基于调Q开关台阶式开启的激光脉冲脉宽和波形控制方法

摘要

本发明涉及激光器技术领域，其公开了一种基于调Q开关台阶式开启的激光脉冲脉宽和波形控制方法，该方法通过控制调Q开关，使调Q开关不是一次性打开，而是台阶式开启，即开始时开启一小部分，到达某一时刻时，再开启一小部分，如此进行下去，每次开启的量即台阶的高度可以相同，也可以不同，两次开启的时间间隔即台阶的宽度可以相同也可以不同。通过设置台阶的个数及调节台阶的宽度和高度，实现对调Q激光器输出光脉冲的脉宽和波形控制。该基于调Q开关台阶式开启的激光脉冲脉宽和波形控制方法可以应用于激光介质储能的快速主动调Q激光器，也可应用于谐振腔储能的快速主动调Q激光器，即“腔倒空”式激光器。

说明书

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种基于调Q开关台阶 式开启的激光脉冲脉宽和波形控制方法。

背景技术

利用Q开关技术可以产生大能量、高峰值功率的激光脉冲， 根据激光脉冲宽度的不同，可以将调Q激光脉冲分为长脉冲(ms 量级)和短脉冲(ns量级)，长脉冲激光被广泛应用于航空、航 天、医疗、食品、核能、微电子、计算机等各个领域，短脉冲激 光在激光打孔、激光清洗及表面冲击强化等材料加工领域具有重 要的应用价值(方鸣岗.短脉冲激光及应用[J].激光与红外，2006， 36(12)：1136-1138)。调Q开关的工作原理为：调Q开关关闭 时，激光器谐振腔处于低Q值状态，损耗很大，振荡阈值很高， 激光振荡在谐振腔内不能形成，在泵浦作用下，激光介质的上能 级反转粒子数大量积累，当积累到最大值(饱和值)时，调Q开 关迅速开启，激光谐振腔处于高Q值状态，损耗大幅度降低，振 荡阈值突然降低，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内，上 能级的翻转粒子数被消耗，转为腔内的光能量，从谐振腔的输出 端以单一脉冲的形式释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉 冲。这种调Q工作方式属于工作物质储能调Q，即Q开关关闭时， 能量以激活粒子的形式存储在工作物质的高能态上。还有一种谐 振腔储能调开关，即能量以光子(光辐射场)的形式存储在谐振 腔内，Q开关关闭后，光子只在腔内往返振荡而无输出，直到工作 物质的反转粒子储能全部转变为腔内光子能量时，才将腔内存储 的最大振荡能量瞬间全部透射输出。又因为它不是边振荡边输出， 而是先振荡，达到最大值后，再瞬间释放出去，故又称为“腔倒 空”(蓝信钜等，激光技术[M].2009，北京：科学出版社，p75-113)。

调Q按照开关开启所用的时间可分为快开关和慢开关(吴鸿 兴，李永平，张立敏.快开关调Q理论与慢开关调Q理论[J].1984， 4(6)：245-248)，当调Q开关开启时间小于等于激光脉冲建立 所需要的延迟时间时，调Q激光脉冲的性能与调Q开关的开启时 间无关，峰值光子数密度和脉冲宽度与理想阶跃开关，即开关开 启时间为0的调Q情况下的值相同。当调Q开关的开启时间大于 激光脉冲建立所需要的时间时，调Q激光脉冲的脉宽会有所增宽， 但不易控制，容易出现多脉冲现象，即在调Q开关开启一次时， 激光器发射多个调Q脉冲(W.克希耐尔著，孙文、江泽文、程国 祥译.固体激光工程[M].2002，北京：科学技术出版社，410-448)。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何精确控制激光脉冲宽度和相应 的波形，而不发生多脉冲现象。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于调Q开关台阶式 开启的激光脉冲脉宽和波形控制方法，包括以下步骤：

S1、根据激光器的参数，设置调Q开关台阶的参数，所述调Q 开关台阶用于控制所述调Q开关进行台阶式开启，所述台阶式开启 是指先将调Q开关开启一部分，到达某一时刻时，再开启一部分， 如此进行下去直至所述调Q开关全部打开；

