第四章激光Q开关及锁模技术分解优秀PPT.ppt
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1、光电子技术基础光电子技术基础授课班级授课班级:1006211:1006211、10062211006221、20062312006231、10061311006131授课老师授课老师:左青卉左青卉1主要内容主要内容第四章:激光第四章:激光Q开关及锁模技术开关及锁模技术 激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论1 1 电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术2 2 声光声光Q Q开关原理及技术开关原理及技术3 3 锁模技术锁模技术4 42主要学问要点主要学问要点q脉冲激光器工作原理脉冲激光器工作原理qQ调制技术原理调制技术原理qQ调制技术调制技术激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论3激光激光Q
2、 Q开关技术概论开关技术概论按激光器运转方式按激光器运转方式连续激光器连续激光器脉冲激光器脉冲激光器连续激光器连续激光器长脉冲激光器长脉冲激光器激励持续时间激励持续时间激光上能级寿命激光上能级寿命4激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论连续激光器连续激光器脉冲激光器脉冲激光器以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光以连续光源激励的固体激光器和以连续电激励方式工作的气体激光器和半导体激光器均属于此类。连续激光器输出功率一般比较低,器和半导体激光器均属于此类。连续激光器输出功率一般比较低,适合于要求激光连续工作(激光通信、激光手术灯)场合。适合于要求激光连续工作(激光通信、激光手
3、术灯)场合。长脉冲激光器长脉冲激光器泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。泵浦功率有很短时间间隔的关断以减小热影响。具有较大的输出功率,适用于激光打标、切割、测距等。常见的脉具有较大的输出功率,适用于激光打标、切割、测距等。常见的脉冲激光器有钇铝石榴石激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、氮冲激光器有钇铝石榴石激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器、氮分子激光器和准分子激光器等。分子激光器和准分子激光器等。5脉冲激光器工作原理脉冲激光器工作原理q脉冲激光器中,在泵浦激励过程中,当工作物质中反转粒子数密脉冲激光器中,在泵浦激励过程中,当工作物质中反转粒子数密度度 n 增加到阈值增加到阈值 nt时就
4、产生激光,形成第一个激光尖峰;时就产生激光,形成第一个激光尖峰;q当当 n 超过超过 nt 时,随着受激辐射的增加,上能级粒子数大量消时,随着受激辐射的增加,上能级粒子数大量消耗,反转粒子数耗,反转粒子数 n 快速下降,直到快速下降,直到 n 低于阈值低于阈值 nt 时,激光振时,激光振荡快速衰减;荡快速衰减;q然后泵浦的抽运又使上能级渐渐积累粒子形成其次个激光尖峰;然后泵浦的抽运又使上能级渐渐积累粒子形成其次个激光尖峰;q如此不断重复,便产生一系列小的尖峰脉冲。如此不断重复,便产生一系列小的尖峰脉冲。激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论6脉冲激光器输出特点脉冲激光器输出特点q由于每个激光脉
5、冲都是在阈值旁边产生的,所以输出脉冲的峰值由于每个激光脉冲都是在阈值旁边产生的,所以输出脉冲的峰值功率较低,一般为几十千瓦数量级。增大输入能量时,只能使尖功率较低,一般为几十千瓦数量级。增大输入能量时,只能使尖峰脉冲的数目增多,而不能有效地提高峰值功率水平;峰脉冲的数目增多,而不能有效地提高峰值功率水平;q在泵浦灯闪光的整个时间宽度中,激光出现的时间较早,结束较在泵浦灯闪光的整个时间宽度中,激光出现的时间较早,结束较晚,整个激光脉冲宽度很宽;晚,整个激光脉冲宽度很宽;q激光脉冲不够平滑。激光脉冲不够平滑。激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论7调调Q技术原理技术原理q通过某种方法使谐振腔的损耗
6、通过某种方法使谐振腔的损耗 (或或Q值值)依据规定的程序变更,依据规定的程序变更,在泵浦激励刚起先时,先使光腔具有高损耗在泵浦激励刚起先时,先使光腔具有高损耗 ,激光器由于阈值,激光器由于阈值高而不能产生激光振荡,于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高而不能产生激光振荡,于是亚稳态上的粒子数便可以积累到较高的水平;高的水平;q然后在适当时刻,使腔的损耗突然降低到然后在适当时刻,使腔的损耗突然降低到 ,阈值也随之突然降,阈值也随之突然降低,此时反转粒子数大大超过阈值,受激辐射极为快速地增加;低,此时反转粒子数大大超过阈值,受激辐射极为快速地增加;q于是于是,在极短时间内,上能级储存的大部分粒子的能
7、量转变为激在极短时间内,上能级储存的大部分粒子的能量转变为激光能量,在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。光能量,在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。q接受调接受调Q技术很简洁获得峰值功率高于兆瓦,脉宽为几十毫微秒技术很简洁获得峰值功率高于兆瓦,脉宽为几十毫微秒的激光巨脉冲。的激光巨脉冲。激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论8调调Q技术技术q凡能使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作凡能使谐振腔损耗发生突变的元件都能用作Q开关;开关;q常用调常用调Q方法有电光调方法有电光调Q、声光调、声光调Q和饱和吸取调和饱和吸取调Q等;等;q前两种方法中谐振腔损耗由外部驱动源限制,称为主动调前两种方法中谐振腔损耗由
