【文章內(nèi)容簡介】 使得相應(yīng)的一小部分入射光線溢出腔， Q 值就會變得不高。 粒子匯聚，高能級上會越來越多。換能器關(guān)閉，諧振腔約 Q 值恢復(fù)到之前的水平，得到激光輸出。這種調(diào)制方式有許多優(yōu)點(diǎn)，最重要的是，能量等損耗很低。但是也會有一些其他的干擾因素，例如在傳播中，聲波在介質(zhì)中，速度會降低，所以，應(yīng)用條件也會有限制，應(yīng)用最多的方面在低增益介質(zhì)的連續(xù)抽運(yùn)激光器的重復(fù)調(diào) Q。 通過帶有壓電換能器的激光 器，能量發(fā)生轉(zhuǎn)換，電能轉(zhuǎn)換成超聲波能。將超聲波射入石英體中，此石英體帶有 Q 開關(guān)。將電壓斷開，激光器就又恢復(fù)到 Q 值較高的形態(tài)。 假若熔融狀的石英處于未被通過的狀態(tài)，即高透射率時(shí)，在無超聲波通過時(shí)，激光器就輸出脈沖 [6~9]。 (3)電光調(diào) Q 電光調(diào) Q 技術(shù)是當(dāng)下適用面最多的技術(shù)。電光效應(yīng)速率很快，可以利用特定的晶體來制作電控光閘，此種閘速率非常快。如下圖 所示 [10]，此裝置裝有電光盒。 當(dāng)閃光燈工作時(shí)，在電光盒上加一個(gè)電壓，數(shù)值為 4V? ，經(jīng)過起偏器以 后，偏振光發(fā)生變化。由線性轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形。輻射經(jīng)過反射之后，又一次經(jīng)過電光盒，間隔 4? 的延時(shí)后，變化為角度偏轉(zhuǎn) 90 度的線性偏振光。光反饋會對實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響，但是此輻射通 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 過起偏器，所以避免了這個(gè)因素。在脈沖將要消失的時(shí)候，將電壓斷掉，就可以避免偏振光的消耗。 經(jīng)過這樣的一個(gè)過程，諧振腔就會產(chǎn)生震蕩，經(jīng)過一小段時(shí)間的延遲，就會有脈沖輸出。在 (b)中，要達(dá)到光束透射的目的，就需要給光電盒子施加電壓。這樣的 Q 開關(guān)是由這樣的脈沖控制的。在偏振器中間有電光盒。與前面的 結(jié)構(gòu)一致，如果偏振光由介質(zhì)輸出了，起偏器 1P 就不再需要了。在沒有電壓的情況下，偏振器不會發(fā)生變化，此時(shí)，Q 值是最小的。 經(jīng)過一段時(shí)間后，將數(shù)值為 2V? 的電壓附加在電光盒上，就會使光束發(fā)生變化，會旋轉(zhuǎn)一定的角度，精確來講為 90 度，這樣一來，光束正好通過檢偏器 2P 。 后續(xù)接連發(fā)生連鎖反應(yīng)，就會又通過檢偏器 2P 和 電光盒。又會旋轉(zhuǎn) 90 度。經(jīng)過這樣的過程，光束已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了 180 度，就可以正好通過 1P 。 電光調(diào) Q 具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如響應(yīng)速度快，良好的調(diào) Q 時(shí)刻的掌控，可以獲取極窄的脈沖寬度，能夠獲得的峰值功率也非常高。 激光棒輸出鏡輸出鏡激光棒偏振器泡克爾斯盒后鏡檢偏器外加電壓引起 λ / 4 延遲外加電壓引起 λ / 2 延遲( a )( b ) 偏振器泡克爾斯盒 圖 (a)工作在 ? /4, (b)工作在 ? /2 延遲電壓的電光 Q 開關(guān) 被動(dòng)調(diào) Q，是建立在 具有某些特定的可飽和吸收體的激光器上， Q 值自動(dòng)發(fā)生變化的一種方法。被動(dòng) Q 開關(guān)是光學(xué)器件，其裝滿有機(jī)染料，或者摻雜晶體，隨著能量的提高，光學(xué)器件就會越來越趨近飽和，透明性越來越高。