專利名稱:一種調(diào)q激光脈沖波形調(diào)整方法
本發(fā)明屬于激光技術(shù)領(lǐng)域：
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由于調(diào)Q激光器具有峰值功率高，脈沖寬度窄的特點(diǎn)，因而其應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。與此同時(shí)，對調(diào)Q激光器的性能要求也愈來愈高，比如要求脈沖寬度更窄，而且在許多應(yīng)用場合要求脈沖寬度可以連續(xù)調(diào)節(jié)，等等。
對調(diào)Q過程的理論分析表明，調(diào)Q激光器的輸出峰值功率和脈沖寬度取決于Q開關(guān)的啟閉速度、腔增益及腔損耗。因此，人們最先采用的壓縮脈寬的方法主要包括加快Q開關(guān)開啟速度，以及選用優(yōu)質(zhì)激光工作物質(zhì)材料，增加泵浦功率和降低腔損耗等等。這些方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在壓縮脈寬的同時(shí)增加峰值功率，而缺點(diǎn)則是實(shí)現(xiàn)困難。實(shí)際上，應(yīng)用上述方法壓縮脈寬基本上已無潛力可挖。因此，要進(jìn)一步壓縮脈寬就必須在調(diào)Q機(jī)理上進(jìn)行開發(fā)研究。
目前，國外采用的壓縮Q脈沖寬度的方法主要有US-4477905和US-4174504所描述的腔倒空的方法，以及美國《光學(xué)通訊》雜志(Optics Communications)VoL.40.№.4第298頁所描述的自注入方法。這兩種方法在理論上說都是有效的。自注入鎖定技術(shù)還可以連續(xù)調(diào)節(jié)激光Q脈沖寬度。但是，它們的缺點(diǎn)是太復(fù)雜而且極易受外界干擾，現(xiàn)在不可能實(shí)際應(yīng)用。另外，JP-61015384描述了一種調(diào)節(jié)聲光調(diào)Q脈沖寬度的方法，但這種方法只能得到比普通調(diào)Q脈沖寬度更寬的脈沖，即不能壓縮脈沖寬度。
綜上所述，本發(fā)明的目的在于研究一種簡便易行的壓縮并連續(xù)調(diào)節(jié)Q脈沖寬度的技術(shù)方法。
本發(fā)明的內(nèi)容包括普通調(diào)Q激光器的原理是在泵浦開始時(shí)使諧振腔處于低Q值狀態(tài)(即關(guān)閉Q開關(guān))。使腔內(nèi)增益低于損耗，阻止光振蕩的形成，從而使泵浦能量儲(chǔ)存在激活介質(zhì)中。當(dāng)儲(chǔ)能達(dá)到最大值時(shí)，突然使諧振腔處于高Q值狀態(tài)(即開啟Q開關(guān))。此時(shí)，增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于損耗，儲(chǔ)存在激活介質(zhì)中的能量迅速以一個(gè)巨脈沖的形式輸出。
在Q開關(guān)開啟后，Q脈沖輸出過程中重新關(guān)閉Q開關(guān)，從而改變激光器諧振腔的工作狀態(tài)，使Q脈沖的波形得到調(diào)整。Q開關(guān)重新關(guān)閉的時(shí)刻可以是在Q脈沖達(dá)到峰值的同時(shí)，并使Q開關(guān)重新處于最大可能關(guān)閉狀態(tài)，Q脈沖波形后沿快速衰減，達(dá)到壓縮Q脈沖寬度的目的。本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)Q開關(guān)重新關(guān)閉后的損耗系數(shù)或通過調(diào)節(jié)Q開關(guān)重新關(guān)閉的時(shí)間來調(diào)節(jié)Q脈沖后沿的衰減速度，使Q脈沖寬度得到連續(xù)調(diào)節(jié)。本發(fā)明還可以調(diào)節(jié)Q脈沖的峰值功率，在Q脈沖達(dá)到峰值之前就使Q開關(guān)恢復(fù)到高損耗態(tài)，則Q脈沖就不能達(dá)到峰值，通過調(diào)節(jié)Q開關(guān)重新關(guān)閉的時(shí)間就可以調(diào)節(jié)Q脈沖所能達(dá)到的最大值，此時(shí)，在泵浦功率恒定條件下、可以連續(xù)調(diào)整峰值功率。采用此種方法調(diào)節(jié)Q脈沖峰值功率的特點(diǎn)在于既便于自動(dòng)控制，又在調(diào)節(jié)峰值功率時(shí)可以不必調(diào)節(jié)泵浦功率，這一點(diǎn)對于固體激光器特別有用，因?yàn)檫@樣就可以保證其橫向輸出模式不變。
