长春理工大学激光器件与技术第二章讲

第2章————————————————调Q（Q开关）技术§2.4声光调Q一.声光调Q原理利用晶体的声光效应可做成声光Q开关器件。具有调制电压低、脉冲重复性能好、脉宽窄等优点，也是目前应用比较广泛的一种调Q技术。声光效应：声波是一种弹性波，当声波在介质中传播时，会使介质产生相应的弹性形变，激起介质中各质点沿声波的传播方向振动，从而引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，介质的折射率也随之发生周期性变化。§2.4声光调Q器件：声光调Q和声光调制器相同点：声光调Q和声光调制器都是利用晶体的声光效应，以声光相互作用原理为基础。声光介质在超声波的作用下，折射率发生周期性的变化，使介质变成正弦相位光栅，当光通过这样的介质时，发生衍射。不同点：声光调制器采用两种衍射方式，拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射。声光Q开关考虑效率问题只采用布拉格衍射。拉曼-奈斯衍射产生多级衍射光，各级光的衍射效率比较低，不易实现调Q。（目前也有这种衍射的Q开关，但不常见）。§2.4声光调Q二.声光Q开关结构声光介质熔融石英、玻璃、钼酸铅等电声换能器石英、铌酸锂等吸声材料铅橡胶、玻璃棉等驱动电源§2.4声光调Q声光Q开关厂家：国外：GOOCH&HOUSEGO（NEOS）古奇公司代理商：广州安特激光技术有限公司武汉新特光电技术有限公司国内：重庆26所。§2.4声光调Q调Q过程：把声光Q开关插入谐振腔内，当声光电源产生的高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，形成的超声波振动在声光介质中使折射率发生变化，形成等效的“相位光栅”，当光波通过声光介质时，便产生布拉格衍射。衍射光相对入射光有2θB角的偏离。这一角度完全可以使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低Q值状态，Q开关“关断”；当射频信号停止，声光介质中的超声场消失，谐振腔又变为高Q值状态，相当于Q开关“打开”。射频信号交替变化一次，Q值也交替变化一次，使得激光器输出一个调Q脉冲。§2.4声光调Q连续泵浦下激光器的声光调Q：泵浦速率保持不变，谐振腔的Q值（即谐振腔的损耗）以频率f由高Q态到低Q态做周期性变化，故激光工作物质的反转粒子数也做相应的变化，最后输出重复频率为f的激光脉冲。图-连续泵浦高重复频率调Q过程§2.4声光调Q三个f相同：脉冲调制器产生的方波频率高频振荡信号的频率，即超声场出现的频率激光器输出脉冲重复频率。最佳重复频率的选取：1）重频较高时，脉冲之间没有足够的时间使激光上能级的反转粒子数达到最大，造成激光的输出功率的降低和脉冲宽度的变宽2）重频较低时，由于自发辐射跃迁，部分反转粒子数损耗掉，影响器件的效率。为了能使激光工作物质积累足够多的粒子数，并避免自发辐射损耗，相邻两个脉冲的间隔1/f要大致与激光介质上能级寿命相当。例如对于Nd:YAG来讲，上能级寿命约230μs，则最佳重频在4~5kHz间。§2.4声光调Q利用声光器件作为开关元件，实现“腔倒空”是一种腔内储能(光子)的运转方式。当声光器件上未加电压时，谐振腔处于高Q值状态，在腔内可建立起极强的激光振荡，但无输出；腔内光子数密度达到最大值后，突然在声光器件上加电压形成超声场，使激光束几乎全部发生偏转，腔内存储的光子能量几乎全部从平面反射镜M4处输出。优点：脉宽极窄，2L/c，重复频率可达到MHz以上。声光腔倒空激光器§2.4声光调Q实现声光腔倒空的器件要求：为了尽可能实现腔倒空，所用声光器件必须只有1级衍射光，而且衍射效率应尽量接近100%，因而必须用严格的布拉格衍射器件；腔倒空方式要求开关速度要快得多，其上升时间大约为5ns，光束必须聚焦到一个直径为50μm的区域上；为了提高布拉格衍射效率，腔倒空器件的调整频率要高得多，因此，可以直接把超声频率作为调制频率，这样，输出光脉冲的重复频率可以高达MHz量级以上。§2.4声光调Q三.声光调Q器件的设计1).材料的选择电-声换能器---机电耦合系数大的材料。例如石英和LiNbO3晶片。LN的机电系数比石英大25倍，但目前大面积的LN加工难度大。