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光学元件

调Q技术简介

星之球激光 来源:佳工机电网2013-01-30 我要评论(0 )   

激光 调Q技术是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中,从而使激光光源的峰值功率提高几个数量级的一种技术。激光调Q技术的基础是一种特殊的光学元件--快速腔内光开关,一般...

       激光调Q技术是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中,从而使激光光源的峰值功率提高几个数量级的一种技术。激光调Q技术的基础是一种特殊的光学元件--快速腔内光开关,一般称为激光调Q开关或简称为Q开关。激光调Q技术的目的是:压缩脉冲宽度,提高峰值功率。

  Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标,一个品质因数。Q值定义=2π×谐振腔内储存的能量/每震荡周期损耗的能量。

  Q值愈高,所需要的泵浦阈值就越低,亦即激光愈容易起振。在一般的脉冲固体激光器中,若不采用特殊的措施,脉冲激光在腔内的振荡持续时间与光泵脉冲时间(毫秒量级左右)大致相同,因此输出激光的脉冲功率水平亦总是有限的。

  如果采用一种特殊的技术,使光泵脉冲开始后相当长一段时间,有意降低共振腔的Q值而不产生激光振荡,则工作物质内的粒子数反转程度会不断通过光泵积累而增大,然后在某一特殊选定的时刻,突然快速增大共振腔的Q值,使腔内迅速发生激光振荡,积累到较高程度的反转粒子数能量会集中在很短的时间间隔内快速释放出来,从而可获得很窄脉冲宽度和高峰值功率的激光输出。实现以上目的,最常用的方法是在共振腔内引入一个快速光开关--Q开关,其在光泵脉冲开始后的一段时间内处于“关闭”或“低Q”状态,此时腔内不能形成振荡而粒子数反转不断得到增强。在粒子数反转程度达到最大时,腔内Q开关突然处于“接通”或“高Q”状态,从而在腔内形成瞬时的强激光振荡,并产生所谓的调Q激光脉冲输出到腔外。

  下面分别介绍几种常用的调Q开关和工作原理。主动调Q一般是有电光晶体调Q,声光晶体调Q;被动调Q一般有可吸收染料调Q,Cr4:YAG可饱和吸收调Q。

  电光调Q技术

  利用晶体的电光效应,在晶体上加一阶跃式电压,调节腔内光子的发射损耗。开始工作时,晶体两端加一电压,由于晶体的偏振效应,谐振腔的损耗很大,Q值低,激光不振荡,激光上能级不断积累粒子数,Q开光处于关闭状态。某一特定时刻,突然撤去晶体两端电压,谐振腔突变至损耗低,Q值高,Q开关打开,形成巨脉冲激光。典型的Nd:YAG,电光调Q激光器的输出光脉冲宽度约为纳秒级,峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦。适用于脉冲式泵浦激光器。

       声光调Q技术

  声光调Q技术,是利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q任务。声光调Q器件,由声光互作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成。换能器将高频信号转换为超声波。在激光腔内插入声光调Q器件,可以产生很高的衍射损耗,此时腔内具有很低的Q值,Q开关处于关闭状态。当激光高能级积累大量粒子数时,撤除超声波,衍射效应即刻消失,损耗下降,Q开光打开,激光巨脉冲遂即形成。声光调Q技术用于低增益的激光器,可获得脉宽几十纳秒,功率几百千瓦的高频脉冲。但对高能量激光器的开关能力差,不宜用于高能调Q激光。

  可饱和吸收染料调Q

  某些染料媒质具有突变的吸收饱和特点,当波长处于其吸收峰附近入射光信号较弱时,染料媒质对入射光呈现出非常明显的吸收趋势(相当于处于“关闭”状态);当入射光信号增强到一定程度时,染料媒质对入射光突然呈现出明显的吸收饱和趋势(相当于近似透明的“接通”状态)。利用某些染料的上述特点,可将其置于共振腔内起到调Q开关的作用。光泵脉冲开始后的一段时间,工作物质的初始受激发射信号较弱,染料开关处于关闭状态。当工作物质粒子数反转程度达到最大,受激发射光强增大到足以使染料开关处于吸收饱和状态(或称为“漂白”状态),从而在腔内接通振荡回路并形成调Q激光输出。染料调Q开关的优点是装置简单、成本低。不足之处是光化学稳定性较差,调Q重复性精度不高。

  Cr4:YAG可饱和吸收来调Q

  Cr4:YAG晶体在一定范围内有较强的可饱和吸收特性,因此可用作特定波段激光器的被动调Q元件。对比于其它被动调Q元件,Cr4:YAG晶体具有吸收截面大、可饱和吸收稳定性好、使用方便的优点,因此很适合半导体泵浦的固体激光器产生被动调Q,同时被动调Q开关对激光器的单纵模也有一定的辅助作用。

  新的激光调Q技术不断得到开发和应用,其中包括主动调Q和被动调Q相结合的主被动双调Q技术、双被动调Q技术、调Q锁模技术,调Q技术在半导体泵浦脉冲激光器中的应用,引起了极大的关注。
 

 

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