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1、 14 第三专题 激光调 Q 技术 随着激光器件的发展和应用需要，人们对普通激光器件作了各种改进和更新。为了获得窄的激光脉冲，发展了激光调 Q 技术。通过该项技术可能获得 ns 量级的激光脉冲，主要用于激光测距和制导。为了获得 ps 脉冲，则用锁模技术，目前已能实现 fs 级激光脉冲输出，主要方案是薄片种子激光器。本章将对各种激光调 Q 技术作详细的理论分析和介绍。3.1 激光调 Q 理论 任何激光器都包括工作物质、谐振腔和泵浦源三部分。如图 3.1（a）泵浦工作物质输出镜全反镜灯光激光 spike(a)(b)s几十几 图 3.1 静态激光方框原理图及输出波形 激光器有连续、准连续和脉冲等各种
2、工作方式，基本上由泵浦方式决定。比如半导体激光和气体激光是用电激励，若用直流电则得到连续输出，若用交流电激励，则得到准连续激光输出。若想脉冲工作，必须提供高功率脉冲电源，在目前的情况下，获得窄脉冲有困难。对于固体激光器，是用灯泵浦，连续激光用氪灯，脉冲激光用氙灯。在图 3.1（a）所示光路中，激光输出脉冲宽度一般在几微秒至几十微秒的量级。灯光脉冲宽度应和工作物质的荧光寿命相匹配，比如 Nd：YAG 晶体荧光寿命是 230s，灯光脉冲也应在 230s左右。为了把光脉冲进一步压缩这就需要采取特殊的技术措施。若想把光脉冲压缩到纳秒（ns）量级，当前的技术就是调 Q。激光器属于振荡器，振荡器是否容易振
3、荡如电路中的振荡电路一样，是由品质因素 Q 来衡量的。Q 的定义是：2 WW2TQ谐振腔储能一个周期内损耗的功率功耗功耗 式中：为角频率，W 为谐振腔储能。损耗功率可由下面分析求出：设储能为 W，单程损耗系数为（1，100%损耗；0，无损耗），则单程损耗为 W。变成功耗要除以单程传播时间，单程传播所用的时间为L/c（L 为腔长，c 为光速）。所以 WLLcL2 LQ2/c2/cWcL/c 3.11 所以品质因素 Q 与单程损耗系数成反比例，控制便可以控制 Q 值。谐振腔的为总损耗，它包括反射、吸收、衍射和散射等各种损耗，即 rdas 3.12 r反射损耗，d衍射损耗，a吸收损耗，s散射损耗 当
4、前国际上主要调 Q 方案有（1）吸收饱和调 Q控制吸收损耗 14（2）声光调 Q控制衍射损耗（3）电光调 Q控制反射损耗 3.2 吸收饱和调 Q 有些液体染料或固体染料片具有吸收饱和作用，当光通过时，开始吸收很强，所以激光器处于低 Q 值，随着时间增长，吸收系数减小，最后饱和，不吸收，激光器 Q 值增高，形成振荡。在染料达到饱和之前的一段时间是激光工作物质反转粒子积累时间，与不加染料盒相比，累积时间增长，反转粒子数更多，所以形成强振荡。YAG染料盒全反镜输出镜泵浦灯 图 3.2 染料调 Q 光路示意图 通过染料浓度和厚度调节控制吸收饱和时间为2/3亚稳态寿命，可得到较好的调Q结果。染料调 Q
5、可得到 1520ns 脉宽。对 YAG 来说，主要调 Q 染料有五甲川、十一甲川、兰色素等。近几年研制出一种4Cr:YAG晶体，称为四价铬调 Q 晶体。它与液体染料具有同样的吸收饱和作用，调 Q 效果非常好，关键是恰当选择晶体厚度。对于兆瓦级的中、小功率激光器件，一般选取 35mm 厚的四价铬晶体片。晶体厚度决定吸收率，当泵浦功率较强时，适当选择较厚的晶片。4Cr:YAG晶体与染料相比不仅使用方便，而且使用寿命长。不足之处是脉冲输出时间不能精确控制，输出脉冲频率不能很高，由于吸收饱和迟豫时间的限制，用四价铬调 Q，重复频率一般限制在 20Hz 以下。3.3 声光调 Q 声光调 Q 是利用光弹效