通過理論分析，我們發(fā)現(xiàn)調(diào)Q巨脈沖的后沿半寬度總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前沿半寬度。事實(shí)上，調(diào)Q巨脈沖的脈沖寬度主要是由后沿半寬度組成的。這是由于為了保證調(diào)Q巨脈沖的峰值功率盡可能大，我們總是將腔內(nèi)的損耗(不包括輸出鏡透過損耗)盡可能作得很小。這雖然有利于脈沖峰值功率的增加，可以使調(diào)Q巨脈沖的前沿盡可能快地上升，但同時(shí)卻不利于脈沖后沿的衰減，使得調(diào)Q巨脈沖的后沿拖得很長。事實(shí)上，脈沖后沿的這部分能量在很多場合下是沒有什么用處的。特別在激光加工等場合下，它的存在有時(shí)是很不利的。因此，將調(diào)Q巨脈沖的后沿衰減掉是必要的。而采用本發(fā)明的壓縮脈寬方法即可達(dá)到這一目的，而且還可以在較大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)Q脈沖寬度，同時(shí)又保證調(diào)Q巨脈沖的峰值功率不變。另外，采用本發(fā)明的方法，還可以在保證激光橫向模式不變的前提下連續(xù)調(diào)整Q脈沖的峰值功率。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于壓縮脈寬范圍大。因?yàn)檎{(diào)Q巨脈沖寬度的后沿是組成其脈寬的主要部分，而本發(fā)明的方法則可迅速衰減其后沿部分，從而在較大范圍內(nèi)壓縮脈寬;
解決了調(diào)Q巨脈沖后沿與前沿(峰值功率的主要成份)的矛盾。因?yàn)镼脈沖前沿和峰值功率要求腔損耗盡量小，而其后沿則要求腔損耗盡量大，本發(fā)明既保持了前沿部分，又壓縮了后沿部份，妥善地解決了這一矛盾;
壓縮脈寬的同時(shí)可保持峰值功率不變，由于本發(fā)明是在脈沖達(dá)到峰值后才使Q開關(guān)重新關(guān)閉的。因此，對Q脈沖的前沿形成過程無任何影響，所以不會(huì)影響峰值輸出功率;
簡便、易行、可靠、適應(yīng)性強(qiáng)。本發(fā)明可以適用于一切調(diào)Q形式，特別是在激光微加工和激光測距等領(lǐng)域效果更佳。
和實(shí)施例圖1為本發(fā)明的裝置的示意圖。調(diào)Q激光器由激光工作物質(zhì)(1)、全反鏡(2)、輸出鏡(3)、泵浦電源(4)、調(diào)Q元件(5)和調(diào)Q控制電源(6)組成。其中，激光工作物質(zhì)(1)是任何一種可以調(diào)Q的激光材料，它應(yīng)具有足夠高的儲(chǔ)能特性，能保證調(diào)Q工作的完成。例如，固體NdYAG晶體，釹玻璃，紅寶石以及氣體Co2等等。
全反鏡(2)和輸出鏡(3)組成諧振腔。圖1中假設(shè)其為二塊平面鏡，事實(shí)上，它們可以是任何一種能夠組成激光諧振腔的光學(xué)反射鏡。例如，球面鏡，尼肖梭鏡，角反射鏡等等。
泵浦電源(4)可以是連續(xù)泵浦，也可以是脈沖泵浦的，這取決于激光材料及其調(diào)Q方式。例如，聲光調(diào)Q多為連續(xù)泵浦，而電光調(diào)Q總是脈沖泵浦等等。
調(diào)Q元件(5)是完成調(diào)Q動(dòng)作的關(guān)鍵器件，一般要求消光比足夠高。圖1中僅為示意形式，其具體結(jié)構(gòu)要視所采用的調(diào)Q形式而定。例如，采用電光調(diào)Q時(shí)，它一般是由一個(gè)晶體和一個(gè)(或一對)偏振器組成。對于調(diào)Q器件的唯一要求是它必須是可以控制的主動(dòng)調(diào)Q元件，而不是一個(gè)由飽和吸收體組成的被動(dòng)調(diào)Q元件。
調(diào)Q控制電源(6)是與調(diào)Q器件(5)配套的。對于不同的調(diào)Q形式，所要求的電源輸出差別極大。對電光KD＊P調(diào)Q器件，電源(6)必須能夠輸出圖2中(a)或(b)的高壓方波，為使調(diào)Q效果盡可能的好，方波的上升沿和下降沿都應(yīng)盡量陡(即盡量接近虛線所示的理想狀態(tài))。對于本發(fā)明來說，△t間隔后的上升尤為重要，它直接影響到脈沖寬度可以壓縮的最小值。對聲光調(diào)Q器件，電源(6)的輸出應(yīng)為圖(2)(c)所示的波形，其中，射頻信號的包絡(luò)線的上升和下降沿也應(yīng)盡量地陡，尤其是上升沿。射頻信號頻率為40-100MH，脈沖重復(fù)頻率為0～24KHz。無論是電光調(diào)Q或是聲光調(diào)Q電源，都要求△t間隔連續(xù)穩(wěn)定可調(diào)。事實(shí)上，我們就是通過調(diào)整△t大小來調(diào)整Q脈沖寬度的。
