【正文】 (312)閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度， (313)為推導(dǎo)方便，引進(jìn)變量s,令，則 (314) (315)式中為T=0時(shí)工作物質(zhì)吸收的閾值泵浦能量， (316)將E對(duì)s求導(dǎo)，根據(jù)極大值條件，可求出能量最大時(shí)s的最佳值sm. (317)所以 (318)對(duì)于長(zhǎng)脈沖激勵(lì)時(shí)的最佳透射率為 (319) (320)一般聲光脈沖激光器的輸出鏡透過(guò)率很難用解析式計(jì)算，我們采用實(shí)驗(yàn)的方法確定。 脈沖激光器最佳透射率脈沖激光器同連續(xù)激光器一樣存在一個(gè)最侍透射率Tm，當(dāng)T=Tm時(shí)輸出能量和功率最大。棒上基模光斑半徑及模體積圖32 中棒長(zhǎng)lrod=120mm, 則主面位置h=lrod/2n=33mm,λ=λ0/n, n=,棒的主平面上基模光斑半徑ω0L化簡(jiǎn)為 (38)在穩(wěn)區(qū)內(nèi)取不同d值，求得相應(yīng)主平面上的基模光斑半徑ω0L。dhrodM2rodAOM1M2M1圖32 等效厚透鏡諧振腔示意圖 sketch of equivalent thick lens ‘ resonant cavity圖31 諧振腔示意圖 sketch of resonant cavity圖32中，以M1為參考面，其光線單程傳輸矩陣的積為 (31) (32)由于對(duì)稱腔有：d=d1=d2 (33)諧振腔的g參數(shù)為 (34)由得到有效穩(wěn)定區(qū)范圍 (35)若聲光器件晶體的長(zhǎng)度為lAO ，折射率為nAO ,則M1至棒主面的幾何長(zhǎng)度則穩(wěn)定區(qū) 依據(jù)熱透鏡效應(yīng),實(shí)際棒的屈光度與泵浦功率、水冷卻、棒的材料參數(shù)等因素有關(guān)，用經(jīng)擴(kuò)束的HeNe激光測(cè)量了在不同泵浦功率下棒的熱焦距參數(shù)，不同的泵浦功率有不同的熱透鏡焦距，但是穩(wěn)定區(qū)的選擇只能針對(duì)某一熱焦距f值而定，而諧振腔的參數(shù)計(jì)算規(guī)律，對(duì)于任一f值是一樣的，取f=200mm作為參考值，lAO=50mm，nAO=,所以有效穩(wěn)定區(qū)范圍mm，而幾何穩(wěn)定區(qū)范圍mm。諧振腔腔長(zhǎng)的選擇基于三方面的考慮，諧振腔在最大泵浦功率時(shí)不進(jìn)入非穩(wěn)定區(qū)， Q開(kāi)關(guān)的調(diào)制脈沖短，盡可能好的光束質(zhì)量。該腔型的主要優(yōu)點(diǎn)是，光束方向性極好（發(fā)散角?。?，模體積大，比較容易獲得單模振蕩。我們采用平行平面腔這種臨界腔的設(shè)計(jì)方案，其性質(zhì)界于穩(wěn)定腔與非穩(wěn)腔之間。第3章 脈沖激光聲光調(diào)Q系統(tǒng) 激光器的結(jié)構(gòu) 諧振腔的設(shè)計(jì)諧振腔是激光器的一個(gè)重要組成部分。 代入(218)、(227)、(228)式，得：。則(223)、(226)式變?yōu)椋? (227) (228)根據(jù)所設(shè)計(jì)的器件參數(shù)，熔石英的聲光優(yōu)質(zhì)，器件超聲場(chǎng)的長(zhǎng)度L=40mm，換能器的寬度H=4mm，驅(qū)動(dòng)電功率為40W，則聲功率Ps =12W。0。0，I162。0。0，I162。162。0I0(a)(b)與聲場(chǎng)垂直和平行的0級(jí)光強(qiáng)分別為：， (219)0級(jí)光強(qiáng)為： (220)當(dāng)光強(qiáng)為的光經(jīng)第二個(gè)聲光器件調(diào)制后，如圖21.(b)，與聲場(chǎng)垂直和平行的0級(jí)光強(qiáng)分別為：， (221)經(jīng)兩聲光器件調(diào)制后， 0級(jí)光強(qiáng)為： (222)衍射效率為： (223)(2)光通過(guò)兩聲場(chǎng)互相平行的器件當(dāng)光強(qiáng)為I0的非偏振光經(jīng)兩聲場(chǎng)互相平行的器件調(diào)制，如圖(2)，I162。0E2^E1^nsE2//nsI162。0。0，I162。0。0，I162。由于聲場(chǎng)與光的不同偏振方向，M2的值不同，將I0分解為偏振方向互相垂直的(E^、E∥)、等光強(qiáng)的兩部分I^、I∥，I^ = (E^)2，I∥ = (E∥)2， I0 = I^ + I∥，則 I^ = I∥ = I0/2。. 