6、应，各种同性介质受应力作用可变成光学各向异性，这种现象叫光弹效应，也称应力双折射。广义来说，各向异向晶体受应力作用改变其折射率椭球也称光弹效应。在晶体光学中，已导出晶体折射率椭球方程：222222xyzxyz1nnn 3.31 当产生应变时，折射率椭球系数产生变化，可写成：222222222xxyyzzyzzxxyxyz2yz2zx2xy1nnnnnn 3.32 比较 3.11 和 3.12 式，折射率椭球系数产生变化，对应系数的变化量 ijkl kl2klij1()psn 3.33 14 kl、可用 1、2、3 代入。式中：ijklp为光弹系数（四阶张量），kls为应变（二阶张量）。考虑晶体
7、对称性，kls通常可有六项，ijklp减为三阶张量 36 项，写成矩阵形式可有：221x11121612221222622y61266662611nnppps11pppsnnppps10n 3.34 声光调是利用声光效应，属于光弹效应。因为声波是弹性纵波，用融石英均匀介质，即xyz0nnnn。则此时的光弹系数和应变张量都只有一项，即122011psnn，0n和 n 分别为加声波前后的折射率，光弹系数，1s声波产生的应变。因声波产生应变与声波有关，即12sssin(tx)，式中：声波振幅，声波角频率 声波波长，加声波的方向（即声波传播方向）所以折射率变化220112pssin(tx)nn 220
8、00022222230000nn(nn)(nn)2(nn)11nnn nn nn 则30012nnn pssin(tx)2 ，设30a1n psn2 得到 0a2nnn sin(tx)3.35 公式的物理意义是：在融石英晶体上加上超声波，其折射率将按方向（声波传播方向）周期变化。因为折射率影响光波位相，所以加超声波的融石英晶体等效于一个正弦位相光栅，光波通过时位相变化幅度a02n L，为光在石英中的传播长度。由三维正弦位相光栅的基本理论，光通过时发生衍射满足方程：0m0sinsinm m0,1 是平面光栅方程 3.36 m0coscos0 m1 是由体光栅决定的方程 3.37 14 由式 3.
9、37 可推出 m0 其中0是光入射角，m是衍射角，0为光波长，是声波波长，将m0 代入平面光栅方程，则有：0m2sinm，其中m1，对应m0（注意：m0，对应m0）3.38 公式 3.38 称为布拉格方程。根据此方程衍射光线如图 3.3 0m正一级零级衍射入射光0m零级衍射入射光负一级 图 3.3 布拉格衍射光线图 可见这种光栅只有零级和正一级（或负一级，由入射光方向决定）0 级和 1 级光的输出强度可通过一番复杂的推导得到下面的表达形式：0iAA cos()2 1iAA sin()2 i01A,A,A分别为入射光波，级衍射光和级衍射光的振幅。3.39 a02n L，式中02k，为波数，an是
10、声波引起的折射率变化幅值，上面已求出。是通光方向长度，an L表示光程变化量。在01A,A的中代入an的表达式，则：30021(n ps)L2 3.310 应变也需要一番计算，可得到1/2ac3ac2ps()vLH 式中：acp声波峰值功率，声光材料密度 acv介质中声速，通光方向长度，称为厚度 声光材料的宽度 14 于是621/231/21/21/2ac00ac330ac0acpn p2L2L()n p()()(p)HvHv 3.311 0acn,p,v都是材料固有的，决定材料的品质，所以通常引进62023acn pMv为声光介质的品质因数。希望这个因数越大越好。引入2M后，1/21/22a
11、c02L()(M p)H 3.312 技术上的努力方向是使 ，从而得到：1i0AA,A0，等效于全部光衍射到级。这要求1/21/22ac02 L()(M p)1H。左边的数一般是很小的，只有取大的L/H比，大的2M，较高的声光功率acp，才能接近。2M值大是最关键的，L/H大吸收增大，或通光面积减小，acp大给声波发光器制作上带来困难。目前超声波功率的射频源只能做到十几二十几瓦。如果我们能做成一个声光调制器，并使其 ，则此器件起到光偏转的作用，这种偏转不是通过反射而是通过衍射实现的，由于衍射达到的偏转角实际上等于二倍布拉格角，如图 3.4，用声光调其光路如图 3.5。017BB2入射光一级衍射
