激光调Q——一种通过调制腔内损耗从激光器获得高能脉冲的方法

时间:2021-07-26 来源:新特光电 访问量:1093

调Q是一种通过调制腔内损耗和激光谐振腔的Q因子,从激光器中获得能量短(但不是超短)光脉冲的技术。该技术主要用于固体激光器产生高能量、高峰值功率的纳秒脉冲。

Q开关脉冲的产生可以描述如下:

最初,谐振器损耗保持在高水平。由于此时无法产生激光,泵浦机构馈入增益介质的能量会在那里积聚。存储能量的数量通常仅受自发发射(特别是对于连续泵浦)的限制,在其他情况下(具有足够强的增益)受到激光或强ASE 的开始,如果不仅仅是可用的泵浦能量。储存的能量可以是饱和能量的倍数。然后,损耗突然(通过有源或无源方式)降低到一个很小的值,从而激光辐射的功率在激光谐振腔中非常迅速地增加。这个过程通常从自发发射的噪声开始,在成百上千次谐振器往返中放大到宏观功率水平。一旦时间积分的腔内功率达到增益介质的饱和能量的数量级,增益开始饱和。当增益等于剩余(低)谐振器损耗时达到脉冲峰值。当时存在的大腔内功率导致在功率衰减期间存储的能量进一步消耗。在许多情况下,脉冲最大值之后提取的能量与脉冲最大值之前的能量相似。

Q开关实现的脉冲持续时间通常在纳秒范围内(对应于几次谐振器往返),并且通常远高于谐振器往返时间。所产生脉冲的能量通常高于增益介质的饱和能量,即使对于小型激光器也可以在毫焦耳范围内。的峰值功率可以比其在可实现的功率更高的订单连续波操作。即使对于中等尺寸和光束适度聚焦的激光器,峰值强度也足以在空气中进行光击穿。

在大多数情况下,Q开关激光器通过重复Q开关产生规则的脉冲序列。的脉冲重复率典型地在范围为1-100千赫,有时更高。被动调Q微芯片激光器的脉冲持续时间远低于 1 ns,重复率高达几兆赫兹,而大型(通常是放大的)激光系统可以提供具有数千焦耳能量和持续时间在纳秒范围内的脉冲。

应用调Q技术的激光器称为调Q激光器。谐振器损耗基本上可以通过不同方式切换:

主动调Q

对于有源Q开关,损耗由有源控制元件(有源Q开关)调制,通常是声光或电光调制器。在这里,脉冲是在电触发信号到达后不久形成的。还有机械Q开关,如旋转镜,用作激光谐振器的端镜。在任何情况下,获得的脉冲能量和脉冲持续时间取决于存储在增益介质中的能量,即泵浦功率和脉冲重复率。

主动调Q激光器中增益和损耗的时间演变

主动调Q激光器中增益和损耗的时间演变。Q开关在t =0时被激活。此时功率开始呈指数上升,但仅在≈0.2μs后变高。

有趣的是,调制器的切换时间也并不需要是相媲美的脉冲持续时间-它可以比这更长的时间,因为它需要许多谐振器往返于要形成一个强烈的脉冲。但是,如果它太长,则可能会导致双脉冲或某些不稳定性。

Q开关的光束偏转角必须足够大,以便衍射光束真正离开谐振器。在某些情况下,这会导致对Q开关的高驱动频率的需求——例如 80 MHz,而 40 MHz 对其他激光器就足够了。关键情况是Q开关内光束发散较大的情况。

对于许多应用,Q开关脉冲以周期性方式生成,即具有给定的脉冲重复率。Q开关驱动器可能包含一个振荡器(或数字设备),用于周期性地触发脉冲生成,或从外部设备接收周期性触发信号(通常为 TTL 格式)。在某些情况下,TTL 输入仅向驱动器指示是否应生成周期性脉冲序列(时间由驱动器本身决定)。一些驱动器具有模拟输入,允许连续控制Q开关传输。

如何避免超强首脉冲问题?