圖(2)為圖1中電源(6)的輸出波形。其中(a)、(b)為電光調(diào)Q的輸出波形，(c)為聲光調(diào)Q的輸出波形。
圖3是普通調(diào)Q激光脈沖的形成過程。其中，δ為腔內(nèi)損耗，△n為反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，φ為腔內(nèi)振蕩光子數(shù)密度，t1為激光脈沖前沿半寬度，t2為激光脈沖后沿半寬度，△no為初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，△nth為閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度。
圖4為本發(fā)明的調(diào)Q激光脈沖形成過程示意圖。圖中，在腔內(nèi)光子數(shù)密度達(dá)到最大值時(shí)立即使腔損耗δ恢復(fù)到α2，從而使脈沖后沿迅速衰減，圖中虛線表示普通調(diào)Q脈沖波形。
圖5采用用調(diào)節(jié)損耗率的方法達(dá)到調(diào)節(jié)Q脈沖寬度目的，其中，實(shí)線表示的損耗率高，即α2＞α1，因此，圖5中實(shí)線表示的激光脈沖后沿衰減快。
圖6為采用調(diào)節(jié)Q開關(guān)開啟時(shí)間間隔τ的方法來調(diào)節(jié)Q脈沖寬度。其中，實(shí)線表示的時(shí)間間隔τ1小于虛線表示的時(shí)間間隔τ2，即τ2＞τ，從而使實(shí)線表示的脈沖比虛線表示的更早開始哀減，因此，△t2＞△t1。
以上分析表明，調(diào)Q巨脈沖的后沿衰減速度取決于腔損耗。而腔損耗又取決于Q開關(guān)的損耗率。因此，只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整Q開關(guān)重新關(guān)閉后的損耗系數(shù)(實(shí)際上是調(diào)整附圖2中相應(yīng)的電壓)，即可達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)Q脈沖寬度的目的。如圖5所示，損耗系數(shù)α2＞α1，所以△τ2＜△τ1。但是，這種調(diào)節(jié)方法也有缺點(diǎn)，即必須采用三個(gè)電壓等級，因?yàn)樵诒闷珠_始時(shí)為了充分關(guān)閉諧振腔，需要使Q開關(guān)的損耗系數(shù)盡可能大，而重新關(guān)閉Q開關(guān)時(shí)則要求損耗率可調(diào)，所以電源的設(shè)計(jì)很復(fù)雜。因此，采用本發(fā)明圖6表示的方法更為簡單可靠，也即可以調(diào)節(jié)Q開關(guān)重新關(guān)閉的時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)壓縮脈寬的目的(如圖2，就是調(diào)節(jié)Q開關(guān)開啟的時(shí)間間隔)。只要在Q脈沖達(dá)到峰值后到普通調(diào)Q脈沖后沿降到二分之一時(shí)(即圖3中峰值后的t2時(shí)間內(nèi))，這段時(shí)間中任何時(shí)刻關(guān)閉Q開關(guān)，都可以達(dá)到壓縮脈沖半寬度的目的，只是壓縮的程度不同而已。實(shí)踐證明，這一方法比調(diào)節(jié)損耗率α的方法更可靠，更簡便。如圖6所示，時(shí)間間隔t2＞t1，從而得到△τ2＞△τ1，由此可看出調(diào)節(jié)Q開關(guān)開啟時(shí)間間隔來調(diào)節(jié)脈寬的方法是切實(shí)可行的。
本發(fā)明的具體實(shí)施方法非常簡單，任何一臺實(shí)用的調(diào)Q激光器經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整都可以直接采用。