12、零级（激光器光轴方向）X 图 3.4 布拉格衍射光线 14 R1输出镜YAG连续氪灯射频电源（30MHz或 40MHz）全反射镜R21级0级声光调制Q开关BX 图 3.5 声光调 Q 光路 把声光调制器介入激光谐振腔中，如图 3.5 所示。当声光开关上加有射频信号时（功率约十几瓦），垂直光路的光线，即从 YAG 中发射的自发辐射光子，被全反射镜2R反射到腔外，谐振腔不能振荡。YAG 中反转粒子数不断积累，当到达最大反转粒子数时，去掉开关的射频信号，此时石英介质不产生光偏转，使光在腔内形成振荡，由于放大倍数高，振荡时间短，便获得巨脉冲宽度。通常可获得 3050ns 的脉冲输出。如用连续灯泵浦，声
13、光开关射频信号关断频率为，则获得频率为的光脉冲输出，一般不能大于 5000Hz，因为 YAG 晶体荧光寿命为 230s，5000Hz 对应 200s，频率再高就需要更强的泵浦，否则达不到阈值。下面简单介绍一下声光开关的结构与制做工艺，如图 3.6 x声光介质声波换能器电极板射频电源声波吸收体外部光波 图 3.6 声光 Q 开关结构图 声光介质目前主要用融石英，换能器，即声波发生器（用3LiNbO晶体），它把高频电源供给的射频电能通过压电效应产生超声波传到声光介质融石英中形成光栅，吸收体是使声波不反射回来，确保声光介质内是行波。14 声光调制器的制做工艺是：先加工一块3LiNbO晶体，按尺寸要求
14、稍厚一点，一般厚为0.5mm 以上，再按尺寸加工好融石英介质，通过铟焊或胶合把二者连接起来，然后再磨3LiNbO晶体使厚度达到 10m左右（由射频信号频率而定）。镀金电极是在铟焊前先镀一侧，加工减薄后再镀一侧，将制好的光学件固定在保护外壳中并将电极引出，便制作好一个声光调制器。由于制作工艺复杂，其驱动射频电源也很难制造，所以声光调制器是比较昂贵的。3.4 电光调 晶体折射率随外加电场而改变的现象称为电光效应。折射率与外场成线性关系变化，称为普克尔效应，折射率变化与外场成平方关系称为克尔效应。电光调是根据普克尔效应。前面已讲过，在不加外场时，晶体的折射率是由椭球方程表示，即：222222xyzx
15、yz1nnn，加有外部电场后，方程变成：ijij1n，式中 i，j 取 x，y，z 各方向折射率的变化与电场的各分量有关，即：iijj2j1()En 取 1、2 6，取 1、2、3 或，将上式表示成矩阵形式更明显：221x222y111213212223x223zyz2452616263252611nn11nn11EnnE10En10n10n 3.41 为三阶电光系数张量，在七大晶系 32 点群中各种晶体的电光系数张量都有固定的形式，由于晶体对称性大部分张量元为零，对当前最适用最普遍应用的电光晶体KD*P晶 14 体其电光系数张量表示为：414163000000000000000，如果电场加在
16、方向，则上面的矩阵公式变成下面简明形式：221x222y223z41244163252611nn11nn000000110000nn00010En000010n10n，未加外场时，KD*P晶体折射率椭球公式为22222oexyz1nn 所以，由上面方程得到：221o11nn 222o11nn 223e11nn 2410n 2510n 63261En 因此，加外场后折射率椭球方程由一般形式：222222222123456xyz2yz2zx2xy1nnnnnn 变为：2226322oexyz2Exy1nn 3.42 把此方程的坐标系旋转45（以轴），在新坐标系x,y,z中，上面方程变成下列形式，即