在能量密度達(dá)到某一很高的值時(shí)，材料就會飽和，透射率就會比較高。只有基于光譜躍遷的飽和，才會發(fā)生可飽和吸收體 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 中的漂白過程。 被動(dòng)調(diào) Q 技術(shù) 利用可飽和的吸收體的性質(zhì)來改變 Q 值。增加諧振腔的光強(qiáng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度時(shí)，飽和吸收體就會變得透明起來，透射率很高。在光譜躍遷的基礎(chǔ)上，可飽和吸收體會產(chǎn)生“漂白”。若在諧振腔中放置一種高吸 收率的材料，那么激光的震蕩急劇降低， Q 開關(guān)關(guān)閉。介質(zhì)中的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)增加，光通量迅速增加，這時(shí)就會使被動(dòng) Q 開關(guān)到達(dá)飽和狀態(tài) [11]。諧振腔的損耗下降， Q 開關(guān)脈沖就建立起來了。 Q 開關(guān)是由激光輻射自身啟動(dòng)的，不用外加電壓，等設(shè)備。與傳統(tǒng)的激光器相比，激光二極管抽運(yùn)的被動(dòng)調(diào) Q 激光器有很多優(yōu)勢，優(yōu)點(diǎn)如下： (1)典型的腔長數(shù)量級為毫米，亞毫米級別，甚至可以降低到皮秒級別，使得易產(chǎn)生單縱模的激光。 (2)系統(tǒng)的體積小，可以到達(dá)毫米量級。 (3)設(shè)計(jì)簡單，便于調(diào)整，易于維護(hù)。 在實(shí)際應(yīng)用中，有些領(lǐng)域需要穩(wěn)定的輸出，其穩(wěn) 定性差，故不能廣泛應(yīng)用。 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 8 1 . 00.9 0.8 0.7 0.6 0.5透射率能量密度 /( 焦耳 / 平方厘米 ) 圖 厚度為 的 Cr ?4 : YAG 吸收體的透射率和能量密度之間的關(guān)系 為了增加耐用性和可靠性，人們采取了兩種方法，一種是摻雜吸收性離子，另外一種是加入色心。現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的材料是 Cr ?4 : YAG。 Cr ?4 離子在激光的波長段吸收面 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 積很大，能夠很好地吸收，有較小的吸收殘余 YAG 晶體的物理，化學(xué)特性都很穩(wěn)定。吸收帶寬高，摻雜度高，導(dǎo)熱率較高，性能很好。這樣一來，被動(dòng)調(diào) Q 固體激光器的性能有很大提升，效率提高，因而得到了 很廣泛的應(yīng)用。 可飽和的吸收材料可以用下圖的能級結(jié)構(gòu)來表示，在能級 13 中發(fā)生躍遷。 3~2 能級躍遷很快。只有基能態(tài)的吸收截面很大，才適合作為被調(diào) Q 的材料。與此同時(shí)，上能態(tài)能級 2 存活時(shí)間必須足夠長，才會大量消耗基能態(tài)的粒子數(shù)。若光通量不足以排空基態(tài)能級的粒子數(shù)，那么激光器諧振腔中的吸收體就不會透過激光輻射。反之，如果粒子數(shù)目達(dá)到一定數(shù)量，那么吸收體就會變成透明的?？娠柡臀阵w的能級圖如圖 所示。 對于可飽和吸收體來說，吸收系數(shù)為如下，其與光線強(qiáng)度有關(guān) [12]。速率方程如下式： 0() 1SE E E?? ? ? () 式中， 0? 為小信號吸收系數(shù)， sE 為飽和能量密度， s gshvE ?? () 能級 1→ 3 躍遷的吸收截面用 gs? 來表示。 1243快慢快τ AB 圖 A 為 gs? ， B 為 es? ,分別是基態(tài)和激發(fā)態(tài)的吸收，激發(fā)態(tài)的壽命記作 ? 