從以上說明可以看到，本發(fā)明與普通調(diào)Q激光器的唯一不同點(diǎn)就是調(diào)Q電源經(jīng)過一段時(shí)間的開啟后重新恢復(fù)到高損耗態(tài)。實(shí)際上，任何一臺實(shí)用的調(diào)Q激光器都應(yīng)具有這樣的功能。因?yàn)槲覀冎廊魏我慌_實(shí)用的調(diào)Q激光器都必須是可以重復(fù)應(yīng)用的。也具有一定的重復(fù)率。例如，電光調(diào)Q的重復(fù)頻率為0～100Hz，聲光調(diào)Q的重復(fù)頻率為0～20KHz。由于這一原因，任何一臺實(shí)用的調(diào)Q激光器的Q開關(guān)在發(fā)射一個(gè)脈沖后都必須恢復(fù)到高損耗關(guān)閉狀態(tài)，否則，便不可能進(jìn)行下一個(gè)脈沖的儲(chǔ)能。但是，普通的激光Q開關(guān)的開啟時(shí)間都是足夠長以保證整個(gè)調(diào)Q脈沖無阻礙地發(fā)射出去。另外，一般的調(diào)Q電源重新恢復(fù)高損耗關(guān)閉狀態(tài)的速度都比較慢，因?yàn)槠胀ㄕ{(diào)Q激光器并不要求這一動(dòng)作足夠快，因此，我們只要從這兩個(gè)方面加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整Q開關(guān)電源就可以完成本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用，這兩個(gè)方面是將Q開關(guān)開啟時(shí)間間隔調(diào)到與Q激光脈沖的形成時(shí)間相互匹配;盡可能加快Q開關(guān)重新恢復(fù)高損耗的速度。只要做致這兩點(diǎn)，任何一臺普通調(diào)Q激光器都可以采用本發(fā)明。事實(shí)上，對于任何一種調(diào)Q方式要作如上改進(jìn)并不困難，而且方式很多，不存在某個(gè)特定的模式。
圖7為實(shí)施例，表示一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的聲光調(diào)Q電源原理圖。通過調(diào)節(jié)W1即可調(diào)節(jié)Q開關(guān)重新關(guān)閉的時(shí)間，用這一臺電源，實(shí)際上已做到聲光調(diào)QYAG激光脈沖寬由200ns到100ns之間連續(xù)可調(diào)，同時(shí)保證峰值功率不變，輸出橫向模式不變。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)Q脈沖波形調(diào)整方法。調(diào)Q激光器泵浦開始時(shí)，Q開關(guān)是關(guān)閉的，當(dāng)激光介質(zhì)內(nèi)儲(chǔ)能達(dá)到最大時(shí)，Q開關(guān)開啟。本發(fā)明的特征在于在Q開關(guān)開啟后、Q脈沖輸出過程中重新關(guān)閉Q開關(guān)，從而改變激光器諧振腔的工作狀態(tài)，使Q脈沖的波形得到調(diào)整。
2.如權(quán)利要求
1所述的調(diào)Q脈沖波形調(diào)整方法，其特征在于Q開關(guān)重新關(guān)閉的時(shí)刻是在Q脈沖達(dá)到峰值的同時(shí)，并使Q開關(guān)重新處于最大可能關(guān)閉狀態(tài)，Q脈沖波形后沿快速衰減，使Q脈沖寬度壓縮。
3.如權(quán)利要求
1、2所述的方法，其特征在于可以通過調(diào)節(jié)Q開關(guān)重新關(guān)閉后的損耗系數(shù)或通過調(diào)節(jié)Q開關(guān)重新關(guān)閉的時(shí)間來調(diào)節(jié)Q脈沖后沿的衰減速度，使Q脈沖寬度得到連續(xù)調(diào)節(jié)。
4.如權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于在Q脈沖峰值達(dá)到之前關(guān)閉Q開關(guān)，從而使Q脈沖不能達(dá)到峰值功率，通過調(diào)節(jié)Q開關(guān)重新關(guān)閉的時(shí)間來調(diào)節(jié)Q脈沖所能達(dá)到的最大值，此時(shí)，在泵浦功率恒定條件下，可以連續(xù)調(diào)整峰值功率，并保證激光輸出的橫向模式不變。
專利摘要
一種調(diào)Q激光脈沖波形調(diào)整方法。該方法通過壓縮調(diào)Q激光脈沖的后沿寬度，可使調(diào)Q激光脈沖寬度大大壓縮；并能獲得峰值功率恒定的，脈沖寬度連續(xù)可調(diào)的激光Q脈沖；還可以在保證激光橫向模式不變的前提下連續(xù)調(diào)整Q脈沖峰值功率。此方法簡單可靠，適用于一功調(diào)Q激光器。
文檔編號H01S3/11GK87103899SQ87103899
公開日1988年12月14日 申請日期1987年5月27日
發(fā)明者陳培鋒, 蘭信鉅 申請人:華中工學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan