一种调q激光脉冲波形调整方法

陈培锋, 兰信钜

1988年12月14日

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波形 脉冲 激光 调整

1.一种调Q脉冲波形调整方法调Q激光器泵浦开始时，Q开关是关闭的，当激光介质内储能达到最大时，Q开关开启本发明的特征在于在Q开关开启后、Q脉冲输出过程中重新关闭Q开关，从而改变激光器谐振腔的工作状态，使Q脉冲的波形得到调整2.如权利要求1所述的调Q脉冲波形调整方法，其特征在于Q开关重新关闭的时刻是在Q脉冲达到峰值的同时，并使Q开关重新处于最大可能关闭状态，Q脉冲波形后沿快速衰减，使Q脉冲宽度压缩3.如权利要求1、2所述的方法，其特征在于可以通过调节Q开关重新关闭后的损耗系数或通过调节Q开关重新关闭的时间来调节Q脉冲后沿的衰减速度，使Q脉冲宽度得到连续调节4.如权利要求1所述的方法，其特征在于在Q脉冲峰值达到之前关闭Q开关，从而使Q脉冲不能达到峰值功率，通过调节Q开关重新关闭的时间来调节Q脉冲所能达到的最大值，此时，在泵浦功率恒定条件下，可以连续调整峰值功率，并保证激光输出的横向模式不变

