激光調(diào)q的全內(nèi)反射激光器

在nd：各種q開關(guān)技術(shù)方案中，受衰減的內(nèi)部反射特性（tir）開關(guān)技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，深度調(diào)整，效率高。該算法適用于激光測距的軍事技術(shù)。也有為數(shù)不多的文獻(xiàn)一般性地討論了FTIR的物理機(jī)制。我們從已有的FTIR技術(shù)在脈沖泵浦Nd:YAG激光器調(diào)Q應(yīng)用的基礎(chǔ)上,緊密結(jié)合連續(xù)泵浦的Nd:YAG激光器的工作條件,討論應(yīng)用FTIR技術(shù)調(diào)Q的優(yōu)點(diǎn)和必要條件,目的是提出一個(gè)新的方案,以期提高連續(xù)調(diào)Q的Nd:YAG激光器的峰功率,并討論新方案的一些主要技術(shù)參數(shù)。而高的峰功率在激光打標(biāo)和激光雕刻的應(yīng)用中,是迫切需要解決的問題。1聲光q開關(guān)的工作原理標(biāo)準(zhǔn)的FTIR調(diào)Q激光器結(jié)構(gòu)如圖1。脈沖方式工作的Nd:YAG激光器與連續(xù)工作的有很大的不同。脈沖泵浦的Nd:YAG激光器中,腔鏡M1與M2的反射率均是全反鏡,即R1=R2=1。激光脈沖的能量是穿過棱鏡間隙輸出。當(dāng)棱鏡間隙從高透過率狀態(tài)(d=0)稍微拉開的同時(shí),腔內(nèi)增益迅速提高,巨脈沖同步建立。當(dāng)間隙回復(fù)初始狀態(tài)(d=0),光脈沖作倒空式輸出。而對于連續(xù)Nd:YAG激光器,針對激光器的增益相對于脈沖泵浦的情況來說較低,我們設(shè)計(jì)激光能量從M2輸出,M2為部分透過。d的最大間隔要求達(dá)到或大于激光波長。而由于M2的部分透過,d的初始值可略大,這對于避免d的過小所引起的光膠有利。棱鏡耦合面的要求很高,平面度和光潔度要保證兩個(gè)面能夠緊密的接觸,間距d能達(dá)到0.1個(gè)波長。但隨之而來的問題是緊接觸所引起的光膠。為此,我們把兩個(gè)面設(shè)計(jì)成非對稱式,實(shí)際的通光面積約為0.5cm2,比光斑稍大。在保證精度的前提下,縮小接觸面積,很有效地避開光膠的麻煩。棱鏡的材料選用優(yōu)質(zhì)石英。棱鏡整體安放在一套精密的調(diào)節(jié)架上,棱鏡間距d通過一精密螺桿由步進(jìn)馬達(dá)調(diào)節(jié),步進(jìn)馬達(dá)由計(jì)算機(jī)按設(shè)定程序驅(qū)動(dòng),精度達(dá)0.1μm。據(jù)理論計(jì)算,當(dāng)棱鏡之間的間隙d小于激光波長的1/10時(shí),其透過率接近100%,這是聲光調(diào)制方法難以達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)條件內(nèi),可達(dá)到95%。而目前連續(xù)Nd:YAG激光器中首要應(yīng)用的聲光Q開關(guān)的調(diào)制深度不大于50%。激光器的振蕩條件為αLr=γ0-ln(1-γq)-ln(R1R2)(1)αLr=γ0?ln(1?γq)?ln(R1R2)(1)其中R1和R2是諧振腔兩個(gè)端鏡的反射率,在脈沖式的激光器中,均為全反射。而在我們目前的方案中,R1=1,R2=0.8～0.9,符合連續(xù)泵浦的條件。α是Nd:YAG棒的增益系數(shù)。Lr是Nd:YAG棒的長度γ0是諧振腔內(nèi)除Q開關(guān)的總體單程損耗系數(shù),可取γ0=0.08。γq是Q開關(guān)的損耗系數(shù),也就是它的調(diào)制深度。按我們的討論,在聲光調(diào)制Q開關(guān)中,取γq1=0.5;在FTIR調(diào)Q方式中,取γq2=0.95。結(jié)合速率方程Τ1=dΝ(t)dt=-2φ(t)Ν(t)+2Κ1Κ1+Κ2?Τ1Νd(t)τd(2)Τ1dΝd(t)dt=φ(t)Ν(t)-Τ1Νd(t)τ(3)Τ1dφ(t)dt=φ(t)[Ν(t)-γ(t)](4)T1=dN(t)dt=?2φ(t)N(t)+2K1K1+K2?T1Nd(t)τd(2)T1dNd(t)dt=φ(t)N(t)?T1Nd(t)τ(3)T1dφ(t)dt=φ(t)[N(t)?γ(t)](4)其中,N是歸一化粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度;Nd是歸一化下能級粒子數(shù)密度;φ是歸一化腔內(nèi)光子數(shù);T1=[Lc+(n-1)Lr]/C,Lc是腔長,C是光速;τd是激光下能級壽命;n是激光棒的折射率;K1和K2是與激光上下能級有關(guān)的常數(shù)。考察在FTIR棱鏡間隙拉開的時(shí)間演變過程中,腔內(nèi)光子數(shù)的變化,我們得到在調(diào)Q激光脈沖峰值處的光子數(shù)為(具體分析另文討論)。Φmax1=Ν1(0)-γ02+ln(1-γq1)2ln(Ν1(0)γ0)(5)Φmax2=Ν2(0)-γ02+ln(1-γq2)2ln(Ν2(0)γ0)(6)Φmax1=N1(0)?γ02+ln(1?γq1)2ln(N1(0)γ0)(5)Φmax2=N2(0)?γ02+ln(1?γq2)2ln(N2(0)γ0)(6)典型的γ0=0.08,而γq1=0.5,γq2=0.95,代進(jìn)(5)和(6)式,得到Φmax2∶Φmax1≈9∶1Φmax1和Φmax2分別是采用聲光調(diào)Q和FTIR調(diào)Q技術(shù)得到的計(jì)算結(jié)果。因而,激光峰值高度將提高近一個(gè)數(shù)量級。如計(jì)及脈沖寬度的收窄,峰值功率將有極大的提高。2形成激光脈沖的一般條件已有的關(guān)于FTIR開關(guān)時(shí)間特性的分析都以棱鏡內(nèi)部超聲頻率ω作為分析的參量。其實(shí),驅(qū)動(dòng)FTIR棱鏡的是脈沖電壓,棱鏡內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)和兩塊棱鏡耦合面的移動(dòng)也都是脈沖的形式。因此,用時(shí)間參量去分析FTIR開關(guān)的時(shí)間特性更為直接和準(zhǔn)確。鑒于聲光調(diào)制機(jī)理與FTIR調(diào)制機(jī)理回異,兩者的Q開關(guān)打開過程的時(shí)間輪廓截然不同。前者是一個(gè)矩型的時(shí)間窗口,Q開關(guān)快速打開后,保持一段時(shí)間間隔,然后快速關(guān)閉。后者是靠石英介質(zhì)內(nèi)脈沖的彈性振動(dòng)實(shí)現(xiàn)Q開關(guān)的動(dòng)作,其時(shí)間演變過程復(fù)雜得多,為簡單計(jì),以一個(gè)對稱的三角波型的脈沖討論FTIR調(diào)制的時(shí)間特性。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的Nd:YAG激光器調(diào)Q的重復(fù)頻率或周期,取決于Nd3+離子的激光上能級壽命τu。在兩次Q開關(guān)導(dǎo)通之間的時(shí)間間隔內(nèi),激光器處于低Q狀態(tài)。激光上能級粒子數(shù)不斷積累,并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這過程在激光上能級壽命終結(jié)時(shí)達(dá)到飽和。