调Q光纤激光器类型机器工作原理

调Q光纤激光器类型及其工作原理

调Q技术的出现和发展，是激光发展史上的一个重要突破，它是将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。调Q技术的目的是压缩脉冲宽度，提高峰值功率。普通的脉冲激光器,光脉冲的宽度约在ms级,峰值功率也只有几十kW。而调Q激光器,光脉冲的宽度可以压到ns级,峰值功率也已达到MW.

调Ｑ的基本原理

通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率(一般为几十千瓦数量级)。不能提高的原因。

既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。

当反转粒子数积累到最大时，再突然把阈值调到很低，此时，积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。所以改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。

Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的Q值(或损耗a总)来实现。调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。

Q开关激光器的特点

（1）通过改变Q值——改变阈值，控制激光产生的时间。

（2）调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如右图所示。（3）图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化；

（4）图(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)；

（5）图(c)表示粒子反转数△n的变化；

（6）图(d)表示腔内光子数Φ随时间的变化。

总

a

P

W

Q

λ

π

π2

2=

=

在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q 值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻，粒子数反转达到最大值△ni ，在这一时刻，Q 值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此△ni >>△nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短的时间内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。

（2)两阶段

①储能阶段（延迟时间）反转粒子数达最大值.

调Q 脉冲的建立有个过程，当Q 值阶跃上升时开始振荡，在t=t0振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数Φ增长十分缓慢，如图3所示，其值始终很小，受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势。只有振荡持续到t ＝tD 时，增长到了ΦD ，雪崩过程才形成， Φ才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占优势。

②激光产生输出(忽略泵浦和自发辐射的影响。)

因此，调Q 脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间△t (也就是Q 开关开启的持续时间)。光子数的迅速增长，使△ni 迅速减少，到t=tp 时刻， △ni= △nt ，光子数达到最大值Φm 之后，由△n ＜ △nt ，则Φ 迅速减少，此时△n = △nf ，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。可见，调Q 脉冲的峰值是发生在反转粒子数等于阈值反转粒子数(△ni= △nt)的时刻。

a 总值，就可以使Q 值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q 技术。有机械转镜调Q 、电光调Q 技术，声光调Q 技术，染料调Q 技术等。

光纤激光器是以光纤作为基质掺入某些激活离子作成介质，或直接利用光纤自身的非线性效应作成的一类激光器。其实质是一个波长转换器加亮度提升器。

若按照激励机制的不同，光纤激光器可以分为：（1）晶体光纤激光器，工作介质为激光晶体光纤；（2）非线性光纤激光器，主要有受激拉曼散射（SRS ）光纤激光器和受激布里渊散射（SRS ）光纤激光器；（3）掺杂稀土类光纤激光器：通过在光纤基质中掺杂不同的稀土离子，获得相应波段的激光输出。

若按照结构特点，光纤激光器又可分为空间结构和全光纤结构两类：空间结构的光纤激光器利用透镜将泵浦光耦合进掺杂光纤。但其激光系统体积较大，激光系统不稳定，对所在环境要求较高，实现生产化是一件很困难的事；而全光纤

化光纤激光器利用泵浦合束器将泵浦光耦合进增益光纤、用光纤光栅代替腔镜，实现了元器件的全光纤化。其优点是激光器体积小、稳定、便于维护。

一、电光晶体调Q 原理

电光Q 开关原理是利用晶体的电光效应，在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。 其第一阶段是积累阶段，电光调Q 激光器如图所示。未加电场前晶体的折射率主轴为x 、y 、z 。沿晶体光轴方向z 施加一外电场E ,由于普克尔效应,主轴变为x ‘、y ’,z ‘。令光束沿z 轴方向传播,经偏振器后变为平行于x 轴的线偏振光,入射到晶体表面时分解为等幅的x'和y'方向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折射率η’x 和η’y 。经过晶体长度d 距离后,二偏振分量产生了相位差δ

V c v Ed c

v c vd x y 63306330''2 2)(2γηπγηπηηπδ==-=式中η为晶体寻常光折射率;γ63是晶体的电光系

数;V 是加在晶体两端的电压，d 为晶体在z 轴方向的长度。当δ=π/2时,所需电压称作四分之一波电压,记作V λ/4.图中电光晶体上施以电压V λ/4时,从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后,沿x ‘和y ’方向的偏振分量产生了π/2位相延迟,经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又将产生π/2延迟,合成后虽仍是线偏振光,但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向,因此不能通过偏振器。这种情况下谐振腔的损耗很大,处于低Q 值状态,激光器不能振荡,激光上能级不断积累粒子（这一状态相当于光开关处于关闭状态）。第二阶段为脉冲形成阶段——Q 开关完全打开在某一特等时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则偏振光的振动方向不再被旋转900，相当于光开关被打开，则谐振腔突变至低损耗、高Q 值状态,于是形成巨脉冲激光。（这一状态相当于光开关处于打开状态）。

