乎全部透过，称为“漂白”,2、可饱和吸收调Q原理,将可饱和吸收体放入谐振腔，泵浦开始时，因较大，则腔处于高损低Q状态，激光上能级不断积累粒子，而腔内荧光不断增强，当光强可与Is相比拟时，减小，达到一定程度时，染料“漂白”，腔处于低损高Q状态。巨脉冲形成。,3、装置,工作物质,透反镜,全反镜,染料盒或染料片,4、常见的可饱和吸收体各种染料,各种染料:BDN；五甲川；十一甲川；隐花青,溶剂：丙酮；二氯乙烷,5、染料调Q的注意事项,(1)染料的吸收中心波长要与激光波长基本吻合。,(2)染料的饱和吸收光强Is应大小适当，若太小，则激光上能级粒子积累不充分，开关作用差，若太大，则染料难以达到饱和，激光阈值高，Q开关速度慢。,(3)染料溶液应有一定的稳定性。,6、染料调Q的优缺点,(1)简单方便，峰值功率：KMW，脉宽：几十ns。,(2)缺点：染料易变质，输出不稳定性，易受染料浓度、激光能量及染料盒的影响。,7、新型固体饱和吸收材料(1060nm),Cr4+:YAG、Cr4+:GSGG、Cr4+:GSAG、Mg2SiO4、LiF:F-2等。,7.3.3 调Q激光器基本理论,一、处理方法,速率方程 调Q激光的峰值功率、巨脉冲能量及脉冲时间特性,二、简化假设,1、损耗从H降为为瞬时的，即阶跃式突变的适用于快开关调Q。,2、设腔长等于工作物质长度，L=l。,3、系统为三能级系统，且=0，f1=f2。,4、F=1，则忽略A31和S21，则n1W13=n3S32。,三、反转集居数和光子数密度速率方程,方程,注：(1)从t=0，即Q开关打开时开始讨论。损耗不能忽略！,(2)根据三能级系统速率方程及简化假设可以证明式。,四、激光器的输出峰值功率,1、峰值功率公式,S:工作物质横截面积,T:输出反射镜透过率,、公式证明(略)(了解),3、讨论,(1)ni/nt越大，则Nm越大，Pm越大。,(2)影响ni/nt大小的因素,H/越大，ni/nt越大。因为H越大，意味着Q开关关闭时，允许达到而又不超过阈值nt的ni就越大，而Q开关打开时的越小，则nt越小。,泵浦功率越高，ni/nt越大。,在相同的泵浦功率下，上能级的寿命越长，ni/nt越大。,荧光寿命,红宝石,钕玻璃,YAG,CO2,He-Ne,染料,3ms,0.7ms,0.23ms,1ms,20ns,ns,工作介质,氦氖激光器与染料激光器不适合采用调Q技术！,五、巨脉冲能量,1、输出巨脉冲能量,(1)公式,其中：为“储能”，即储存在工作物质中可能转变为激光的初始能量。,V：工作物质体积。,为巨脉冲熄灭后工作物质中剩余的能量。,储能利用率,(2)公式证明,发射一个光子，则n减少2，设巨脉冲开始时，n=n i，熄灭时n=n f，则巨脉冲持续过程中单位体积工作物质发射的光子为：,则腔内巨脉冲的能量：,从而：,则输出巨脉冲能量为：,a：腔内净损耗。,2、影响输出巨脉冲能量的因素,(1)储能Ei越大，输出能量E越大。,(2)nf/ni越小，则储能利用度越大，从而输出能量E越大。,3、影响nf/ni大小的因素,(1)隐函数公式,(2)公式证明(略)(了解),(3)讨论,如果：,六、巨脉冲的时间特性t 调Q脉宽,1、巨脉冲宽度定义：脉冲形成中，光子数密度由Nm/2上升到Nm所需时间tr和由Nm下降到Nm/2所需时间te之和。,Dtr,Dte,Dt,2、t的估算方法,积分该式,(7-3-5)代入,思路：式给出nt关系，由知Nn关系，代入可知Nt关系，从而知脉宽t。