声光介质---介质的品质因数大；对光的吸收小；对超声波的吸收小；具有良好的热稳定性；有足够大的尺寸；光损伤阈值高。目前常用熔融石英。§2.4声光调Q2).尺寸的选择由于布拉格衍射效率要高于拉曼-纳斯衍射效率，因此，目前的声光Q开关多是基于布拉格衍射效率制作。为了获得高的布拉格衍射效率，根据衍射效率公式：在一定的声功率Ps下，L/H越大，衍射效率越高。所以L应尽可能取大一些，声柱宽度H则应该尽量小。一般取与激光束的直径相当或稍大一点。与换能器相对的面最好磨成复合角，这样可大大降低超声波的反射回波影响。(1)(2)要获得100%的衍射效率，则v=π，由于：可求得声功率Ps：§2.4声光调Q驱动声功率可根据布拉格衍射公式求出：可见，要使用较小的声功率，除选用品质因子高的声光介质外，合理设计声光介质的尺寸也是必须的。(3)(4)(5)3).驱动声功率的确定§2.4声光调Q四.声光Q开关的选用当选择一个声光Q开关时，要严格注意Q开关的每一个参数，合理地选择一个Q开关就能够确保Q开关被正确地应用于特定的激光器中，并保持最佳性能。参数：超声频率通光孔径超声波模式§2.4声光调Q超声频率：24MHz和27MHz一般都是适用于激光功率30W到100W的YAG(1064nm)激光器中的声光Q开关的频率。当然也有适用于在更短谐振腔YAG激光器中使用的更高射频频率，例如41MHz和68MHz，这是因为更高的射频频率具有更大的声光偏转角，进而具有更强的关断能力。(6)§2.4声光调Q通光孔径：这个参数反应出导致Q开关运行的超声束的有效垂直高度（以毫米为单位）。通常是1mm、1.6mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6.5mm和8mm，只有通过这个范围的激光束部分才能被调制。选择通光口径应特别注意：1)在最小射频功率达到最大调制损耗的情况定义为最佳调制效率。为达到最佳调制效率，尽量选取通光口径与光束直径相接近。没有激光束通过部分的超声能量被浪费，因而器件的效率将降低。2)如果激光束大于通光口径，则大于部分的激光束不能被调制，即会出现漏光。3)为了调整方便，通光口径应该比激光束稍微大一点，这种情况在实际应用中很普遍。例如，如果你的激光束直径是1.7mm，则通光口径2mm的Q开关是适合的（2mm的通光口径即比激光束直径略大一点）。§2.4声光调Q§2.4声光调Q超声模式：在声光器件中主要有三种不同的声波结构：1)剪应变波（Shear，称S模式或剪应模式）：它在所有方向上都有一样的调制，因此它主要用在非偏振光激光器中。2)压缩波（Compressional，称C模式或压缩模式）：当激光束是垂直于Q开关底部的线偏振光时，压缩波呈现比剪应变波更高的效率，因此它主要用于偏振光激光器中，所需的射频功率也比剪应变波来的小。3)正交压缩波（two-orthognalcompressional，称D模式或正交模式）：在高功率非偏振光激光器中，这种结构有更高的调制能力。说明：a：尽管压缩波不是在所有方向上有相同的调制能力，但也有很多用户将压缩波Q开关用于非偏振光激光器中，并取得了很好的效果。因此它与具体的激光器结构有很大的关系，用户在不能确定使用哪种超声波模式的时候可以试用来确定效果b：石英晶体仅仅应用于压缩波（即C型）的Q开关中，它不应用于S和D型Q开关中，它的最佳光学偏振垂直于超声传播方向，它在非偏振系统中也有一些其它用途。§2.4声光调Q四、声光调Q动态实验及输出特性§2.4声光调Q实验结果及分析§2.4声光调Q开展实验的步骤：前期文献调研→理论计算与实验结果预测→明确的实验目的→所用器件参数的计算、调研和购买→准备实验→开展实验→数据→数据处理→实验结果分析→实验改进→达到预期效果→撰写文章§2.4声光调Q电光调Q同步性能好，使用寿命长输出脉冲稳定可获得几十兆瓦以上的峰值功率和常见几纳秒脉宽的脉冲功耗大，半波电压较高，需要几千伏的高压脉冲对其它电子线路易造成干扰调制脉冲重复率一般偏低体积较大声光调Q调制电压低（100伏左右）脉冲重复性能好可获得峰值几百千瓦，脉宽几纳秒～几十纳秒脉冲输出对高增益激光器的开关能力较差声光调Q小结当频率fs=40MHz的超声波在熔融石英声光介质(n=1.54)中建立起超声场(vs=5.96*105cm/s)时，试计算波长为1.06μm的入射光满足布拉格条件的入射角θ。一个声光调Q器件(L=50mm,H=5mm)是用熔融石英材料做成的，用于连续YAG激光器调Q。