Q开关的种类(一)

贝耐特光学2020-10-31 13:39:17

上一期中的灯供能调Q激光器示意图中把一个光束挡板放在谐振腔镜之前,是一种最直接的调Q方式,但是它并不太适用,问题是不能将激光光束完全遮挡。如果激光光束直径为0.5mm,挡板需要在几纳秒内从谐振腔中抽出来,其速度将超过声速,这是不容易实现的。

激光调Q开关中最常用的有四类调Q开关:机械调Q开关通常是移动谐振腔镜来改变谐振腔增益;声光调Q开关时衍射部分光到谐振腔外,从而减小谐振腔镜之间的反馈;电光Q开关是通过改变光的偏振态,从而使偏振光阻止光从一个腔镜返回;染料Q开关吸收通过的光直到光的强度将染料漂白,使随后的光可以通过Q开关达到另一个谐振腔镜。

一、机械调Q开关

典型的机械调Q开关是转镜调Q开关,一般采用一块高速旋转的六面镜在很短的时间里每一个面呈一条直线。当六面镜的每面镜子与输出镜对准时,输出一个激光脉冲。这些转镜调Q的方法早期在染料激光器中得到广泛应用,但目前其他类型的Q开关代替转镜调Q且得到了更多的应用。

图1. 基本的转镜调Q开关

转镜调Q这是发展较早的一种Q开关,由于其开关时间与脉冲时间近似相等,故属于慢开关类型。使用时应特别注意最佳转速的选择,以便消除多脉冲的产生。由于这种Q开关无插入损耗,也不存在光损伤的问题,所以可用于能量较大的脉冲激光器中,可获得峰值功率在几十兆瓦以上,脉宽为纳秒级的巨脉冲。

尽管机械Q开关从概念上来说很简单,但是它的一些弊病限制了其在目前激光器上的应用。由于机械Q开关需要快速移动的机械部件,因此长期稳定性较差。同时,机械Q开关难以与激光器的外部触发同步。这个问题虽然能解决,如通过一个小的半导体激光器和探测器与转镜Q开关校准,在激光脉冲输出之前使探测器产生一个信号,但是,由于准直失调,造成该方法非常糟糕和不方便。

二、声光调Q开关

声光Q开关是一个由透明材料制作的阻止器,通常采用石英材料,借助于声波换能器阻止激光向另一方向传输。这种换能器类似于扩音器,因为它在透明材料中产生一个声波,就像立体声喇叭在卧室中产生一个声波。

这种声波周期性发生,光通过该材料就像经过周期性的狭缝,类似于光栅衍射。因此由于衍射效应部分光就会被衍射出谐振腔。

图2. 声光晶体加载超声波后的衍射效应

由此可见,这种想法就是将声光Q开关放置在激光介质和后向腔镜之间,如图3. 所示。如果没有声波信号加载在换能器上,所有的光都可以通过Q开关,此时谐振腔具有高Q值。当声波信号加载在换能器上,光将衍射出谐振腔,此时谐振腔具有低Q值。

图3. 腔内声光调Q激光器

Q开关中与换能器相对的一面通常设计为消除声波反射的结构,如图2. 所示。一种吸声材料吸收大部分的声波能量,未被吸收的能量将被斜面离轴反射回去。如果未降低反射回的声波,它将干扰人射声波且降低Q开关的衍射效率。

声光Q开关将谐振腔从低Q值变为高Q值的速度与声波在透明材料中的传播速度和光束直径有关。简单地说,开关的时间也就是将光束偏离原传输路径的时间。因此,腔内振荡光束的直径越小,声光Q开关的速度就越快。

激光器中声光Q开关应用最为广泛,这是由于其价格比电光Q开关便宜,且其开关速度可满足诸多应用。由于输出激光脉冲与声波信号加载至换能器间存在固定的延迟,因此声光Q开关很容易与外部进行同步。声光Q开关的主要缺陷是比较难于关断高增益的激光器。由于声光Q开关仅将通过的部分光衍射出谐振腔,因此剩余的光将在激光器中建立反馈。如果激光增益太高,较小的反馈也足以建立起高于往返损耗的增益,从而产生激光振荡。因此,声光Q开关仅适用于低增益的激光器

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