电光调q电源研究

华中科技大学 硕士学位论文 电光调Q电源研究 姓名：杨晓东 申请学位级别：硕士 专业：光电信息工程 指导教师：朱晓 20090519 I 摘 要 固体激光器在科学研究、工业加工、医学美容中得到了广泛的应用。固体激光器 在使用中通常都需要对输出的激光脉冲进行整形，以获得高的峰值功率和窄的输出激 光脉冲。通常采用的一种光束整形技术是电光调 Q 技术，电光调 Q 技术能够极大的改 善固体激光器的输出激光脉冲的性能。在电光调 Q 系统中，电光调 Q 电源是电光调 Q 系统的重要组成部分。由于电光调 Q 系统中电光开关的打开与关闭是依靠电光调 Q 电 源来控制，它的性能的好坏直接影响着电光调 Q 输出的激光脉冲性能。 本论文从分析电光调 Q 的基本原理入手，分析了电光调 Q 电源在实际的电光调 Q 系统中对输出的电光调 Q 激光脉冲的影响，并设计了一种退压式的电光调 Q 电源。具 体的完成了以下几个方面的工作： (1) 分析了高压直流电源的稳定性对电光调 Q 系统的影响。 (2) 分析了开关器件的开关性能对电光调 Q 的输出脉冲的影响。 (3) 分析了影响电光调 Q 最高频率的因素。 (4) 设计了一种退压式的电光调Q电源。设计的电光调Q电源包括高压直流开关稳 压电源、脉冲触发电路和快速开关电路。 在完成电路设计基础上对所设计的电光调Q电源进行了相关实验， 实验内容包括可 调高压直流开关电源的性能实验，开关电路的性能实验，以及电光调Q电源和调Q激光 器结合进行的实验，通过实验表明所设计的调Q电源满足设计要求。 关键词：关键词：电光调 Q 电源 调 Q 影响 理论分析 退压式 电路设计 实验 II Abstract Solid-state lasers has been widely used in scientific research, industrial processing, and medical beauty. The output laser of Solid-state lasers usually is shaped to obtain high peak power and narrow output laser pulse in use. A used laser shaping technology is the electro-optic Q-switch technology. Electro-optic Q-switch technique can greatly improve the performance of output laser pulse of solid-state lasers. In the electro-optic Q-switch system, electro-optic Q-switch driver is an important component of the system. As opening and closing of the electro-optic switch is to rely on electro-optic Q-switch driver to control in electro-optic Q-system, and it directly affects the performance of the laser pulse of the electro-optic Q-switch. In my study, from the analysis of electro-optic Q-switch with the basic principles, I analyze that electro-optic Q-switch driver have an effect on the output of electro-optic Q- switch laser pulses in the practical electro-optic Q-system. Then based on the theoretical analysis ,I design a voltage-decreased electro-optic Q-switch driver. The main contents of this thesis including: (1) Analyzing the effect of high voltage DC power stability to electro-optic Q-switch system. (2) Analyzing the effect of performance of switching device to electro-optic Q-switch output pulse. (3) Analyzing the impact of the highest frequency of electro-optical Q-switch. (4) Designing a voltage-decreased electro-optic Q-switch driver, the design of electro- optic Q-switch driver circuit includes the high voltage DC switching power supply circuit, pulse trigger circuit, and high