8、外部驱动源限制,称为主动调Q。后一种方法中,谐振腔损耗取决于腔内激光光强,因。后一种方法中,谐振腔损耗取决于腔内激光光强,因此称为被动调此称为被动调Q。激光激光Q Q开关技术概论开关技术概论9电光效应电光效应q某些晶体在外加电场作用下,其折射率发生变更,使通过晶体的某些晶体在外加电场作用下,其折射率发生变更,使通过晶体的不同偏振方向的光之间产生位相差,从而使光的偏振状态发生变不同偏振方向的光之间产生位相差,从而使光的偏振状态发生变更的现象称为电光效应。更的现象称为电光效应。q电光晶体中折射率的变更和电场成正比的效应称为普克尔效应,电光晶体中折射率的变更和电场成正比的效应称为普克尔效应,折射率的
9、变更和电场强度平方成正比的效应称为克尔效应。电光折射率的变更和电场强度平方成正比的效应称为克尔效应。电光调调Q就是利用晶体的普克尔效应来实现就是利用晶体的普克尔效应来实现Q突变的方法突变的方法q最常用的电光晶体主要有最常用的电光晶体主要有KH2PO4、LiTaO3、LiNdO3等等电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术10电光电光Q Q开关原理开关原理电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术11电光电光Q Q开关原理开关原理q未加电场前晶体的折射率主轴未加电场前晶体的折射率主轴 x,y,z;q沿晶体光轴方向沿晶体光轴方向 z 施加一外电场施加一外电场 E,由于普克尔效应,主轴变为,由于普
10、克尔效应,主轴变为x,y,z;q令光束沿令光束沿 z 轴方向传播,经偏振器后变为平行于轴方向传播,经偏振器后变为平行于 x 轴的线偏振光,轴的线偏振光,入射到晶体表面时分解为等幅的入射到晶体表面时分解为等幅的 x和和y方向的偏振光;在晶体中方向的偏振光;在晶体中二者具有不同的折射率二者具有不同的折射率;q经过晶体长度经过晶体长度 d 距离后,二偏振重量产生了相位差距离后,二偏振重量产生了相位差 ;电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术12电光电光Q Q开关原理开关原理当当 =/2 时,所需电压称作四分之一波电压,记作时,所需电压称作四分之一波电压,记作V/4;电光晶;电光晶体上施以电压体上
11、施以电压 V/4 时,从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后,时,从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后,沿沿 x和和 x方向的偏振重量产生了方向的偏振重量产生了 /2 位相延迟,经全反射镜反位相延迟,经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又将产生射后再次通过电光晶体后又将产生 =/2 延迟,合成后虽仍是延迟,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。偏振器。这种状况下谐振腔的损耗很大,处于低这种状况下谐振腔的损耗很大,处于低Q值状态,激光器不能振荡,值状态,激光器不能振荡,激光上能级不断积累粒子;激光上能级不断积累
12、粒子;假如在某一时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则谐振腔突变至假如在某一时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则谐振腔突变至低损耗、高低损耗、高Q值状态,于是形成巨脉冲激光。值状态,于是形成巨脉冲激光。电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术13电光电光Q Q开关技术特点开关技术特点开关时间短开关时间短(约约 10-9s),属快开关类型,适用于脉冲激光器,是目,属快开关类型,适用于脉冲激光器,是目前运用最广泛的一种前运用最广泛的一种Q开关;开关;可以获得脉宽窄、峰值功率高的巨脉冲。典型的可以获得脉宽窄、峰值功率高的巨脉冲。典型的 Nd3+:YAG 电光电光调调Q激光器的输出光脉冲宽度为激光器的
13、输出光脉冲宽度为 10-20ns,峰值功率可达数兆瓦,峰值功率可达数兆瓦至数十兆瓦;而对于钕玻璃调至数十兆瓦;而对于钕玻璃调Q激光器,不难获得数百兆瓦的峰激光器,不难获得数百兆瓦的峰值功率。值功率。电光电光Q Q开关原理及技术开关原理及技术14声光介质声光介质q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、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更的弹性形变,从而导致介质折射率的周期随时间和空间周期变更的弹性形变,从而导致介质折射率的周期变更,形成等效的位相光栅。光束射经此介质时发生衍射,一部变更,形成等效的位相光栅。光束射经此介质时发生衍射,一部分
14、光偏离原来方向。分光偏离原来方向。q常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。常用的声光介质有熔融石英、钼酸铅及重火石玻璃等。声光声光Q Q开关原理及技术开关原理及技术15布喇格衍射布喇格衍射声光声光Q Q开关原理及技术开关原理及技术现象现象:透射光束分裂为:透射光束分裂为0级与级与+1级或级或-1级衍射光,级衍射光,+1级或级或-1级衍射光与声波级衍射光与声波波面的夹角亦为波面的夹角亦为 。16布喇格衍射条件布喇格衍射条件q当声波频率较高;当声波频率较高;q声光作用长度声光作用长度 d 足够大足够大q入射光波与声波波面的夹角满入射光波与声波波面的夹角满声光声光Q Q开关原理及技术开关原
15、理及技术声波波长声波波长 光波波长光波波长获得高衍射效率的方法:提超群声驱动功获得高衍射效率的方法:提超群声驱动功17声光开关原理声光开关原理q声光声光Q开关由一块对激光波长透亮的声光介质及换能器组成,换开关由一块对激光波长透亮的声光介质及换能器组成,换能器的作用是将高频信号转换为超声波;能器的作用是将高频信号转换为超声波;q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
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