【doc】Nd：YAG激光器电光调Q偏振片漏光现象的实验研究

【doc】Nd：YAG激光器电光调Q偏振片漏光现象的实验研究 Nd:YAG激光器电光调Q偏振片漏光现象 的实验研究 第27卷第2期 2003年4月 激光技术 I.ASERTECHNOLOGY Vol.27,No.2 April,2003 文章编号:1001—3806(2003)02—0085—03 Nd:YAG激光器电光调Q偏振片漏光现象的实验研究 赵茗黄维玲胡鹏李志刚 (华中科技大学激光技术国家重点实验室,武汉,430074) 摘要:对前级激光振荡,后级激光放大的脉冲Nd:YAG激光器采用经典电光调Q的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,实现了最大输出峰 值功率50MW左右,脉宽为13ns,重复频率为lI-Iz--20I-Iz的调Q脉冲.实验中对偏振片侧面反射出较强激光的特 殊现象做了深入的分析和探讨,指出了该现象产生的原因及如何利用这种现象来指导电光调Q类激光器的调试, 最后给出了一些提高调Q效果的改进措施,具有较强的实践意义和普遍适用性. 关键词:电光调Q开关;漏光;偏振;退偏度;延时调节 中图分类号:0438文献标识码:A StudyonleakedlaserfromthepolarizerinE?-OQ?-switchedlasersystem ZhaoMing.HuangWeiling,FluPeng,LiZhigang (NationalLaboratoryofLaserTechnology.HUST,Wuhan,430074) Abstract:AnE-OQ.switchedsolid-stateNd:YAGlasersystemincludinganosci~atorandan amplifieris introduced.Intensivediscussionandanalysisarefocusedonanabnormalphenomenon:alea kedlaserbeamwithquitehigh energyisreflectedfromonesideofthepolarizer.Theleakedlaserisdetected,thenaprofounda nalysisisgiventopointto illustratethedetectedwave[otto.IthasalsobeendiscussedindetailhowtOimprovetheefficia ncyofthelaserqualityon someaspects.Finally,itisconcludedhowtOmakeuseofthisphenomenon'SwaveformtOgui dethedebuggingofthiskind oflasers.Thecondusionhasagreatimportanceinindustrialmanufactureofthelasers. Keywords_.E-0Q— switch;leakedlaser;poarization;depolarization;time-dalayregulation 引言Ml和透过率为70%的输出镜M2构成. 电光调Q因其具有开关时间短(约10s),输 出脉宽窄(10ns,20ns),峰值功率高(几十兆瓦以 上),效率高等优点,是目前应用比较广泛的一种典 型调Q方式.文中主要研究了由KD.P电光晶体 和Brewster偏振片构成电光Q开关的脉冲 Nd:YAG激光器,在传统实验的方法上检测到偏振 片侧面特殊的漏光现象,对此进行深入的分析,给出 了一些有实践意义的结论,对电光调Q类激光器的 具体调试操作起到一定的指导作用. 1实验装置 系统结构如图1所示,整个激光器由振荡级和 放大级组成.在振荡级中,KD.P电光晶体和 Brewster偏振片构成电光Q开关,谐振腔由全反镜 作者简介:赵茗,女.1976年10月出生.博士研究 生.主要从事固体激光器和半导体激光器方面的研究. 收稿日期:2002—06—04;收到修改稿日期:2002—07—23 Fig.1ExperimentsetupforaNd:YAGlaserwithE-0Q—swish 2实验结果及分析 试验中在精确调节光轴对准后,为得到理想的 开关效果,在调制电光晶体加.=I/4电压的状态下, 绕光轴旋转晶体与偏振片的相对方位,直到激光不 再振荡【1】.撤掉晶体电压后,在输出激光调Q巨脉 冲fl的同时发现一种尚未见报道的特殊现象:在偏 振片的一侧出射较强激光f2(如图1),进一步检测 到不调Q时偏振片侧面也会出射一定能量的激光, 同时还检测到另一侧也有类似微弱激光f输出. 