雙聲光調(diào)Q開(kāi)關(guān)的衍射損耗分析大功率Nd:YAG激光器的Q開(kāi)關(guān)一般采用喇曼奈斯衍射，根據(jù)聲光相互作用理論[6]，0級(jí)光和0級(jí)光兩側(cè)的各級(jí)衍射光的光強(qiáng)關(guān)系為： (215)其中，、分別是喇曼奈斯衍射0級(jí)光和0級(jí)光兩側(cè)的各級(jí)(第m級(jí))衍射光的光強(qiáng)，M2是器件的聲光優(yōu)質(zhì)，超聲波為縱波時(shí)，聲波垂直、平行于偏振光的聲光優(yōu)質(zhì)不同。已有采用雙聲光Q開(kāi)關(guān)的報(bào)道[4，5]，激光器腔內(nèi)的關(guān)斷損耗得到提高，但沒(méi)有考慮聲光優(yōu)質(zhì)與光偏振態(tài)的關(guān)系，聲光Q開(kāi)關(guān)的關(guān)斷損耗能力沒(méi)有充分利用。Nd:YAG激光為非偏振光，在腔內(nèi)插入起偏元件，雖然能提高衍射效率，但由于插入損耗大，同時(shí)，Nd:YAG存在退偏現(xiàn)象，大功率Nd:YAG激光腔內(nèi)聲光調(diào)Q，不宜采用插入起偏元件的方法提高聲光Q開(kāi)關(guān)的關(guān)斷性能。則在y=+L/2面出射的光波是Aexp{iωc[tn(x)L/c]}.所以出射的光波已經(jīng)不再是一個(gè)平面波,它的等相面是一個(gè)由n(x), (27)令 ,則上式的實(shí)部和虛部分別是: (28)應(yīng)用如下關(guān)系式展廳開(kāi) (29)()進(jìn)行積分,因虛部為零,則得到(210)函數(shù)sinaq/aq的極大值相應(yīng)于a=0,故上式的各項(xiàng)分別在(m=整數(shù)0)時(shí)取極大值,而在其中某一項(xiàng)為極大值時(shí),(211)其中m=1,2…..(212),L是聲柱寬度,即聲光相互作用長(zhǎng)度,ki是入射聲波的波矢長(zhǎng)度,也可以取負(fù)值, .,衍射光各級(jí)極值光強(qiáng)之和恒等于1.前面我們討論了喇曼奈斯衍射,喇曼奈斯衍射與布喇格衍射是在改變聲光衍射參數(shù)時(shí)出現(xiàn)的兩種極端情況,現(xiàn)在普遍認(rèn)為,將作為定量標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)G≤π為喇曼奈斯衍射區(qū),G≥,只出現(xiàn)零級(jí)和+1級(jí)或1級(jí),其強(qiáng)度可分別寫為 (213)其中, ,考慮到換能器的長(zhǎng)度L和寬度H,及聲光材料的品質(zhì)因數(shù)M2,及超聲功率PS上式又可寫為 (214) 聲光調(diào)Q 聲光調(diào)Q基本原理聲光調(diào)Q就是利用激光通過(guò)聲光介質(zhì)中的超聲場(chǎng)產(chǎn)生衍射,使光束偏離出諧振腔,造成諧振腔的損耗增大,Q值下降,則衍射效應(yīng)即行消失,腔損耗減小,Q值猛增,激光振蕩迅即恢復(fù),其能量以巨脈沖形式輸出.聲光調(diào)Q Nd:YAG激光器，聲光Q開(kāi)關(guān)的聲光互作用介質(zhì)一般采用熔石英，其主要優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)均勻性好、熱性能穩(wěn)定、抗損傷閾值高，但缺點(diǎn)是聲光優(yōu)質(zhì)小，且與光的偏振態(tài)有關(guān)。駐波的振幅為極大,等于2A,這些點(diǎn)稱為駐波的波腹。對(duì)駐波而言，可以認(rèn)為它形成的聲光柵是固定在空間的，其相位變化與時(shí)間成正弦關(guān)系。介質(zhì)折射率的增大和減小是交替變化的，并以聲速vs向前推進(jìn)。 聲波在介質(zhì)中傳播分為行波和駐波兩種形式。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向都隨著超聲場(chǎng)而變化。第2章 聲光調(diào)Q理論分析超聲波是一種縱向機(jī)械應(yīng)力波（彈性波），在聲光介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)引起介質(zhì)密度呈疏密交替變化，其折射率也發(fā)生相應(yīng)地變化，故超聲波作用的這部分介質(zhì)即可視為一等效的“相位光柵”，光柵的條紋間隔等于聲波波長(zhǎng)λs。在此基礎(chǔ)上，研制一套基于脈沖氙燈泵浦的高峰值功率，窄脈寬，高重復(fù)頻率的聲光調(diào)Q激光設(shè)備。我們通過(guò)研究聲光晶體的損耗效率特性，功率驅(qū)動(dòng)及匹配技術(shù)、對(duì)高能量激光脈沖的關(guān)斷行為，提高聲光器件的關(guān)斷能力。