长春理工大学 激光器件与技术 第二章-3讲
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(4)
可求得声功率Ps:
1 H 2 Ps 2 L M2
(5)
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。
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
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:
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
调制电压低(100伏左右) 声光调Q 脉冲重复性能好 几纳秒~几十纳秒脉冲输出 对高增益激光器的开关能力 可获得峰值几百千瓦,脉宽 较差
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
3). 驱动声功率的确定
驱动声功率可根据布拉格衍射公式求出:
I1 1 2 sin ( ) 1 cos Ii 2 2
要获得100%的衍射效率,则v=π,由于:
(3)
2L M P H 2 s
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。
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 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→ 数据记录→数据处理→实验结果分析→实验改进→ 达到预期效果→ 撰写文章
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
同步性能好,使用寿命长 输出脉冲稳定 电光调Q 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
§ § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §
第2章
————————————————
调Q(Q开关)技术
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
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
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
声光腔倒空激光器
• 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。
声光调Q 小结
第 二 章 调 Q 技 术
• 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?
• 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)。
图-连续泵浦高重复频率调Q过程
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 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。
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
四、声光调Q动态实验及输出特性
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 实验结果及分析
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
• 超声频率 • 通光孔径 • 超声波模式
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
超声频率:
• 24MHz 和27MHz 一般都是适用于激光功率30 W到100 W的
YAG (1064 nm)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。
2224声光调q电光调电光调qq同步性能好使用寿命长同步性能好使用寿命长输出脉冲稳定输出脉冲稳定可获得几十兆瓦以上的峰值可获得几十兆瓦以上的峰值功率和常见几纳秒脉宽的脉功率和常见几纳秒脉宽的脉冲冲功耗大半波电压较高功耗大半波电压较高需要几千伏的高压脉冲需要几千伏的高压脉冲对其它电子线路易造成干对其它电子线路易造成干扰扰调制脉冲重复率一般偏低调制脉冲重复率一般偏低体积较大体积较大声光调声光调qq调制电压低调制电压低100100伏左右伏左右脉冲重复性能好脉冲重复性能好可获得峰值几百千瓦脉宽可获得峰值几百千瓦脉宽几纳秒几十纳秒脉冲输出几纳秒几十纳秒脉冲输出对高增益激光器的开关能力对高增益激光器的开关能力较差较差长春理工大学电子科学与技术系page
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)。
sin B fs 2ns 2nvs
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
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、6.5 mm 和 8mm,只有通过这个范围的激光束部分才能被调制。
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
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
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
输出耦合镜
前腔镜 衍射光
吸声材料
声光介质
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术Biblioteka • 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。
为了获得高的布拉格衍射效率,根据衍射效率公式:
I1 sin 2 ( ) sin 2 ( Ii 2 2
L M 2 Ps ) H
(2)
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。
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。
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§2.4 声光调Q
调Q过程:
射频电源(Q驱) 电声换能器 激光晶棒
第 二 章 调 Q 技 术
•
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。
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
2). 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。
L 2 L 0 (布拉格衍射) 1 L L0 (拉曼奈斯衍射) 2 s2 cos i s2 (1) L0
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§2.4 声光调Q
第 二 (1) 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 章
射器件; 实现声光腔倒空的器件要求:
调 (2) 腔倒空方式要求开关速度要快得多,其上升时间大约为5ns, Q 光束必须聚焦到一个直径为50μm的区域上; 技 (3) 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, 术 因此,可以直接把超声频率作为调制频率,这样,输出光脉冲
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
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§2.4 声光调Q
超声模式:
第 二 章 调 Q 技 术
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-orthognal compressional,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。
的重复频率可以高达MHz量级以上。
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§2.4 声光调Q
第 二 章 调 Q 技 术
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。