电光调Q 技术的特点为：1.有较高的动态损耗（99%）和插入损耗（15%）；

2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到109-秒 ；

3.典型的Nd:YAG 电光调Q 激光器的输出光脉冲宽度 约为1020-ns ，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦；

4.适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器。

二、声光调Q 原理

声光Q 开关器件的结构是由腔内插入的声光调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的。

当声波在某些介质中传播时,该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变,从而导致介质折射率的周期变化,形成等效的位相光栅,其光栅常数等于声波波长λs.光束射经此介质时发生衍射,一部分光偏离原来方向。当

声波频率较高.声光作用长度d 足够大,满足λλ2

s

d >>时(λs 与λ分别为声波与光波波长),如果λ射光与声波波面的夹角θ满足s λλθ2sin =

则透射光束分裂为零级与+1级或-1级(视入射方向而定)衍射光,+1级或-1级衍射光与声波波面的夹角亦为θ,如图所示。这种现象称作布喇格衍射,一级衍射光先强I1(或I-1)与入射光光强Ii 之比为

)2(sin 21φ?=i I I

左式中Δφ是经长度为d 的位相光栅后光波相位变化的幅度。右式中Δη是介质折射率变化的幅值;d 与H 分别为换能器的长度与宽度;M 是声光介质的品质因素;P 是超声驱动功率。提高超声驱动功率可得到较高的衍射效率。声光调Q 技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q 任务。在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔具有很低的Q 值，Q 开关处于关状态；在某一特定时间，撤去超声，光束则顺利通过均匀的声光介质，此时Q 开关处于开状态；声光Q 开关由一块对激光波长透明的声光介质及换能器组成,常用的声光介质有熔融石英、锢酸铅及重火石玻璃等。声光介质表面粘接有由银酸锂、石英等压电材料薄片制成的换能器,换能器的作用是将高频信号转换为超声波。声光开关置于激光器中,在超声场作用下发生衍射,由于一级衍射光偏离谐振腔而导致损耗增加,从而使激光振荡难以形成,激光高能级大量积累粒子。若这时突然撤除超声场,

则衍

2

)2(2MP H d d λπηλπφ=?=?

射效应即刻消失,谐振腔损耗突然下降,激光巨脉冲遂即形成。声光调Q 开关时间一般小于光脉冲建立时间,属快开关类型。由于开关的调制电压只需100多伏,所以可用于低增益的连续激光器,可获得峰值功率几百千瓦、脉宽约为几十纳秒的高重复率巨脉冲。但是,声光开关对高能量激光器的开关能力差,不宜用于高能调Q 激光。

三、染料调Q 原理

电光调Q 和声光调Q 都是主动式调Q 方法，即是人为地利用某些物理效应来控制激光谐振腔的损耗，从而达到Q 值的突变。而染料调Q 属于被动式Q 开关，即利用某些可饱和吸收体本身特性，能自动地改变Q 值的一种方法。染料调Q 的核心原理为：利用有机材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性来达到调Q 的目的。染料调Q 激光器是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。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，当在较强激光作用下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料，吸收系数可以表示为：

式中α0是中心频率小信号吸收系数; I 和 Is 分别为人射光强和饱和光强。可见,吸收系数随光强的增加而减少,当光强很大时,吸收系数为零,入射光几乎全部透

过。饱和吸收体的透过率随光强的变化如下图所示。

Is 为染料的饱和吸收光强，其大小与染料的种类和浓度有关，一般来说，染料的浓度增加， Is 值也增加；I 为入射光强。由上式可以看出，当I >>Is 时，吸收系数趋于零，染料对通过的光束于是变为透明。将饱和吸收体放在谐振腔中,泵浦过程开始时,腔内自发荧光很弱，染料吸收系数很大，使光的透过率很低，腔处于低Q 值(高损耗)状态，故不能形成激光振荡。随着光泵的继续作用反转粒子数的积累，放大的自发辐射逐渐增加,当光强与饱和吸收体的Is 可比拟时,染料的吸收系数变小，透过率逐渐增大.当这一过程发展到一定程度时,单程增益等于单程损耗,激光器开始起振。随着激光强度的增加,到一定数值时，染料吸收达到饱和（吸收最小）值，突然被“漂白”而变得透明了，这时腔内Q

值猛增，产生了图(染料调Q 装置示意图

11s

I

I αα=+

受激辐射不断增长的雪崩过程.产生激光振荡输出调Q激光脉冲。当激光光强增加饱和时,增益系数显著下降,最终导致激光熄灭。因为泵浦是脉冲式的，腔内光场迅速减弱（I→0)，因而染料又恢复了吸收特性（透过很小），起到将腔关闭的作用，然后再重复以上的过程。由上述巨脉冲发展过程可知,用作被动Q开关的饱和吸收体应具备下列特性:

①吸收峰中心波长应与激光器激光波长吻合;

②饱和光强Is要适当。Is小于增益介质的饱和光强Is是巨脉冲产生的必要条件,Is 太大还会因Q开关速度太慢而严重影响调Q效果,但Is也不宜过小,否则很弱的光就能使其透明,工作物质的反转粒子数便不能充分积累。