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)激光器的研究主要集中在脈沖基礎(chǔ)上電光調(diào)Q和連續(xù)激光器的聲光調(diào)Q方面，脈沖激光器的泵浦抽運(yùn)速度快，基于此基礎(chǔ)上的電光調(diào)Q可獲得較高的峰值功率，連續(xù)激光器的泵浦抽運(yùn)速率小，但在此基礎(chǔ)上的聲光調(diào)Q可具有較高的重復(fù)頻率。該激光器解決了功率問(wèn)題，但光束質(zhì)量較差，對(duì)較厚板仍不能有效打穿。1999年，美國(guó)GE公司開(kāi)始研制針對(duì)聲光調(diào)Q脈沖YAG激光器。應(yīng)用雙棒串接，并在兩棒之間加入旋光片，通過(guò)5mm光闌選模，得到功率為200瓦，光束質(zhì)量為3mm mrad的激光輸出[15]。93年聯(lián)邦德國(guó)報(bào)道了關(guān)于高光束質(zhì)量和高輸出功率的聲光調(diào)Q Nd：YAG激光器的研制。在連續(xù)泵浦上進(jìn)行聲光調(diào)制，重復(fù)頻率為1025kHz,可獲得脈寬為300900納秒，單脈沖能量為1030毫焦耳，峰值功率在30100kw的激光輸出。仍需進(jìn)行后序加工處理（如磨粒流加工）消除再鑄層，提高工件耐疲勞性能。其脈沖寬度可達(dá)數(shù)百微秒，峰值功率達(dá)到百千瓦級(jí)。轉(zhuǎn)盤也是一個(gè)Q開(kāi)關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)盤處于把激光諧振腔的光路完全切斷時(shí)，腔內(nèi)損耗最大，不能輸出激光。但考慮到這種激光器光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際中，應(yīng)用并不廣泛。加深孔的深度,降低錐度,提高孔的光潔度和穩(wěn)定度,研究表明,[7,25,34]在采用一組重復(fù)周期大于材料凝固時(shí)間的有規(guī)則尖峰脈沖打孔時(shí),由于每一個(gè)脈沖具有一定的能量,當(dāng)系列脈沖依次到達(dá)材料上時(shí),就和材料依次發(fā)生相互作用,使孔增加一定的深度,孔的增深隨著打孔的脈沖次數(shù)而增加,并逐漸向材料內(nèi)部推進(jìn),通過(guò)改變加工工件和光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)位置,液態(tài)材料的重新分布對(duì)孔形的影響會(huì)在多脈沖組打孔中得到消除,.對(duì)YAG脈沖激光進(jìn)行超聲調(diào)制，原理是在激光諧振腔的全反鏡安裝在超聲換能器、變輻桿的端面上。考慮到一定功率的激光束加工時(shí)，如果只延長(zhǎng)激光照射時(shí)間，則既不能增加孔深，還將降低孔壁的質(zhì)量，原因是只有在激光照射的初期，高溫氣體突然膨脹，有很強(qiáng)的沖擊波和拋出力，到了激光照射較長(zhǎng)時(shí)間的中后期，即使是已熔化工廠氣化的金屬，也會(huì)因缺乏沖擊波和爆炸力將其拋出冷卻后仍能留在孔底和孔壁[20]。但這種調(diào)Q的方法，對(duì)轉(zhuǎn)速要求很高，否則會(huì)因?yàn)槁_(kāi)關(guān)效應(yīng)產(chǎn)生多脈沖，通常的機(jī)械軸承高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速難以超過(guò)60000轉(zhuǎn)/分。由于全反鏡繞垂直于諧振腔的軸線作周期性的旋轉(zhuǎn)，所以就構(gòu)成了一個(gè)Q值做周期性變化的諧振腔。全反鏡通常采用直角棱鏡。仍不能滿足快速打孔的需要。為了獲得高峰值功率，窄脈寬的，小能量的脈沖輸出，人們對(duì)各種激光器進(jìn)行調(diào)制,[18]以獲得所需的脈沖輸出。打孔是激光在工業(yè)中最早的應(yīng)用，80年代起，人們開(kāi)始研究在航空工業(yè)及發(fā)動(dòng)機(jī)中采用激光打孔技術(shù)[14,35]，象德國(guó)的空中客車（AIRBUS INDUSTRIES）、MIU（MOTOR AND TURBIN UNION）以及MERCEDES BENZ，都在各自的企業(yè)中采用了相應(yīng)的激光打孔技術(shù)。[21]這方面的研究成果對(duì)我國(guó)，尤其是我國(guó)的軍事領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)封鎖。,通過(guò)采用高峰值功率,窄脈寬和高光束質(zhì)量的激光脈沖可獲得較好的激光打孔效果。這在另一方面又限制了激光打孔在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用。激光工具在全世界激光加工領(lǐng)域已越來(lái)越重要。也易于大多數(shù)金屬吸收。