利用高速光电探测器和100MHz的高频示波器检测 f2和r3的波形.如图2(因f3较弱,探测器灵敏度 不够,此处仅以f2的波形示意,后面将给出相应分 激光技术2003年4月 析).图2是电光晶体3种情况下偏振片侧面出射 2光脉冲能量波形图,将侧面出光的3种不同情况 放在同一幅图上以便比较,此时光脉冲探测器损耗 和示波器参数完全相同,故相对数值具有可比性. 第1种情 况:电光晶体无 高压无触发的2 光脉冲波形.与 一 般没有采取任 何调Q措施的 脉冲激光器的光 脉冲波形类似. 第2种情况:电Fig.2C0outpu ? t 光晶体加高压不laserpursesfromthesideofpalaverin 加触发的2光m"rentconditions 脉冲波形.可以KD"P , :卜nO . _whou?i 看出其波形也与ithigge 未调Q的光脉冲波形类似,但激光的输出能量明显 比第1种情况有所增加.第3种情况:电光晶体加 高压加触发的2光脉冲波形.此时可明显的观察 到在第2种情况的光脉冲波形基础上叠加了一个具 有调Q特征的光脉冲,同时还发现调节延时会使调 Q脉冲沿时轴移动并对基底脉冲起到一个"门开 关"的截止作用:调Q脉冲出现的时刻设为t,则t 右的基底波形截止,仅有调Q脉冲. 对应图2的3种情况,分析其产生的原因如下 (为简便起见,以偏振片的起偏效果对系统产生的影 响为例进行详细分析,并假设偏振片的起偏方向为 晶体轴.由电光晶体性能和系统调节等其它因 素造成的影响读者可参照分析). 首先考虑第2种情况,即电光晶体加高压不加 触发的情形.由于布氏偏振片的非完善性,在氙灯 泵浦下YAG晶体发出的自然光(无规偏振光)通过 偏振片后不可能完全变成沿轴起振的线偏振光 (P支),而是在z轴也有很小分量(S支)的部分偏 振光.因此,往返通过加压的KDP晶体后,P支 变为S支,不能通过偏振片被阻断;而S支变为P 支,可通过偏振片回到腔内获得增益.又由于YAG 晶体存在一定的退偏度,故腔内的近P支激光再次 通过偏振片时首先会反射出少量激光(形成f),然 后往返经过KDP后,偏振片又会将偏振方向与之 垂直的分量反射出去(形成2),与相比,由于此 时偏振片反射的是大部分S支光,故而能量比 较大.如此反复,激光振荡得以形成.从而推知,此 时正向输出的激光f并没有完全关断,实验中发 现,由于正向输出激光的微弱(与腔镜透过率以 及腔内器件性能等因素有关),振荡级很难检测到激 光输出,故而会在实验中造成正向输出工"伪关断" 现象.本实验装置设有放大级,故通过放大级便可 检验出激光没有关断(可利用此现象来判断和调节 激光振荡的关断.但实际上由于器件的非完善性, 很难达到理想状态下的完全关断). 依上文分析,第1种情况由于没有调Q,电光 晶体不起作用,故偏振片两侧反射的均为很小分量 的偏振光(读者可参照上文进行分析),因而其波形 幅值比第2种情况的波形幅值要小,且均与腔内自 由振荡的激光脉冲波形I类似,与实测相符. 根据以上分析,可推知对应KDP晶体的3种 情况,,2,3的波形应该基本类似,所不同的只 是波形幅度的大小. 现参照调Q激光 脉冲的建立过程【】 (图3)对第3种情况 的进行分析,其分 析结果也适用于2, ,1对应 I3.图3c中 为有漏光输出时调Q 脉冲所对应的反转粒 子数,2为未关断激光 振荡所对应的反转粒 子数,3为理想状态所 对应的反转粒子数, 其最大值分别对应 , Fig.3Thefoundationofthe Q?pI|lselaser An1,An2,An3.d图对应其反转粒子数给出了相应 的激光脉冲波形1',2,3'. 从调Q激光脉冲的建立过程可知,理想情况 下,谐振腔在泵浦的大部分时间内均处于低Q值状 态,故阈值很高不能起振,从而上能级粒子数不断积 累,直至to时刻,粒子数反转达到最大An3,此时Q 值突然升高(损耗下降),阈值降低,由于此时的上能 级粒子数An3》?(阈值粒子反转数),故受激辐 射增强非常迅速,激光介质存储的能量在极短的时 间内转变为受激辐射的能量,产生一个峰值功率很 高的窄脉冲.实验中,由于高损耗状态时腔内的激 光未完全关断,故腔内的反转粒子会消耗一部分(图 3c中曲线2),从而在Q值增大之前维持一激光振 荡2(如图3d示)直到Q脉冲来临,且由于已经在 腔内建立了前期振荡,有一定的光子数积累,故调 gI1盖善弓 A基 第27卷第2期赵茗Nd:YAG激光器电光调Q偏振片漏光现象的实验研究87 Q巨脉冲将会直接从前期振荡时期的光子数密度 开始增长并使其余的大部分的上能级粒子(图3c中 曲线1)瞬间输出(图3d中曲线1),形成具有一本 底脉冲的调Q脉冲(图3d图曲线1和2的实线包 络波形).