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脈沖激光器 我有新說法
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激光器從運(yùn)行上分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。脈沖激光器是指單個激光脈沖寬度小于0.25秒、每間隔一定時間才工作一次的激光器,它具有較大輸出功率,適合于激光打標(biāo)、切割、測距等。常見的脈沖激光器有固體激光器中的釔鋁石榴石(YAG)激光器、紅寶石激光器、釹玻璃激光器等,還有氮分子激光器、*等。調(diào)Q和鎖模是得到脈沖激光的兩種常用的技術(shù)。

1基本信息


調(diào)Q技術(shù)也叫做Q開關(guān)技術(shù),是一種獲得高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的技術(shù)。調(diào)Q技術(shù)的工作原理如下:在光泵浦初期設(shè)法將諧振腔的Q值調(diào)高,從而抑制激光振蕩的產(chǎn)生,使工作物質(zhì)上能量粒子數(shù)得到積累。隨著光泵的繼續(xù)激勵,上能級粒子數(shù)逐漸積累到大值。此時突然將諧振腔的Q值調(diào)低,那么積累在上能級的大量粒子便雪崩式地躍遷到激光下能級,在極短的時間內(nèi)將儲存的能量釋放出來,從而獲得峰值功率*的激光脈沖輸出。

2詳細(xì)信息


調(diào)Q技術(shù)早出現(xiàn)于1962年,其誕生是激光發(fā)展*的一個重要突破。在此之前,由于普通脈沖激光器輸出的馳豫振蕩,我們很難獲得峰值功率高而脈寬窄的激光脈沖。調(diào)Q技術(shù)的應(yīng)用,使我們能夠獲得峰值功率在兆瓦以上而脈寬僅為納秒量級的激光脈沖,使激光成為非常強(qiáng)的相干光源,并由此產(chǎn)生了非線性光學(xué)等新的光學(xué)分支。同時,也推動了諸如激光雷達(dá)、激光測距、高速攝影、核聚變等應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。
在普通激光器中加入調(diào)Q元件即構(gòu)成調(diào)Q激光器。根據(jù)調(diào)Q元件所采用的介質(zhì)及其工作方式的不同,調(diào)Q激光器可分為電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q 、可飽和吸收調(diào)Q與機(jī)械轉(zhuǎn)鏡調(diào)Q四類。其中,電光調(diào)Q和聲光調(diào)Q是目前應(yīng)用較為廣泛的調(diào)Q技術(shù)。
電光調(diào)Q是利用某些晶體所具有的線性電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)Q值突變的,具有開關(guān)時間短、效率高、調(diào)Q的時刻可以控制、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、重復(fù)頻率高、輸出脈寬窄(10~20ns)、峰值功率高(幾十兆瓦以上)等優(yōu)點(diǎn)。
聲光調(diào)Q是利用激光通過聲光介質(zhì)中的超聲場時發(fā)生衍射效應(yīng),造成光束的偏折來控制諧振腔的損耗,從而實(shí)現(xiàn)Q值突變的。它具有性能穩(wěn)定、重復(fù)頻率高(1~20kHz)、調(diào)制電壓低(一般<200V)等優(yōu)點(diǎn),適用于中小功率、高重頻的脈沖激光器。
電光調(diào)Q或聲光調(diào)Q都是人為地利用光通過在電場或聲波場作用下的電光或聲光介質(zhì)所發(fā)生的各種物理效應(yīng),從而控制腔內(nèi)的反射損耗來實(shí)現(xiàn)Q值突變的,是一種主動式的調(diào)Q方法。
而可飽和吸收調(diào)Q技術(shù),則是利用可飽和吸收體本身的吸收特性(即它是一種非線性吸收介質(zhì),在比較強(qiáng)的激光作用下,它的吸收系數(shù)會隨光強(qiáng)的增加而逐漸減小直至飽和,對光呈現(xiàn)出透明的特性),通過控制腔內(nèi)的吸收損耗來調(diào)節(jié)Q值的,是一種被動式的調(diào)Q方法,它具有結(jié)構(gòu)簡單、方便實(shí)用的特點(diǎn)。
半導(dǎo)體可飽和吸收體(SESAM)技術(shù)出現(xiàn)于1992年,現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于固體激光器和光纖激光器,以實(shí)現(xiàn)短脈沖或超短脈沖。SESAM的基本結(jié)構(gòu)就是把反射鏡與吸收體結(jié)合在一起。底層一般為半導(dǎo)體反射鏡,其上生長一層半導(dǎo)體可飽和吸收體薄膜,上層可能生長一層反射鏡或直接利用半導(dǎo)體與空氣的界面作為反射鏡。這上下兩個反射鏡就形成了一個法布里-珀羅腔,改變吸收體的厚度以及兩反射鏡的反射率,可以調(diào)節(jié)吸收體的調(diào)制深度和反射鏡帶寬。
隨著科學(xué)的發(fā)展,很多應(yīng)用技術(shù)(例如激光熱核反應(yīng)、激光同位素分離、精密測距等)要求能夠獲得超短脈沖,即脈寬達(dá)到納秒以下量級的光脈沖。此時單純適用調(diào)Q的方法,受腔長和調(diào)Q器件等條件的限制,已無法進(jìn)一步壓窄脈寬。
鎖模作為一種新的壓縮脈寬的途徑,又被稱為超短脈沖技術(shù)。它的定義包含兩方面內(nèi)容:各振蕩縱模初相位鎖定;各振蕩縱模頻率間隔相等且固定為c/2nL(L為腔長)。
按照鎖模的工作原理,實(shí)現(xiàn)鎖模的方法分為主動鎖模、被動鎖模、同步泵浦鎖模、自鎖模和碰撞鎖模等多種形式。下面主要介紹前兩種:
主動鎖模采用周期性調(diào)制諧振腔參量的方法,其基本原理是:在諧振腔中插入一個受外界信號控制的調(diào)制器,用一定的調(diào)制頻率周期性的改變腔內(nèi)振蕩模的振幅或相位。主動鎖模的實(shí)現(xiàn)多采用聲光或電光調(diào)制器。
被動鎖模是將可飽和吸收體放在諧振腔內(nèi)加以實(shí)現(xiàn)的,其原理主要是利用可飽和吸收體的非線性吸收效應(yīng)。被動鎖模方法和被動Q開關(guān)二者之間的區(qū)別主要表現(xiàn)在:被動鎖模要求可飽和吸收體上能級的壽命非常短。

參考資料

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