已知声光器件的电声转换效率为40%，求(1)声光器件的驱动功率Ps应为多大？(2)声光器件要工作于布拉格衍射区，其声场频率应为多少？设计声光Q开关需要考虑哪些因素？§2.5被动式可饱和吸收调Q一、可饱和吸收体调Q的基本原理可饱和吸收染料：某些有机染料是一种非线性吸收介质，即其吸收系数并不是常数，在较强激光的作用下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现几乎透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料。吸收系数可表示为：0:光强很小时的吸收系数Is:染料的吸收饱和光强参数(与染料种类及浓度有关)光强很小时，吸收系数很大，I=0时,=0光强很大时，吸收系数很小，I>>Is时,=0(1)§2.5被动式可饱和吸收调Q利用一种可饱和吸收体做为Q开关，这种可饱和吸收体是一种非线性吸收物质，把它放在谐振腔内，利用它对光的可饱和吸收特性来改变谐振腔内的吸收损耗，起到Q开关的作用。实验装置示意图§2.5被动式可饱和吸收调Q开始泵浦腔内荧光弱吸收系数大Q值低不能形成激光；继续泵浦腔内荧光变强吸收系数变小荧光达到一定值时，吸收系数饱和染料被漂白Q值突增，形成调Q激光脉冲；腔内光场迅速减弱吸收系数变大Q值低不能形成激光。。。调Q工作过程：§2.5被动式可饱和吸收调Q二、染料调Q激光器1.染料Q开关激光器的形式：染料盒和全反射镜合为一体，利用染料盒的后壁做全反镜。在锁模激光器中常用。染料盒单独放在腔内，这种结构中应注意避免染料盒的表面和反射镜之间形成寄生振荡。一般染料盒倾斜一个小角度，也可以倾斜布儒斯特角放置。§2.5被动式可饱和吸收调Q三、影响调Q效果的因素主要讨论吸收体、吸收体浓度、输入能量、输出镜反射率等对调Q效果的影响。1.染料吸收体吸收体是染料Q开关的核心，它对调Q的效果影响最大。因此合理的选择染料很重要，并不是什么样的染料都可以做调Q开关，而且不同的工作物质所需要的染料不同。染料需满足下面条件：（1）吸收体的吸收峰和激光器的中心波长对应。（2）染料配成溶液要具有一定的稳定性。（3）选择的染料必须有高的开关效率。（4）吸收饱和光强参数须小于介质的增益饱和光强参数，Is<Is。（5）吸收饱和光强参数Is的大小要适当。§2.5被动式可饱和吸收调Q2.染料浓度的影响（1）染料浓度大染料从基态的粒子激发到高能态达到饱和时吸收的光强多——饱和光强Is大，因此染料从初态到饱和需要的时间长——延迟时间长。如果密度太大，饱和光强过大，腔内的光强不能使染料达到饱和，这时染料起不到Q开关的作用。（2）染料的浓度小染料浓度小，Is小，延迟时间短——积累的反转粒子数少，输出功率小。同时，由于Q开关打开的时间早，容易出现多脉冲。所以如果染料浓度过小就会出现尖峰振荡。结论：在一定的输入能量下，存在一个最佳浓度，延迟时间正好使反转粒子数达到最大值。此时激光器输出为单脉冲，峰值功率最高。§2.5被动式可饱和吸收调Q3.输入能量一定的输入能量对应一个最佳浓度。输入能量改变，最佳浓度变，当输入能量增加时，最佳浓度向着高浓度的方向移动。因为输入能量的变化，相当于腔内光强变化，延迟时间变化，积累的反转粒子数变。4.输出镜反射率的影响反射率影响染料的“漂白”时间。反射率大，腔内初始光功率密度高，染料漂白时间短；反射率小，腔内光功率密度小，漂白时间长。因此输出镜反射率的取值比静态激光器的最佳反射率低，这样可使漂白时间变长，利于反转粒子数的积累。§2.5被动式可饱和吸收调Q四、染料Q开关的特点：优点：简单方便。这种Q开关只要配好溶液放在染料盒内，或做成染料片成品，放谐振腔中即可。而电光调Q中还需要一套电路系统控制Q开关。速度快。染料Q开关属于快开关。一般10-9ns量级。自动实现开关和增益的调谐。具有选模的作用。在中心频率附近的模式，增益高，先振荡，消耗；而增益低的模式被抑止（在漂白前）。漂白后，其他模能够振荡。缺点：同步精度差。不需要同步装置—简单，但要得到很好的调Q效果需要经过反复实验。而实际要求和Q开关激光器同步，染料Q开关不能使用。稳定性差。染料的溶液不稳定，影响输出的功率不稳定。输出功率不能很大。因为染料调Q激光器实际上在阈值附近工作。因此染料Q开关激光器适用于同步精度要求不高，稳定性要求不高的实际应用。