17、标准椭球方程：2226363222ooe11z(E)x(E)y1nnn，z与z一致。在感应主轴坐标系x,y,z中，标准椭球方程应写成：14 222222xyzxyz1nnn的形式。与上面的方程相比，可见 6322xo11Enn ，6322yo11Enn，22ze11nn，可以解出：3xoo631nnnE2 3yoo631nnnE2 3.43 zenn 当光波沿z(z)传播时，在x,y轴上的两个振动分量折射率不一样，xn小于yn，所以在x方向光的传播相速快于y方向，x称快轴，y称慢轴。经过距离（晶体长度），光程变化量：yx(nn)L 而两分量的位相差3yx0630022k(nn)LnEL 3.4
18、4 因为电场强度VE,LV为电压，为加压晶体长度，即加压方向的长度。于是306302nV。如果能使30063nV4，则2，此时的晶体相当于一个4波长片。因为63数值很小，需要加很高的电压才能使2，在一般长度和常温下，/4V4000V 左右，我们称对应2 时所加的电压值为4电压，这是一个专门的术语，不是电压等于4。根据物理光学的一般知识，强度相等且振动方向垂直的两光波叠加，若其位相差为2，则合成为圆偏振光，若再经过一个4波片，又变成线偏振光，但是偏振方向与原来差90，用这样的原理便可实现电光调功能。见图 3.7 14 泵灯晶体PKD*YAG起偏器全反射镜4000v输出镜 图 3.7 电光调 Q
19、光路图 开始时可一直加有4000V 左右电压，此时谐振腔由于光不能返回 YAG 晶体中，不能形成振荡，相当激光谐振腔处于低值状态，从而使 YAG 激光工作物质的反转粒子数由于灯泵而累积得更多，如同水坝一样。当反转粒子数达到峰值时，可突然去掉KD*P晶体上的电压，这一过程通常称为开门。加压时称关门。开门后由于反转粒子数多，形成雪崩式激光振荡，时间短而功率高，产生巨脉冲输出。电光调可产生 10ns 左右脉宽，峰值功率可达几十兆瓦。20是比较容易实现的。而晶体的退电压需要采取特殊设计的开关电路，一般用冷阴极触发管或串联雪崩管。第四专题 激光放大理论与技术 4.1激光放大基本理论 为了达到高能脉冲激光
20、输出，采用了激光放大技术，激光放大有两个目的：1、获得大能量或大功率 2、改善高功率激光器的光束质量 一般激光器单级输出是有限的，比如脉冲调 Q 激光器，目前最高输出也就是 3040MW的范围，要想获得 100MW 激光输出，就必须放大。从另一方面，单级高功率激光器不能实现单模输出，为了提高高功率激光器的光束质量，通常是先做一个单模低功率激光器或种子激光器，然后再加一级或多级放大。激光放大器也要实现粒子数反转，但是放大器不用谐振腔，对于静态激光放大器光路如图 4.1 所示 输出镜本振级全反镜放大级 图 4.1 静态激光放大器光路 对于非调 Q 激光器，放大级要提前泵浦，对于调 Q 激光器一般是
21、同时泵浦，因为调 Q已有累积时间。14 放大器有连续放大，脉冲放大和超短脉冲放大等几种形式。对于连续放大器：d n0dt，反转粒子变化是稳态 脉冲放大器：d n0dt，反转粒子在放大过程中来不及补充，是不平衡系统。放大器最关心的是增益高和放大后输出功率大。即高的放大倍数和强的输出。在激光器中，增益和功率输出均可从理论上计算出，对于连续激光放大器，其理论公式是：0isGln()IGIG1 4.11 式中iI是本振级输出光强，sI是输入饱和功率密度，即放大器输入值达到sI。放大器的增益和输出不再增加，0G为单程增益，其式表示为00Gexpg L，0g是小信号增益，L是腔长，对于结构确定的激光器0G