在某些激光应用中,例如激光打标,必须在特定时间间隔内关闭调Q脉冲序列,同时继续泵浦激光增益介质。这导致增益介质中储存能量的积累更强(与周期性脉冲产生的情况相比)。因此,如果再次启用脉冲生成,特别是第一个脉冲可能需要比稳态脉冲高得多的能量。因为脉冲持续时间也减少了,所以峰值功率上升得更多。这些因素可能导致激光诱导损伤激光组件或任何外部物体,它们可能会干扰使用脉冲的过程。为了避免这些问题,可以在没有脉冲产生的时候降低泵浦功率,或者采取措施在前几个脉冲中引入额外的损耗。一种常见的技术是使用有源Q开关:而不是完全关闭以生成脉冲,它只是降低了功率,从而保留了一些相当大的传输损耗,从而相应地降低了脉冲能量。(一些Q开关驱动器提供这样的功能。)然后多余的能量进入衍射光束,可以安全地用光束转储器处理. 另一种独特的方法是在下一个脉冲序列开始之前通过低功率激光降低存储的能量;这可以通过缓慢增加Q开关传输来实现。

有源调Q激光器的脉冲重复率可以通过调制器进行控制。如果泵浦功率保持恒定,较高的重复率通常会导致较低的脉冲能量。同时,随着初始激光增益变低,脉冲变得更长。对于非常高的重复率,如果增益不能及时恢复,脉冲串中可能会丢失一些脉冲。对于非常低的重复率,可以获得相当短的高能量脉冲,但是一旦脉冲周期超过上能态寿命,自发发射造成的损失增加会限制可能的脉冲能量。

产生脉冲的持续时间取决于谐振器往返时间和初始往返净增益;高初始净增益会导致快速脉冲建立、更高的能量提取,并且通常还会导致脉冲最大值后功率衰减更快。如果激光增益和/或谐振器损耗低,脉冲持续时间至少是谐振器往返时间的数量级,并且通常比该时间长得多。

特别是对于高脉冲重复率,可能很难获得非常短的脉冲,因为较低的脉冲能量会导致净增益的时间调制较弱。这个问题可以通过使用空腔倾倒的方法来解决。脉冲生成阶段不是使用普通的输出耦合镜,而是通过“闭合”低损耗谐振器有效完成。一旦大部分储存的能量被转换成循环脉冲,能量就会通过腔体倾卸器突然释放,这是一种快速光开关。以这种方式,谐振器中的光能可以在一个谐振器往返时间内提取,而与脉冲建立所需的时间无关。

被动调Q

对于无源Q开关,损耗会通过饱和吸收器自动调制。在这里,一旦存储在增益介质中的能量(以及增益)达到足够高的水平,就会形成脉冲。在许多情况下,脉冲能量和持续时间是固定的,泵浦功率的变化只影响脉冲重复率。

被动调Q激光器中增益和损耗的时间演变

被动调Q激光器中增益和损耗的时间演变。在激光增益超过谐振腔损耗后不久,就会发出一个短脉冲。一旦吸收器开始饱和,功率就会迅速上升,直到增益饱和到谐振器损耗的水平(此处:10%)。

用于 1-μm YAG 激光器无源Q开关的常用饱和吸收材料是 Cr 4+ :YAG。对于1.5μm铒激光器,有Co 2+ :MgAl 2 O 4、Co 2+ :ZnSe等钴掺杂晶体,以及掺杂PbS量子点的玻璃。V 3+ :YAG 晶体适用于 1.3-μm 区域。 半导体可饱和吸收镜可应用于各种波长。

理想情况下,可饱和吸收器的恢复时间长于脉冲持续时间,从而避免额外的不必要的能量损失。然而,吸收器应该足够快,以防止增益恢复时过早产生激光。通常,介于脉冲持续时间和增益介质的上能态寿命之间的恢复时间是理想的。