S2、将所述激光器的参数及所设置的调Q开关台阶的参数代入 速率方程进行求解，得到所述激光器的谐振腔内光子数密度随时间变 化的曲线；

S3、调整所述调Q开关台阶的参数，并将所述激光器的参数及 调整之后的调Q开关台阶的参数代入所述速率方程再次进行求解以 对所述曲线进行调整，直到得到所需的、激光器输出激光脉冲的脉宽 和波形，所述激光器输出激光脉冲的脉宽和波形与所述曲线所反映的 脉宽和波形一致。

优选地，所述调Q开关台阶的参数包括所述调Q开关台阶的个 数n及每个调Q开关台阶的高度和宽度，所述调Q开关台阶的个数 n表示调Q开关从关闭到全部开启所执行的部分开启的动作次数，调 Q开关台阶的宽度表示调Q开关一次部分开启所持续的时间，调Q 开关台阶的高度表示调Q开关一次部分开启所打开的程度。

优选地，所述调Q开关台阶的高度表征所述激光器的谐振腔内 损耗变化量的大小，打开的程度越大，所述谐振腔内损耗越小。

优选地，所述激光器的参数包括增益介质的泵浦、增益特性、谐 振腔的腔长，组成谐振腔的两个腔镜的反射率。

优选地，所述激光器是激光介质储能的主动调Q激光器，或者 谐振腔储能的主动调Q激光器。

优选地，所述调Q开关是电光调Q开关、声光调Q开关或者机 械调Q开关。

(三)有益效果

上述技术方案具有如下优点：通过调整调Q开关台阶的个数及 每个调Q开关台阶的高度和宽度来对该激光器输出光脉冲的脉宽和 波形进行调整和优化，得到预想的激光脉冲宽度和相应的波形。

附图说明

图1是利用本发明实施例的方法所引起的激光器谐振腔内的损耗 及相应的腔内光子数密度随时间变化的示意图；

图2是本发明实施例的方法所应用的激光器装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供一种基于调Q开关台阶式开启的激光脉冲脉宽和波 形控制方法，包括以下步骤：

S1、根据激光器的参数，设置调Q开关台阶的参数，所述调Q 开关台阶用于控制所述调Q开关进行台阶式开启，所述台阶式开启 是指先将调Q开关开启一部分，到达某一时刻时，再开启一部分， 如此进行下去直至所述调Q开关全部打开；所述激光器的参数包括 增益介质的泵浦、增益特性、谐振腔的腔长，组成谐振腔的两个腔镜 的反射率。

所述调Q开关台阶的参数包括所述调Q开关台阶的个数n及每 个调Q开关台阶的高度和宽度，所述调Q开关台阶的个数n表示调 Q开关从关闭到全部开启所执行的部分开启的动作次数，调Q开关 台阶的宽度表示调Q开关一次部分开启所持续的时间，调Q开关台 阶的高度表示调Q开关一次部分开启所打开的程度。所述调Q开关 台阶的高度h表征所述激光器的谐振腔内损耗变化量Δε的大小，打 开的程度越大，所述损耗越小，h＝f(Δε)，f表示函数，可以由台阶 高度h与损耗变化量Δε的实验数据确定函数f。其中，所述台阶的个 数是一个或者多个；所述台阶的宽度各不相同，部分所述台阶的宽度 相同，部分所述台阶的宽度不同，或者每一个所述台阶的宽度均相同； 所述台阶的高度各不相同，部分所述台阶的高度相同，部分所述台阶 的高度不同，或者每一个所述台阶的高度均相同。

S2、将所述激光器的参数及所设置的调Q开关台阶的参数代入 速率方程进行求解，得到所述激光器的谐振腔内光子数密度随时间变 化的曲线；

S3、调整所述调Q开关台阶的参数，并将所述激光器的参数及 调整之后的调Q开关台阶的参数代入所述速率方程再次进行求解以 对所述曲线进行调整，直到得到所需的、激光器输出激光脉冲的脉宽 和波形，所述激光器输出激光脉冲的脉宽和波形与所述曲线所反映的 脉宽和波形一致。