由于调Q激光器具有峰值功率高，脉冲宽度窄的特点，因而其应用领域日趋广泛与此同时，对调Q激光器的性能要求也愈来愈高，比如要求脉冲宽度更窄，而且在许多应用场合要求脉冲宽度可以连续调节，等等对调Q过程的理论分析表明，调Q激光器的输出峰值功率和脉冲宽度取决于Q开关的启闭速度、腔增益及腔损耗因此，人们最先采用的压缩脉宽的方法主要包括加快Q开关开启速度，以及选用优质激光工作物质材料，增加泵浦功率和降低腔损耗等等这些方法的优点在于能够在压缩脉宽的同时增加峰值功率，而缺点则是实现困难实际上，应用上述方法压缩脉宽基本上已无潜力可挖因此，要进一步压缩脉宽就必须在调Q机理上进行开发研究目前，国外采用的压缩Q脉冲宽度的方法主要有US-4477905和US-4174504所描述的腔倒空的方法，以及美国《光学通讯》杂志(Optics Communications)VoL.40.№.4第298页所描述的自注入方法这两种方法在理论上说都是有效的自注入锁定技术还可以连续调节激光Q脉冲宽度但是，它们的缺点是太复杂而且极易受外界干扰，现在不可能实际应用另外，JP-61015384描述了一种调节声光调Q脉冲宽度的方法，但这种方法只能得到比普通调Q脉冲宽度更宽的脉冲，即不能压缩脉冲宽度综上所述，本发明的目的在于研究一种简便易行的压缩并连续调节Q脉冲宽度的技术方法本发明的内容包括普通调Q激光器的原理是在泵浦开始时使谐振腔处于低Q值状态(即关闭Q开关)使腔内增益低于损耗，阻止光振荡的形成，从而使泵浦能量储存在激活介质中当储能达到最大值时，突然使谐振腔处于高Q值状态(即开启Q开关)此时，增益远远大于损耗，储存在激活介质中的能量迅速以一个巨脉冲的形式输出在Q开关开启后，Q脉冲输出过程中重新关闭Q开关，从而改变激光器谐振腔的工作状态，使Q脉冲的波形得到调整Q开关重新关闭的时刻可以是在Q脉冲达到峰值的同时，并使Q开关重新处于最大可能关闭状态，Q脉冲波形后沿快速衰减，达到压缩Q脉冲宽度的目的本发明可以通过调节Q开关重新关闭后的损耗系数或通过调节Q开关重新关闭的时间来调节Q脉冲后沿的衰减速度，使Q脉冲宽度得到连续调节本发明还可以调节Q脉冲的峰值功率，在Q脉冲达到峰值之前就使Q开关恢复到高损耗态，则Q脉冲就不能达到峰值，通过调节Q开关重新关闭的时间就可以调节Q脉冲所能达到的最大值，此时，在泵浦功率恒定条件下、可以连续调整峰值功率采用此种方法调节Q脉冲峰值功率的特点在于既便于自动控制，又在调节峰值功率时可以不必调节泵浦功率，这一点对于固体激光器特别有用，因为这样就可以保证其横向输出模式不变通过理论分析，我们发现调Q巨脉冲的后沿半宽度总是远远大于前沿半宽度事实上，调Q巨脉冲的脉冲宽度主要是由后沿半宽度组成的这是由于为了保证调Q巨脉冲的峰值功率尽可能大，我们总是将腔内的损耗(不包括输出镜透过损耗)尽可能作得很小这虽然有利于脉冲峰值功率的增加，可以使调Q巨脉冲的前沿尽可能快地上升，但同时却不利于脉冲后沿的衰减，使得调Q巨脉冲的后沿拖得很长事实上，脉冲后沿的这部分能量在很多场合下是没有什么用处的特别在激光加工等场合下，它的存在有时是很不利的因此，将调Q巨脉冲的后沿衰减掉是必要的而采用本发明的压缩脉宽方法即可达到这一目的，而且还可以在较大范围内连续调节Q脉冲宽度，同时又保证调Q巨脉冲的峰值功率不变另外，采用本发明的方法，还可以在保证激光横向模式不变的前提下连续调整Q脉冲的峰值功率本发明的优点在于压缩脉宽范围大因为调Q巨脉冲宽度的后沿是组成其脉宽的主要部分，而本发明的方法则可迅速衰减其后沿部分，从而在较大范围内压缩脉宽;解决了调Q巨脉冲后沿与前沿(峰值功率的主要成份)的矛盾因为Q脉冲前沿和峰值功率要求腔损耗尽量小，而其后沿则要求腔损耗尽量大，本发明既保持了前沿部分，又压缩了后沿部份，妥善地解决了这一矛盾;压缩脉宽的同时可保持峰值功率不变，由于本发明是在脉冲达到峰值后才使Q开关重新关闭的因此，对Q脉冲的前沿形成过程无任何影响，所以不会影响峰值输出功率;简便、易行、可靠、适应性强本发明可以适用于一切调Q形式，特别是在激光微加工和激光测距等领域效果更佳和实施例图1为本发明的装置的示意图调Q激光器由激光工作物质(1)、全反镜(2)、输出镜(3)、泵浦电源(4)、调Q元件(5)和调Q控制电源(6)组成其中，激光工作物质(1)是任何一种可以调Q的激光材料，它应具有足够高的储能特性，能保证调Q工作的完成例如，固体NdYAG晶体，钕玻璃，红宝石以及气体Co2等等 全反镜(2)和输出镜(3)组成谐振腔图1中假设其为二块平面镜，事实上，它们可以是任何一种能够组成激光谐振腔的光学反射镜例如，球面镜，尼肖梭镜，角反射镜等等 