voltage switch circuit. Upon completion of the circuit design, I carry out related experiments with electro-optic Q-switch driver, including the experiment on performance of adjustable high voltage DC switching power supply and switching circuit, and experiment on electro-optic Q-switch driver and Q-laser combined. Experiments show that the Q-switch driver meet the requirements of design. Key words: electro-optic Q-switch driver the impact of Q-switch the theoretical analysis voltage-decreased circuit design experiments 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 本论文属于 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪论 固体激光器在工业加工、科学研究和医学美容中都有着广泛的应用，固体激光器 固有的性质决定着固体激光器不可避免的存在着弛豫振荡的现象，这对固体激光器的 利用是不利的，需要对激光器的输出脉冲进行整形，而常用的一种输出脉冲的整形技 术就是调 Q 技术。调 Q 技术可以大大改善输出激光脉冲的性能。 1.1 固体激光器调 Q 技术 固体激光器是用固体激光物质如激光晶体、激光玻璃等作为储能物质的激光 器12。目前固体激光器在社会的各个方面，尤其是工业对各种材料的加工中得到了 大量的应用，例如激光打孔、激光焊接、激光切割等34。 对固体激光器输出的激光光束通过示波器观察可以清楚的看到输出的激光脉冲的 幅度、脉冲的宽度和脉冲的频率在随时发生着改变，这些尖峰脉冲的宽度一般为微秒 量级5， 这种现象就被称为固体激光器的弛豫振荡。 当固体激光器的激光储能物质受到 泵浦激励，使得上能级的反转粒子数密度大于阈值反转粒子数密度时，就会产生激光 振荡，使腔内光于数密度增加，从而出射激光。随着激光的出射，上能级的反转粒子 数被大量消耗，这会使得上能级的反转粒子数降低，当低于阈值反转离子数时，激光 的振荡就停止。这时，由于泵浦激励还继续存在，下能级的粒子仍然不停的被泵浦到 上能级，这就使得上能级的反转粒子数重新积累，当再次超过阈值反转离子数时，又 产生第二个激光脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。这就是产生弛 豫振荡的主要原因。 因为每个尖峰脉冲的顶部是在阈值附近产生的，而阈值功率水平较低，因此输出 的每一个激光尖峰脉冲的功率也较低。由于对固体激光器输出脉冲的使用要求是能量 大，峰值功率高，脉宽窄。通过上面分析可知由于固体激光器弛豫振荡的存在，固体 激光器本身输出的激光脉冲不能直接利用，因此就要采用一些技术来提高固体激光器 的输出激光脉冲的质量。在各种技术中调 Q 技术最为常用和有效。调 Q 技术可以有效 的避免固体激光器输出激光脉冲的弛豫振荡，能够大大提高输出脉冲的峰值功率。 2 普通的固体激光器谐振腔内的损耗在激光器工作中是不变的，通过上面分析可以 知道普通固体激光器的上能级不能积累很多的反转粒子数，上能级的反转粒子数只能 被限制在阈值反转数附近，因此普通的固体激光器峰值功率不能提高。要提高固体激 光器的输出能量，必须要增加上能级的反转粒子数。由于激光上能级最大反转数粒子 是受到激光器阈值的限制，要使上能级积累有大量的反转粒子数，必须要提高固体激 光器的阈值，使激光振荡不易产生。而阈值又与损耗有关，因此可以通过改变损耗的 方式提高阈值以此来增加上能级的反转粒子数。调 Q 激光器的工作原理如下： 当调 Q 激光器在开始泵浦时，通过一定的方法使激光器的谐振腔的内损耗变得很 高，抑制谐振腔产生激光振荡，这样激光工作物质的上能级反转粒子数便可大量的积 累。当上能级的反转粒子数积累达到最大值时，再突然把谐振腔的损耗调到很低，此 时，上能级的大量反转粒子便以雪崩式的方式跃迁到低能级，谐振腔内产生大量的光 子，这些大量的光子在极短的时间内通过输出镜输出，于是就获得峰值功率极高的巨 脉冲激光输出。 谐振腔的损耗通常可表示为 54321 +=，其中 1 是反射损耗， 2 是 吸收损耗， 3 是衍射损耗， 4 是散射损耗， 5 是输出损耗。从损耗 的表达式中可以 看到通过各种方法改变损耗 的大小就可以实现对固体激光器的调 Q。 其中主要的调 Q 技术有控制反射损耗的电光调 Q、转镜调 Q 技术，控制吸收损耗有被动式可饱和吸收 调 Q 技术、 控制衍射损耗主要有声光调 Q 技术， 控制输出损耗主要有透射式调 Q 技术。 分别采用不同的方法改变谐振腔内的损耗，就可以实现各种不同的调 Q 技术6，实现 对脉冲的整形。 调 Q 技术中运用最为广泛的一种调 Q 技术就是电光调 Q。 利用电光调 Q 技术可以 大大的压缩输出激光光束的脉宽，可以把输出激光的脉冲宽度压缩到几个纳秒。同时 能够大大提高输出脉冲峰值功率。 1.2 调 Q 技