原则上,可饱和吸收器可能仅吸收产生脉冲能量的一小部分,即吸收器不一定会降低激光器的功率效率。如果吸收体的饱和能量远低于激光增益介质的饱和能量并且吸收体表现出可忽略不计的非饱和损耗,那么这至少是可能的。然而,在实际吸波器中经常会遇到显着的非饱和损耗,而损伤阈值等实际限制可能无法通过使用强聚焦来大幅降低吸波器的饱和能量。因此,功率效率在实践中经常显着降低。

脉冲持续时间取决于谐振器往返时间和净增益的时间调制强度。后者主要由所使用的可饱和吸收体的调制深度决定。对于更高的调制深度,通常会获得持续时间更短、能量更高的脉冲;这两个因素都会增加峰值功率。由于能量提取更强,补充能量和产生脉冲的时间也会增加。

泵浦功率的变化通常会显着影响脉冲重复率,但对持续时间、能量和峰值功率等脉冲参数影响不大。

与有源Q开关相比,无源Q开关简单且具有成本效益(无需调制器及其电子设备),并且适用于非常高的脉冲重复率。然而,脉冲能量通常较低。此外,脉冲的外部触发是不可能的(除了来自另一个源的光脉冲),而且脉冲能量和持续时间通常或多或少与泵浦功率无关,这也可能是一个缺点,泵浦功率仅决定脉冲重复率。

适用于Q开关的激光器

大多数掺杂绝缘体 固态激光器非常适合Q开关,因为它们的增益介质具有较长的上能态寿命和高饱和能量,因此能够存储大量能量。其基础是它们的激光跃迁是具有相应低跃迁截面的弱禁止跃迁。只有这样才能实现上激光能级的长辐射寿命。

Bulk激光器通常比光纤激光器更可取,因为它们更大的模式面积允许存储更多的能量,而它们更短的谐振器允许更短的脉冲。

大多数气体激光器不适合Q开关,因为其增益介质中的能量存储不足。少数例外之一是CO 2激光器。

半导体激光器,例如激光二极管,也不适合Q开关。它们可用于产生相当短的脉冲,例如增益切换,但只能使用相当低的脉冲能量。

各种技术问题

对于有源和无源Q开关,更高的脉冲重复率通常意味着更长的脉冲。这是因为降低的脉冲能量导致净增益的调制较弱,从而导致光功率的上升和衰减较慢。当有源调Q激光器的脉冲重复率低于倒数上能态寿命时,会达到最大脉冲能量,但由于荧光损失增加,平均功率降低。

泵送不必以连续波的方式发生;也可以使用带闪光灯或准连续 激光二极管的脉冲泵浦,在Q开关打开前不久发射。这通过自发发射减少了能量损失,从而允许使用具有较短上态寿命的增益介质。

在大多数情况下,Q开关激光器中的脉冲是通过在许多谐振腔往返中放大自发发射的噪声而产生的。因此,后续脉冲之间通常没有相位相关性,并且激发的谐振腔模式的模式可以是随机的。此外,多种模式的激励会产生拍音,明显表现为Q开关脉冲包络上的快速调制。然而,在某些情况下,Q开关激光器被播种,例如使用小型单频 种子激光器的输出,以获得低噪声单频输出,避免拍音并降低整体噪声。也可以在低功率水平的预激激光中在激光器本身中产生这样的种子。

Q开关的非线性动力学有时会导致意想不到的现象,例如双脉冲的产生和/或某些不稳定性。脉冲生成的数值模拟对于理解此类影响和确定正确的治疗方法非常有帮助。

请注意,即使对于平均输出功率相当小的激光器,通过Q开关获得的高脉冲能量和峰值功率也会引起严重的激光器安全问题。此外,光强度可以变得足够高以破坏腔内光学元件,例如激光反射镜。因此,可能有必要使用谐振器设计,避免任何强聚焦光束在光学组件上——这对于具有大模式面积的短激光谐振器(如短脉冲所需要的)而言尤其具有挑战性。此外,调Q激光器必须保持非常干净,以避免灰尘颗粒燃烧。

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