CN1013329B

CN1013329B - 一种调q激光脉冲波形调整方法

Info

Publication number: CN1013329B
Application number: CN 87103899
Authority: CN
Inventors: 陈培锋; 兰信钜
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 1987-05-27
Filing date: 1987-05-27
Publication date: 1991-07-24
Also published as: CN87103899A

Abstract

一种调Q激光脉冲波形调整方法。该方法通过压缩调Q激光脉冲的后沿宽度，可使调Q激光脉冲宽度大大压缩；并能获得峰值功率恒定的，脉冲宽度连续可调的激光Q脉冲；还可以在保证激光横向模式不变的前提下连续调整Q脉冲峰值功率。此方法简单可靠，适用于一切调Q激光器。

Description

本发明属于激光技术领域。

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·No·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（峰值功率的主要成分）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，又压缩了后沿部分，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。

附图说明和实施例

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Nd：YAG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，△n₀为初始反转粒子数密度，△n_th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衰减，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。只要做到这两点，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。

Claims

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，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，Q开关重新关闭的时刻是在Q脉冲达到峰值时，立即使调Q激光谐振腔恢复到高损耗态，使激光脉冲后沿迅速衰减，以大到Q脉冲宽度压缩，该损耗的大小决定脉冲衰减的速率，损耗系数的调整可以通过调整加于Q开关的电压大小或电功率大小来实现，恢复高损耗态的时刻应为脉冲达到峰值时刻，通过调整Q开关的损耗系数达到连续压缩调Q脉冲宽度，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、一种如权利要求1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。

3、一种如权利要求1，2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。