22、是固定值。outiIGI，表示总的增益，称为有效增益。有效增益标志激光放大器的综合品质。下面讨论一下上面的公式：1.当G1时，即输出比输入大得多，则可近似为：0isGln()IGIG，0isGGII ln()G，因为 ioutGII 0outsGII ln()G 2.当放大的信号很小，放大后的信号也小于sI时，即isGII，则isGI1I，可认为isGI0I，即0Gln()G 很小，0G1G，0GG 于是：outii0i0II GI GI expg L 3.当isII，即输入大于饱和功率密度：14 isI1I，由0isGln()IGIG1可见，则G1或者0GG 由 0isGI(G1)I ln(
23、)G 0iisGI GII ln()G 0outisis0is0is0GIII ln()II lnGII lnexpg LII g LG 对于脉冲放大器可推出有效增益 s0iEG1()g LE 4.12 souts0iEEE ln1exp()1G E，其中iE和sE分别为放大器输入能量（本振输出能量）和饱和输入能量。4.13 4.2 放大器的设计方案 放大器有多种方案，但是典型的有下面几种。1.单级放大 放大级输出镜全反镜本振级放大输出 图 4.2 单级直通放大器光路 对于单级放大器，若输入是非单模强信号时，放大级一般可放大三倍左右，为了进一步放大得到更高输出，可加两级放大或者三级放大等，比如
24、人卫测距系统一般加三级放大。电光调 Q或锁模起偏器YAG输出镜一级放大二级放大三级放大全反镜 图 4.3 三级放大器光路 对于调 Q 系统一般最多加两级放大，因为再加放大级已达到饱和，甚至破坏晶体。本振为锁模激光器时，一般加三级放大，如图 4.3。可将 100300ps 的激光脉冲信号放大到1000MW 以上。可以实现对卫星测距和测月。多级放大系统光路很长，一般是庞大的系统。14 为了缩短光路，并充分利用放大级的反转粒子数，有时（比如输入信号较小时）采用双程放大器更有利。2.双程放大器 全反镜KD*P起偏器本振级输出镜YAG偏振器波片4/双程放大器YAG全反镜放大输出 图 4.4 双程放大器光
25、路 本振级输出偏振光，如图 4.4 可知，偏振光可顺利通过偏振器进入/4波片，变成圆偏振光进入 YAG 棒放大，经全反镜返回再次放大，共两次放大，然后通过/4波片变成与输入偏振光相垂直的偏振激光束，即振动方向垂直纸面，并由偏振器内侧面反射输出。这种双程放大器对放大器的利用率很高，腔长也缩短了，但是侧面输出需加反射镜才能与主光路一致。当信号较小，需要多次放大时，可选用四程放大器 3.四程放大器 本振格兰棱镜偏振器全反镜全反镜全反镜YAG1YAG2波片2/图 4.5 四程放大器光路 设本振级输出激光为偏振方向垂直纸面，则经过 YAG1 和 YAG2 放大两次，通过/2波片变成平行纸面偏振光到达偏振
26、器，经过反射再次通过 YAG1 和 YAG2，又得到两次放大，然后第二次通过/2波片变成垂直纸面振动的激光，由偏振器透射输出，输出光总共放大四次后得到强激光输出。有时对于锁模激光器，因信号非常小，即或放大四、五次也不足以达到 MW 级，特别是人卫测距系统。既需要高功率又需要 ps 级光脉冲。对于多级放大是必须的。上世纪 70年代在美国西尔尼亚公司的人卫测距系统和测月系统中首先设计了一种再生放大器，属于多 14 程放大的一种有用方案，广泛被世界各国所采用。其光路如图 4.6.1.再生放大器 本振级全反镜 IKD*P 4/V偏振器YAG波片4/KD*P II4/V全反镜 II输入o光泵灯 图 4.6 再生放大器光路 YAG 左边的KD*P和偏振器是调 Q 系统，右边的/4波片加上KD*P相当于光束偏振状态控制元件。本振级以 o 光状态输入在偏振器上反射到KD*P和全反镜并变成圆偏振光（此时KD*P和KD*P上起始时全加有V/4电压，约 4000v 左右）。返回经过KD*P变成 e 光通过起偏器进入 YAG 工作物质得到放大，当放大激光信号从全反镜返回到达起偏器时，KD*P电压去掉，即打开调 Q 的门开关，使放大信号能来回振荡得到多次放大，当信号放大多程，去掉KD*P上的电压，使激光放大信号从偏振器上反射输出。