§2.3 电光调q
§2.3 电光调Q,快开关,在谐振腔内加特制的电光调制器实现Q值变化。,2.3.1 带偏振器的电光调Q器件,一种发展早、应用广的电光调Q装置。,格兰付克棱镜,KD*P晶体,纵向应用,基本结构,工作原理,当上能级反转粒子数积累到最大值时，突然撤去电压，谐振腔处于高Q状态，雪崩式形成激光振荡输出。,开始时，施加 波电压，此时，电光Q开关处于关闭状态，谐振腔处于低Q状态，系统处于储能状态；,2.3.1 带偏器的电光调Q器件,打开主电源，接好电路，但暂不点燃氙灯；,2.3.1 带偏器的电光调Q器件,点燃氙灯，给工作物质能量，使反转粒子数累积到最大；后撤掉晶体电压，使腔Q值突增，形成激光振荡，输出巨脉冲。,工作流程,打开晶体电源，对KDP晶体加电压，使腔处于关闭状态；,1. KDP主要运用纵向方式 2. KDP横向运用 存在与外加电场无关的自然双折射造成的附加相位差，影响调Q的效果。采用组合的结构可以消除附加相位，但要求加工精度高，使用困难。 3. LN电光晶体横向应用,晶体的运用方式,2.3.1 带偏器的电光调Q器件,2.3.2 单块双450电光调Q器件,利用铌酸锂晶体的横向电光效应制成。 仅有一块斜方棱镜，它有两个角均为45度，起偏、调制、检偏都在一块晶体内完成 。,基本结构,LN晶体的横向电光效应简介,未加电场时：,X方向加电场时:,未加电压情况,2.3.2 单块双450电光调Q器件,l为晶体z向长度,施加半波电压情况,2.3.2 单块双450电光调Q器件,施加半波电压情况,2.3.2 单块双450电光调Q器件,晶体的y向尺寸,单块双45度LiNbO3晶体，第一个45度反射面的前段相当于一个起偏器，它能产生o光和e光两束线偏光，第二个45度反射面的后段相当于一个检偏器，所以双45度LN晶体等效于在两个偏振器之间夹一块调制晶体。,当在晶体上加有半波电压时，通过晶体的o光和e光都偏离原入射光的传播方向，这时Q开关处于“关闭”状态，当光泵激励工作物质，上能级反转粒子数积累到最大值时，瞬间撤去半波电压，则o光和e光经晶体后的出射光平行于入射光，Q开关打开，激光振荡得以形成得到巨脉冲。,2.3.2 单块双450电光调Q器件,讨论：LN晶体Q开关的误差,2.3.2 单块双450电光调Q器件,有很多原因造成误差，使得在加压时令门“关不死”，在不加压时有部分光偏离出腔外，造成输出光降低。原因： 1. 晶体在加工时造成的误差。 不够准确，光轴有些偏离。 2. 入射的光束不能严格地垂直入射面等。 3. 入射光有一定的发散角，因此相当于有一部分光束不是垂直入射面入射。 4. o、e光走的路程不同，因此当 时，o、e光并非完全旋转90度。,双 Q开关的特点,2.3.2 单块双450电光调Q器件,1. 晶体的结构复杂，加工困难。保证双 以及晶体的方位也不容易。 2. 由于需要加半波电压，因此实用起来有一定困难。单 Q开关可以克服上述缺点。,1. 双 电光Q开关可以省去偏振器，适用于产生自然光的YAG、钕玻璃等。一块晶体相当于三个元件。 2. 输出的光是自然光，因此比输出线偏光的激光器效率高一倍。,比较成熟，激光能量达200mJ，脉宽610ns,结论：单 Q开关相当于带一个偏振器的Q开关。,2.3.3 单块单450电光调Q,原理 ：以LN横向运用退压式结构为例，分析原理和双块双45度电光调Q开关相同。,优点：结构简单，加工容易，插入损耗小；所加半波电压比双 Q开关低一倍。 缺点：输出的是线偏光，Q开关效率低，较少采用。,§2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题,调Q激光器具有超临界振荡的特点。,一、调制晶体材料的选择,目前能获得较高光学质量的线性电光晶体材料，常用的主要有以KDP、KD*P为代表的42m型晶体，以及以LiNbO3为代表的3m类晶体。前者为纵向电光调制器、后者为横向电光调制器。,选择电光晶体材料应注意的几个技术指标：,消光比要高开门和关门时输出光强之比,KDP类晶体的消光比一般可达104以上，而LiNbO3最高可达103，一般只能达到250左右。,透过率要高插入损耗小,KDP类的透光范围0.22.0微米，可见光到1.4微米范围透过率大于85，开关的插入损耗为1012；LiNbO3晶体的透光范围为0.45.0微米，最高透过率可达95。,§2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题,一、调制晶体材料的选择,半波电压要低,KDP晶体的半波电压为6000伏，远比KDP低 ；LiNbO3晶体的半波电压9000（d/L），一般在20003000伏。,抗破坏阈值要高,KDP类晶体可达500MW/cm2(极限)；大都数普克尔盒Q开关的安全工作功率的最大值约为200MW/cm2；而LiNbO3晶体的抗破坏阈值较低，其峰值光功率极限在1050 MW/cm2之间，一般用在510 MW/cm2场合（高重复率、低功率密度）。