可飽和的吸收體的參量有以下：初始的透射率為 0T ， 使得飽和吸收體變?yōu)橥该鞯哪芰棵芏?SE ，將可飽和吸收體漂白后，可以得到小信號的透射率是 0 00e x p ( ) e x p ( )s g s sl n lT ??? ? ? ? () 可飽和的吸收體的厚度用 sl 來表示。基能態(tài)的粒子的密度用 0n 來表示。在可飽和的吸收體介質(zhì)中，位置不一樣，則光通量和粒子密度也不同。所以要想算出參數(shù)是能量密 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 度的透射率，需要就必須考慮這兩項(xiàng)因素。 理想情況下，可飽和的吸收體對應(yīng)不同的入射光能量，透射率可以表示為： 011sE EsiET In e TE ????? ? ????????? () 近似的，若 sEl? 和 sEE? 時(shí) ， 上式可分別化簡寫作 0iTT? 和 1iT? 。 然而實(shí)際情況中，即使調(diào) Q 材料能夠在基能態(tài)表現(xiàn)出飽和的特性，仍舊不可能達(dá)到完全的透射，因?yàn)楣庾訒皇芗ぴ游?。上圖 可以看出，能級 2 向能級 4 躍遷，躍遷與能量相對應(yīng)。基態(tài)的粒子數(shù)逐漸減少，消耗殆盡，能級 2 與 4 之間吸收會增加。當(dāng)基態(tài)達(dá)到飽和的狀態(tài)時(shí)，激發(fā)能態(tài)會發(fā)生吸收，激光腔內(nèi)就會發(fā)生殘余損耗。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁 3 激光二極管抽運(yùn)的微晶片 激光器 六十年代，固體的激光器獲得了迅速的發(fā)展。因?yàn)樾什桓?，還存在熱效應(yīng)，傳統(tǒng)的燈抽運(yùn)的固體激光器并未獲得深入的發(fā)展。隨著研究的深入，到了 80 年代后期，出現(xiàn)了全固態(tài)的激光二極管的固體激光器。這種激光器有許多優(yōu)點(diǎn)，效率很高，使用時(shí)間長，可靠性好。全固態(tài)的激光器揚(yáng)長避短，在各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。發(fā)展最迅速的是二極管抽運(yùn)的微晶片激光器，是激光的重要發(fā)展方向。微晶片激光器都能夠保證輸出單頻的理想的光束，為高斯型。因?yàn)槲⒕す馄鞯闹C振腔的截面都是平面，腔長不長，這種激光器的構(gòu)造不復(fù)雜，成本低，發(fā)展前景很好。 激光二極管抽運(yùn)技術(shù) 激光二極管抽運(yùn)的固體激光器指的是用激光二極管作為激勵(lì)源去抽運(yùn)激光晶體的固體激光器。與傳統(tǒng)的閃光燈抽運(yùn)相比，具有很明顯的優(yōu)點(diǎn)。工作效率很高，體積較小，激光輸出性能好，使用壽命長，使得其成為固體激光器的重要發(fā)展方向之一。 激光二極管抽運(yùn)技術(shù)的發(fā)展 在 1960 年，紐曼第一次提出激光二極管抽運(yùn)的固體激光器的設(shè)想，隨后通過不斷地實(shí)驗(yàn)研究，最終在 1962 年制造出了激光二極管，這也是世界上最早的激光二極管 [13]。由于其輸出的波長和激光晶體 (Nd ?3 摻雜 )的吸收帶的吻合性 較好，所以，從理論上講，可以生產(chǎn)出激光二極管抽運(yùn)的效率高，體積小，使用時(shí)間長的激光器。 1964 年，來自美國的林肯實(shí)驗(yàn)室 [14]第一次實(shí)現(xiàn)了激光二極管抽運(yùn)的激光。 1968 年，麥道公司成功運(yùn)行二極管抽運(yùn)的 Nd ?3 : YAG 的激光器 [15]。 1971 年， Qstermeys[16]稱利用二極管抽運(yùn)，獲取了功率為 ，寬度為 1064nm 的激光。 早期，二極管必須在液氮下工作，主要用于實(shí)驗(yàn)，這個(gè)時(shí)期，二極管抽運(yùn)的激光器還很不成熟，采用的是同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，效率低下，波長范圍也很小 [17,18]。 