而采用EDM（ELECTRIALDISCHARGE MACHINING）因?yàn)橐笳婵窄h(huán)境,需要承擔(dān)昂貴的工具費(fèi)用和消耗費(fèi)用， ECM（ELECTROCHEMICHAL MACHINING）并需要較長(zhǎng)的機(jī)械處理時(shí)間且會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞[8,9]。發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得更高的燃燒溫度和燃油效率。這需要在燃燒室和渦輪葉片上打數(shù)十萬(wàn)個(gè)密集排列的冷卻小孔后。在如此高的溫度下，如不采取對(duì)燃燒室和渦輪機(jī)葉片的冷卻必然會(huì)使這些部件很快失效。研究目的是針對(duì)目前航空合金等材料激光打孔存在的問(wèn)題[1,2,30]，通過(guò)研究高峰值功率聲光調(diào)Q階躍脈沖列的產(chǎn)生技術(shù)，獲得高光束質(zhì)量、高峰值功率、窄脈寬的聲光調(diào)Q階躍YAG激光脈沖列輸出，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片及燃燒室等硬質(zhì)合金材料的加工質(zhì)量,[12,27]，滿足目前我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)特別是軍用型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件打孔的迫切要求。第1章 緒論脈沖激光聲光調(diào)Q系統(tǒng)畢業(yè)論文摘 要 3ABSTRACT 4第1章 緒論 5 5 5 6 9第2章 聲光調(diào)Q理論分析 10 10 聲光調(diào)Q 13 聲光調(diào)Q基本原理 13 雙聲光調(diào)Q開(kāi)關(guān)的衍射損耗分析 14第3章 脈沖激光聲光調(diào)Q系統(tǒng) 18 激光器的結(jié)構(gòu) 18 諧振腔的設(shè)計(jì) 18 脈沖激光器最佳透射率 21 23 27 27 31 31 33 氣體放電燈的觸發(fā)、預(yù)燃及放電開(kāi)關(guān) 35 39 40 41 46第4章 實(shí)驗(yàn)研究 47 47 聲光器件關(guān)斷能力的實(shí)驗(yàn) 50 聲光調(diào)制激光輸出的脈寬 50 52 54 56 57 59 60 60 61 61結(jié) 論 64附錄1 參考文獻(xiàn) 65附錄2攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的論文 68附錄3 致謝 6969摘 要本文圍繞著與JS50高能束流加工技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作項(xiàng)目“高峰值功率聲光調(diào)Q脈沖YAG激光打孔機(jī)理研究”，在自由運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖激光器的基礎(chǔ)上進(jìn)行聲光調(diào)Q以獲得高峰值功率脈沖序列，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行了研究，并針對(duì)航空飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用鎳基高溫合金進(jìn)行了初步打孔實(shí)驗(yàn)。從理論上對(duì)聲光器件衍射損耗作了分析與計(jì)算,研究了二維雙聲光器件對(duì)提高衍射損耗效率的影響,在實(shí)驗(yàn)中采用二維雙聲光組合器件提高聲光器件的對(duì)Nd:YAG激光器的關(guān)斷能力,較之單聲光的關(guān)斷能力提高了一倍左右,而對(duì)于平行雙聲光也提高了30%,. 將激光電源觸發(fā)信號(hào)分為為兩路,一路用以點(diǎn)燃泵燈,另一路通過(guò)DG535延遲發(fā)生器延遲后,觸發(fā)波形發(fā)生器調(diào)制聲光驅(qū)動(dòng)電源的高頻信號(hào),驅(qū)動(dòng)聲光器件,以達(dá)到與自由運(yùn)轉(zhuǎn)激光脈沖達(dá)到同步,在延遲時(shí)間達(dá)150微秒時(shí),、高峰值功率、窄脈寬的聲光調(diào)Q YAG激光脈沖列輸出，..利用所研制的Nd:YAG聲光調(diào)Q激光器輸出的高峰值脈沖列,. 關(guān)鍵詞：Nd::YAG脈沖激光器, 聲光調(diào)制, 激光打孔ABSTRACTThis paper reports on the characterization and analysis of dr