,上升沿,同理：,下降沿,难以获得解析式！需要数值求解！已知ni/nt，由即可求得tr和te，从而求得t的数值解。,3、t的数值解结果讨论,(1)ni/nt越大，则tr和te同时变窄，且tr比te更窄。,理由：ni/nt越大g净增大N的增长和n的下降越快脉冲建立和熄灭过程越短。,(2),要使t小，则L不能太长，不能太小！,七、实际调Q情形,1、理论或数值计算与实测值之间有差异。,差异产生原因？,泵浦激励不均匀，中心大，边缘小Dn 分布不均匀 脉冲建立时间不同(中心部分先建立，边缘后建立)输出脉冲是中心到边缘多个脉冲叠加的结果，故变宽脉冲能量分散在较大的时间范围内，则峰值功率小。,Q开关时间并非瞬时，需要时间脉宽变宽，峰值功率下降。,2、调Q巨脉冲宽度较窄，在此短时间内四能级系统的激光下能级来不及抽空，故调Q器件中的四能级系统接近三能级系统。,7.3.4 另一类激光调Q分类及腔倒空技术,一、另一类激光调Q分类,按照巨脉冲输出前能量的储存地点进行分类。,脉冲反射式调Q,脉冲透射式调Q(腔倒空),脉冲透反式调Q,二、脉冲反射式调Q,输出前为工作物质储能,t,Q,工作物质储能,输出光脉冲,特点：低Q时，工作物质上能级积累粒子，因而储能，高Q时巨脉冲振荡并输出，振荡和输出同时进行，脉宽,脉宽取决于激光增长和衰减过程。光束需在腔内往返若干次才能完成率减过程，故脉宽可达数十纳秒。(思考：t=?),例：饱和吸收调Q、电光调Q、声光调Q、转镜调Q。,三、脉冲透射式调Q(腔倒空),输出前为谐振腔储能,t,Q,谐振腔储能,输出光脉冲,特点：谐振腔有全反镜M1和可控反射镜M2构成，t 0时，M2全反，腔处于高Q状态，激光振荡而无输出，即此时由谐振腔储能；当t=0时，控制M2使其透过率达100%，则腔内激光迅速逸出腔外，形成巨脉冲。,脉冲仅为数纳秒。,典型例子：声光腔倒空氩离子激光器,Ar+激光器,M1,M2,M3,M4,A,B,C,D,E,声光器件,M1M4:全反镜,调Q原理,声光器件未加电压时，光路如图实线所示，此时为高Q，激光振荡产生，但无法输出，为谐振腔储能。,Ar+激光器,M1,M2,M3,M4,A,B,C,D,E,声光器件,声光器件加上电压时，光由A射到B后将发生布喇格衍射，零级部分射到C再被反射回B，其一级衍射光经D射到M4后输出；此外，光由A射到B后，经衍射的一级衍射光射到E再反射回B，其零级衍射光也经过D射到M4后输出。,四、脉冲透反式调Q,t,Q,工作物质储能,输出光脉冲,谐振腔储能,脉冲输出前能量先储存在工作物质,再储存在谐振腔中!,特点：开始时,腔处于高损低Q状态,无激光,上能级积累粒子,即工作物质储能,当积累几乎达到饱和时,Q开关打开,腔处于高Q低损状态,则激光振荡但不输出，即谐振腔储能。当腔内激光达到一定值时，突然使激光从某一镜输出，故此为脉冲反射式调Q和脉冲透射式调Q的结合。,典型例子：脉冲透反式YAG调Q激光器,电光晶体,格兰镜1和2的偏振化方向一致！,调Q原理,开始时，不给电光晶体加压，则腔内光束经格兰镜2后逸出腔外，腔处于高损低Q状态，激励使激光上能级不断积累粒子，此为工作物质储能。若突然给电光晶体加上半波电压，则格兰镜1出射的光经电光晶体后偏振面转/2，而被镜2反射到下面全反镜，形成高Q，则有激光但不输出，即腔储能。当腔内激光达到最大值时，突然拆去晶体上的电压，则激光在2L/c时间内向右射出！,