泵浦电源(4)可以是连续泵浦，也可以是脉冲泵浦的，这取决于激光材料及其调Q方式例如，声光调Q多为连续泵浦，而电光调Q总是脉冲泵浦等等 调Q元件(5)是完成调Q动作的关键器件，一般要求消光比足够高图1中仅为示意形式，其具体结构要视所采用的调Q形式而定例如，采用电光调Q时，它一般是由一个晶体和一个(或一对)偏振器组成对于调Q器件的唯一要求是它必须是可以控制的主动调Q元件，而不是一个由饱和吸收体组成的被动调Q元件 调Q控制电源(6)是与调Q器件(5)配套的对于不同的调Q形式，所要求的电源输出差别极大对电光KD＊P调Q器件，电源(6)必须能够输出图2中(a)或(b)的高压方波，为使调Q效果尽可能的好，方波的上升沿和下降沿都应尽量陡(即尽量接近虚线所示的理想状态)对于本发明来说，△t间隔后的上升尤为重要，它直接影响到脉冲宽度可以压缩的最小值对声光调Q器件，电源(6)的输出应为图(2)(c)所示的波形，其中，射频信号的包络线的上升和下降沿也应尽量地陡，尤其是上升沿射频信号频率为40-100MH，脉冲重复频率为0～24KHz无论是电光调Q或是声光调Q电源，都要求△t间隔连续稳定可调事实上，我们就是通过调整△t大小来调整Q脉冲宽度的 图(2)为图1中电源(6)的输出波形其中(a)、(b)为电光调Q的输出波形，(c)为声光调Q的输出波形 图3是普通调Q激光脉冲的形成过程其中，δ为腔内损耗，△n为反转粒子数密度，φ为腔内振荡光子数密度，t1为激光脉冲前沿半宽度，t2为激光脉冲后沿半宽度，△no为初始反转粒子数密度，△nth为阈值反转粒子数密度 图4为本发明的调Q激光脉冲形成过程示意图图中，在腔内光子数密度达到最大值时立即使腔损耗δ恢复到α2，从而使脉冲后沿迅速衰减，图中虚线表示普通调Q脉冲波形 图5采用用调节损耗率的方法达到调节Q脉冲宽度目的，其中，实线表示的损耗率高，即α2＞α1，因此，图5中实线表示的激光脉冲后沿衰减快 图6为采用调节Q开关开启时间间隔τ的方法来调节Q脉冲宽度其中，实线表示的时间间隔τ1小于虚线表示的时间间隔τ2，即τ2＞τ，从而使实线表示的脉冲比虚线表示的更早开始哀减，因此，△t2＞△t1 以上分析表明，调Q巨脉冲的后沿衰减速度取决于腔损耗而腔损耗又取决于Q开关的损耗率因此，只要适当地调整Q开关重新关闭后的损耗系数(实际上是调整附图2中相应的电压)，即可达到连续调节Q脉冲宽度的目的如图5所示，损耗系数α2＞α1，所以△τ2＜△τ1但是，这种调节方法也有缺点，即必须采用三个电压等级，因为在泵浦开始时为了充分关闭谐振腔，需要使Q开关的损耗系数尽可能大，而重新关闭Q开关时则要求损耗率可调，所以电源的设计很复杂因此，采用本发明图6表示的方法更为简单可靠，也即可以调节Q开关重新关闭的时间就能实现压缩脉宽的目的(如图2，就是调节Q开关开启的时间间隔)只要在Q脉冲达到峰值后到普通调Q脉冲后沿降到二分之一时(即图3中峰值后的t2时间内)，这段时间中任何时刻关闭Q开关，都可以达到压缩脉冲半宽度的目的，只是压缩的程度不同而已实践证明，这一方法比调节损耗率α的方法更可靠，更简便如图6所示，时间间隔t2＞t1，从而得到△τ2＞△τ1，由此可看出调节Q开关开启时间间隔来调节脉宽的方法是切实可行的 本发明的具体实施方法非常简单，任何一台实用的调Q激光器经过适当的调整都可以直接采用 从以上说明可以看到，本发明与普通调Q激光器的唯一不同点就是调Q电源经过一段时间的开启后重新恢复到高损耗态实际上，任何一台实用的调Q激光器都应具有这样的功能因为我们知道任何一台实用的调Q激光器都必须是可以重复应用的也具有一定的重复率例如，电光调Q的重复频率为0～100Hz，声光调Q的重复频率为0～20KHz由于这一原因，任何一台实用的调Q激光器的Q开关在发射一个脉冲后都必须恢复到高损耗关闭状态，否则，便不可能进行下一个脉冲的储能但是，普通的激光Q开关的开启时间都是足够长以保证整个调Q脉冲无阻碍地发射出去另外，一般的调Q电源重新恢复高损耗关闭状态的速度都比较慢，因为普通调Q激光器并不要求这一动作足够快，因此，我们只要从这两个方面加以适当的调整Q开关电源就可以完成本发明的实际应用，这两个方面是将Q开关开启时间间隔调到与Q激光脉冲的形成时间相互匹配;尽可能加快Q开关重新恢复高损耗的速度只要做致这两点，任何一台普通调Q激光器都可以采用本发明事实上，对于任何一种调Q方式要作如上改进并不困难，而且方式很多，不存在某个特定的模式 图7为实施例，表示一个实际应用的声光调Q电源原理图通过调节W1即可调节Q开关重新关闭的时间，用这一台电源，实际上已做到声光调QYAG激光脉冲宽由200ns到100ns之间连续可调，同时保证峰值功率不变，输出横向模式不变