隨著研究的深入， 激光二極管可以不必在液氮下工作，可以在室溫進(jìn)行，但是性能不夠完備，輸出功率和效率比較低 [19,20]，還不能進(jìn)入市場。 八十年代后，物理，化學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步也促進(jìn)了激光的發(fā)展。尤其是分子束外 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁 延，金屬化學(xué)氣相淀積這類技術(shù)的快速發(fā)展，量子阱結(jié)構(gòu)等技術(shù)的發(fā)展，使閾值電流降低成為可能。這樣一來，二極管的輸出功率以及轉(zhuǎn)化效率得到極大的提高，波長范圍展寬，使用時(shí)間也增長很多。加之微通道制冷 [21]技術(shù)的發(fā)展，使得大功率激光器成為可能。成本降低，價(jià)格隨之降低，有些已經(jīng)進(jìn)入市場，被人們廣泛使用。 勞倫斯 .利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室 (LLNL)已經(jīng)成功輸出了 70W,273W, 1050W 的功率，其采用微通道冷卻激光二極管陣列來抽運(yùn) Nd ?3 : YAG 晶體板條。 OPC 公司生產(chǎn)的 60W 集成化光纖藕合已經(jīng)步入市場，麥道公司的峰值為 350kW 的激光器也得到了廣泛應(yīng)用。 二極管的快速發(fā)展，帶來了新型固體激光材料和二極管抽運(yùn)技術(shù)的繁榮。全固體激光二極管應(yīng)用到各行各業(yè)，在 DPSSL 鎖模運(yùn)轉(zhuǎn) [22,23]單頻運(yùn)轉(zhuǎn) [24]和頻率轉(zhuǎn)換 [25]等方面獲得很大進(jìn)步，已經(jīng)能夠?qū)嶋H應(yīng)用。 激光二極管抽運(yùn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) (1)提高了工作效率 在 808nm 時(shí)，跟傳統(tǒng)的閃光燈的發(fā)射帶相比，激光二極管的發(fā)射帶能夠與釹吸收帶進(jìn)行很好的光譜匹配，因而其產(chǎn)生的抽運(yùn)速率很高。 從表面上看，激光二極管的輻射輸出能量與輸入能量相比，即效率，只能夠到達(dá) 25%— 50%，而閃光燈的輻射輸出能量與輸入能量相比，即轉(zhuǎn)換效率，能夠到達(dá) 70%。激光二極管比閃光燈的效率低得多。但是，釹吸收帶不一樣，只能吸收極小的一部分燈的輻射能量，而激光二極管可以自行選擇輸出波長，若選定某種固體激光器，我們能夠自行設(shè)定，達(dá)到完全處于吸收帶的狀態(tài)。 (2)延長了元件的壽命 在處于連續(xù)工作的 狀態(tài)時(shí)，激光二極管陣列可以使用時(shí)間是 104h，可以產(chǎn)生 109次脈沖。在連續(xù)工作時(shí)，閃光燈能夠使用時(shí)間是 500h，可以產(chǎn)生 sE 次脈沖。所以激光二極管抽運(yùn)固體激光器比閃光燈抽運(yùn)的激光器有很大的優(yōu)越性。其系統(tǒng)的壽命長很多，可靠性也高許多。 (3)改善了光束質(zhì)量 將激光二極管抽運(yùn)固體激光器的發(fā)射與長波長釹吸收帶之間的光譜進(jìn)行合理匹配，就會降低激光材料積累熱損耗，這樣就會減小熱透鏡的效應(yīng)，提高光束品質(zhì)。另外，合理利用激光輻射的方向性，那么抽運(yùn)輻射與低階模的光譜 就會很好的匹配，就可能輸出 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁 亮度極高的激光。 (4)增大脈沖重復(fù)率 準(zhǔn)連續(xù)激光二極管不但能像傳統(tǒng)的閃光燈一樣有較低的重復(fù)率，而且能像連續(xù)的弧光燈一樣連續(xù)運(yùn)行。帶有此種二極管的固體激光器可以運(yùn)轉(zhuǎn)在幾百赫茲到幾千赫茲的重復(fù)率范圍內(nèi)。 (5)有利于健康