,选择电光晶体材料应注意的几个技术指标：,§2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题,一、调制晶体材料的选择,晶体的防潮,KDP类晶体都是潮解的，通常在普克尔盒中注入一种折射率匹配液 。,提高防潮能力；,减少表面的剩余反射；,作用：,LiNbO3晶体不潮解。,选择电光晶体材料应注意的几个技术指标：,§2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题,一、调制晶体材料的选择,选择电光晶体材料应注意的几个技术指标：,§2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题,一、调制晶体材料的选择,二、调制晶体的电极结构,使晶体内具有均匀电场是设计电极结构的基本出发点,KDP类晶体纵向应用,端片电极结构,环状电极结构,一般软金属如铝、铜、银、锡箔等都是制作电极的材料,§2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题,LN类晶体横向应用,横向运用，电场方向与通光方向相垂直，只要做成平板型点击就可获得均匀的电场分布。,三、对工作物质的要求,具备储能密度高的功能，即激光上能级能积累大量的粒子，要求上能级寿命长、谱线宽；,要求有较高的抗强光的破坏阈值，能承受较高的激光功率密度。,Nd:YAG、红宝石、钕玻璃三种工作物质基本上均能满足上述要求。,§2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题,四、对泵浦灯的要求,泵浦灯的发光时间与工作物质的上能级寿命要匹配。 一般灯泵脉冲宽度略小于或等于激光上能级寿命（如Nd：YAG，灯泵脉冲波形200300微秒，而红宝石1ms），以减少由于自发辐射引起的反转粒子数损失。,五、对Q开关控制电路的要求,要获得最佳的调Q效果，要求Q开关速度要快（太慢会使脉冲变宽、甚至产生多脉冲输出），故必须考虑克服晶体光弹效应的影响。,所谓的“光弹效应”，在外加电场的作用下，晶体内会产生机械应力，促使晶体的折射率发生变化 。,§2.4 设计电光调Q激光器应考虑的问题,§3.6 声光调Q,在谐振腔内加声光调制器实现Q值变化,基本结构,3.6.1 声光调Q的基本原理,基本原理,声光调Q就是利用激光通过声光介质中的超声场时产生衍射使光束偏离出谐振腔，造成谐振腔的损耗增大，Q值下降，激光振荡不能形成，在光泵激励下上能级反转粒子数不断积累并达到饱和值，若此时突然撤除超声场，则衍射效应立即消失，腔损耗减小，Q值猛增，激光振荡迅速恢复，并以巨脉冲的形式输出激光。,声光调Q的特点,声光Q开关结构与前面介绍的声光调制器基本相同，由声光介质、电声换能器、吸声材料和驱动电源等组成。,声光Q开关的组成,快开关,一般在重复频率10KHz时，,对于某些高增益脉冲激光器来说，仍然太长，（电光调Q开关时间仅为10ns左右），因此声光Q开关一般用于增益较低的连续激光器 。,调制电压低、重复率可达KHz,调制电压小于200V，故容易实现对连续激光器的调Q以获得高重复率的巨脉冲，一般重复率可达120KHz。,声光Q开关用于连续激光器调Q,3.6.2 声光调Q器件的设计,一般都是采用行波工作方式；,声光器件的设计,关键是合理地确定超声柱的尺寸。,布喇格判据L2L0,两点依据：,声光介质的形状,复合角（斜角）,作用：,减少超声波的反射影响 ；,光束垂直通光面入射 ；,换能器与声光介质的粘结问题,要求粘接层必须是低损耗的。,声波透过系数,粘结层的厚度,声阻抗比值,粘结层的声阻抗,声光介质的声阻抗,器件的结构形式,全水冷式,半水冷半空冷式,半水冷多次反射吸收式,驱动声功率的确定,材料与水的品质因数比值,He-Ne激光波长,例子：,声光介质选用熔融石英， ，若声光介质中超声场尺寸为：H5mm，L50mm，得到100衍射效率时的声功率 。而每瓦的衍射效率为2.7。因此，要克服连续YAG激光器中2030的增益，则需要大于10W的功率才能使激光器停止振荡，考虑到电声转换效率一般小于50，所以高频振荡驱动电源的功率应定为20瓦左右为宜。,声光调Q动态特性与输出特性,声光调Q激光器的动态试验装置,声光调Q激光器的输入输出特性,重复频率1KHz,调Q重复率对输出性能的影响,输入功率不变（3.5Kw）,参量 值的影响,越大，则峰值功率越高，脉冲宽度越窄，脉冲上升沿越短。,声光调Q激光器输出激光脉宽比电光调Q宽十几倍，主要是由于连续氪灯的泵浦速率要比脉冲氙灯的抽运速率低23个数量级，因而 较低。,衍射效率的影响,提高泵浦功率可使峰值功率增加，但泵浦功率增加到与衍射效率相适应的值时，只有在提高衍射效率，增加衍射损耗下才能进一步增加泵浦功率以获得较高的峰值功率。,