由图3c可知,由于泵浦速率一致,故1,2 两种状态的最大反转粒子数均可视为在,.处达到. 因为曲线2的反转粒子数远小于曲线1的反转粒子 数,故2的反转粒子数消耗快,总是比1提前到达阈 值(,2),形成脉冲尖峰,而1却要到t时刻才到达 阈值形成巨脉冲尖峰.2形成的激光脉冲2的发生 时间不会受调Q触发信号改变时刻t.的影响,且 其幅值大小只与谐振腔内器件性能有关(如上面分 析的偏振片的偏振度及YAG晶体的退偏度等).而 1所形成的Q脉冲1效果和发生时间却与Q值突 变的时刻有关:只有在t.时刻才对应反转粒子数最 大的时刻,此时得到的调Q效果最好,超前或滞后 其峰值功率都会有所下降,且其脉冲波形的峰值发 生时刻也会因t.的改变而有所变化,同时也会影响 到本底脉冲2,即出现图2中第3种情况中所分析 的开关现象.从图3d可以明显看出,由于腔内激光 的未关断而造成的前期振荡2会消耗一部分反转 粒子数,从而造成1峰值功率有所下降. 在实验中发现,由于J.的调Q脉冲峰值功率 太高,故用高频光电探测器探测时,为防止PIN管 饱和.所加前级损耗较大.仅观测到调Q脉冲而观 测不到其本底脉冲,无法判断Q值是否在反转粒子 数最大时突变,调节触发延时具有一定的盲目性;而 漏光J2的调Q脉冲功率较小,探测器所加损耗也 较小,故可探测到其本底脉冲.因此,根据漏光J 的调Q脉冲波形来控制Q值反转的时刻to(触发延 时调节)可较直观地将延时触发调节到最佳位置,从 而获得高峰值调Q脉冲.实验中应用此结论并仔 细调节触发延时,在无法消除由于系统器件性能造 成偏振片漏光的情况下获得了最大输出的调Q脉 冲. 同时,由于电光晶体的消光比不够高,晶体的光 学性质不均匀,会导致通过偏振片(此时假设偏振片 为理想状态)的线偏振光往返通过加压的电光晶体 时在晶体快慢轴产生的相位差不是'c相位,而形成 了一个偏心度很大的椭圆,也会导致偏振片侧面输 出漏光(读者可参照偏振片自行分析).此外,因系 统精度有限,若偏振片的起偏方向与晶体的轴或 Y轴没有完全重合,存在--I],角度差,也会造成偏振 片漏光(读者也可参照偏振片进行分析). 须特别指出的是,由于器件性能的差异,很可能 在某些偏振片电光调Q类激光器中观测不到比较 强的漏光现象,但实际上由于器件的不完善性,漏光 现象不能完全避免,只是漏光的强弱以及探测器的 灵敏度问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 .所以,在实际的激光器调试中一定要 注意安全,以防漏光辐射人体,造成不必要的伤害. 3结论 在实验中所发现的现象是采用这一类型调Q 器件的激光器所共有的现象,通过对这类激光器的 实际工作机理的深入研究可以得出以下结论t 1.在电光调Q激光器调试过程中,由于激光 器的电光调Q器件总会存在一定缺陷,故很难调至 全关断(可在振荡级后加一放大级以便观测关断效 果),但仍然可以输出调Q巨脉冲,只是峰值功率比 理想状态略低. 2.漏光现象的产生有多种原因,不仅与电光晶 体和偏振片性能有关,还与系统调节精度以及激光 晶体性能有关,要提高调Q效果,改善输出,根据上 文分析,可从如下几个方面着手:(1)考虑到电光晶 体的质量对调Q性能起着很重要的作用,因此,一 定要选择消光比高(衡量电光Q开关性能的主要指 标,取决于晶体折射率的均匀性),透过率高(减少插 入损耗),破坏阈值高的电光晶体,且尽量提高电光 晶体纵向电场的均匀性;(2)选择偏振度高的偏振 片;(3)提高系统调节的精度;(4)尽量采用高质量的 激光晶体;(5)为避免漏光输出可采用空气隙格兰. 汤姆生棱镜(损伤阈值高),其起偏效果优于偏振片, 但由于棱镜吸收漏光有一定发热,因此,向厂家购买 时要注意其散热性.另外,采用棱镜作电光开关的 起偏器的整机成本要比布氏偏振片高. 3.在电光调Q激光器的调试中,如出现比较强 的漏光,可利用此现象来指导调试工作.通过观察 侧面出光的光脉冲波形可以比较容易地将Q开关 延时调整到最佳位置,以获得最佳的输出效果. 深入探讨了偏振片侧面出光现象,对激光的工 业应用有着一定的意义.按上面的理论指导开发出 的电光调Q激光器已经在系统完善方面做了很多 工作,并顺利地在激光美容,激光除锈,激光内雕,掩 模打标等应用领域发挥着了巨大的作用. 参考文献 [1]蒋民华.晶体物理.济南:山东科学技术出版社.198o:379. 【2]蓝信钜.激光技术.武汉:华中理工大学出版社.1995:69478.