換言之,Q開關(guān)開啟的重復(fù)周期等于激光上能級壽命。從有關(guān)的文獻(xiàn)可知,Q開關(guān)開啟的重復(fù)頻率不應(yīng)大于5kHz,常用的頻率為1～2kHz。這個(gè)參數(shù)決定于激光工作物質(zhì),所以,無論是聲光調(diào)制或FTIR技術(shù),都是一樣的。描述一個(gè)對稱的三角波型脈沖用兩個(gè)參數(shù):脈沖的高度和脈沖的上升時(shí)間。按照Nd:YAG激光器的巨脈沖形成過程的分析,由Q突變到巨脈沖輸出,中間有一個(gè)時(shí)間間隔τp,激光器需要在其間建立起足夠的背景輻射,以激發(fā)突發(fā)的受激輻射并進(jìn)一步放大,最終形成激光脈沖。為此,FTIR棱鏡間隙拉開的時(shí)間必須小于τp。然后,按照激光能量輸出方案要求,Q突變完成后,應(yīng)保持在全開狀態(tài)并延續(xù)一個(gè)τp的時(shí)間間隔,以孕育巨脈沖的生成(時(shí)序的進(jìn)一步分析亦將另文討論)。圖2是FTIR棱鏡Q開關(guān)的時(shí)間特性以及巨脈沖生成的時(shí)序。驅(qū)動(dòng)FTIR棱鏡是借助換能器實(shí)現(xiàn)的。換能器的材料是壓電陶瓷。顯然,換能器應(yīng)具備寬帶和響應(yīng)時(shí)間特性好的物理性質(zhì)。對于Nd:YAG激光工作物質(zhì),λ=1.06μm,τp=1～2μs。扣除超聲在石英內(nèi)部的損耗和換能器連接層的阻抗,要求壓電陶瓷的伸縮幅度大于2μm,中心響應(yīng)頻率為1MHz左右。按照這些基本要求,選取合適的壓電陶瓷類型和計(jì)算電源的注入功率。在這里,特別感謝電子工業(yè)部26所劉光沖同志,他為我們設(shè)計(jì)和制備了壓電陶瓷,得到初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問題,我們的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖3。圖3中的40腳的集成電路AT90S8515片是本電路的核心部件,這是一種非常高速度的微控制器,其指令運(yùn)行速度達(dá)到8MIPS(是帶12M晶振的89c51的運(yùn)行速度的8倍)。我們用它來發(fā)生各種頻率的脈沖。其中由UP和DOWN兩個(gè)按鈕控制輸出頻率的大小,并且我們可以在顯示器LCD1602A上看到輸出頻率的數(shù)值大小。由于微控制器產(chǎn)生的脈沖的幅度只有5V,并且驅(qū)動(dòng)能力很弱,所以我們在設(shè)計(jì)中增加了3個(gè)8引腳的集成電路,這3個(gè)集成電路都是高速的開關(guān)電路,它們的開關(guān)速度都不會(huì)超過40ns,經(jīng)過這3個(gè)集成電路的整形和放大以后,我們最后可以得到驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到500mA、脈沖幅度12V、脈沖的寬度0.6μs的脈沖列。用這脈沖列來驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管后我們就可以得到脈沖幅度達(dá)到將近200V的脈沖列、其脈寬仍然為0.6μs。脈沖列頻率可在幾十Hz到兩萬多Hz的范圍內(nèi)可調(diào)。用這樣的脈沖加在壓電陶瓷上后的波形如圖4,我門從圖中可以看出脈沖有一定的變形,這是因?yàn)閴弘娞沾捎幸欢ǖ碾娙?事實(shí)上我們測量過,電容量的大小為120PF),脈沖的寬度不到1μs,脈沖的幅度達(dá)到了200V,脈沖的上升時(shí)間不到100ns,脈沖的重復(fù)頻率也覆蓋了我們需要的測試范圍,因此,驅(qū)動(dòng)脈沖完全達(dá)到了我們在前面的理論分析里