所述激光器是激光介质储能的主动调Q激光器，或者谐振腔储 能的主动调Q激光器。所述调Q开关是电光调Q开关、声光调Q开 关或者机械调Q开关。

步骤S2中使用速率方程求解得到谐振腔内光子数密度随时间变 化的曲线为现有技术，可使用文献1“W.克希耐尔著，孙文，江泽 文，程国祥译.固体激光工程[M].2002，北京：科学技术出版社， 19-22”中所提到的速率方程，或者使用文献2“W.克希耐尔著，孙 文，江泽文，程国祥译.固体激光工程[M].2002，北京：科学技术 出版社，411”所提到的简化的速率方程。根据速率方程可得光脉冲 的上升时间t_r和下降时间t_f均与有关，该值越大，t_r和t_f越小，n_i为最大翻转粒子数密度，n_p为阈值翻转粒子数密度，n_p与谐振腔损 耗ε有关。

采用台阶式开启的调Q开关，其工作原理如下：开始时，调 Q开关处于关闭状态，腔内损耗较大，在泵浦源的作用下，激光翻 转粒子数密度为n_i1，调Q开关开启一部分，阈值翻转粒子数密度 为n_p1，此时由于n_i1＞n_p1，腔内光子数增大，光脉冲处于上升时间 状态，当翻转粒子数密度等于n＝n_p1时，腔内光子数密度达到最大， 上升时间结束，在上升时间快要结束或正好结束时，将台阶式开 启的调Q开关再开启一个台阶，此时阈值翻转粒子数密度变为n_p2， 由于此时翻转粒子数密度n_i2≥n_p1，所以肯定满足n_i2＞n_p2，故腔内光 子数继续增加，光脉冲继续处于上升时间状态，当翻转粒子数密 度等于n＝n_p2时，腔内光子数密度达到最大，上升时间结束，在上 升时间快要结束或正好结束时，将台阶式开启的调Q开关再开启 一个台阶，如此进行下去，可以延长激光脉冲的上升时间，对于 调Q开关的最后一个台阶，对应的最后一次开启，阈值翻转粒子 数为n_pj，此时翻转粒子数密度n_ij满足n_pj-1＜n_ij＜n_pj-2，由于调Q开关 每开启一次，谐振腔内损耗下降一次，相应的，阈值翻转粒子数 密度下降一次，因此，n_ij＞n_pj，所以在调Q开关最后一次开启时， 腔内光子数密度继续增大，当翻转粒子数密度n＝n_pj时，腔内光子 数密度达到最大，激光器输出光脉冲的上升时间结束，进入到下 降时间，由于调Q开关最后一次开启时对应的翻转粒子数密度n_ij小 于初始翻转粒子数密度n_i，即n_ij＜n_i，台阶式开启的调Q开关最后 一次开启时，相对于一次打开的调Q开关，开关开启后的腔内损 耗相同，因此阈值粒子数密度相同，即n_pj＝n_p，故有而光 脉冲的下降时间随的增大而减小，因此，对于台阶式开启的调 Q开关，对应的输出激光脉冲的下降时间要大于一次开启的调Q 开关。通过以上的分析可见，由于激光器输出的激光脉冲的上升 时间和下降时间均与台阶式开启的调Q开关的台阶时间宽度和表 征腔内损耗大小的台阶高度相关，通过调整台阶式开启的调Q开 关的宽度和高度，可以实现对激光脉冲的脉宽和波形的控制。

图1是利用本发明实施例的方法所引起的激光器谐振腔内的损 耗及相应的腔内光子数密度随时间变化的示意图，图中曲线1表示 随着调Q开关台阶式开启，激光器谐振腔内的损耗ε相应地呈现台 阶式下降；曲线2表示在与曲线1相对应的调Q开关台阶式开启 的作用下，激光器谐振腔内光子数密度φ的变化。应当注意，考虑 到激光器输出镜的透过率不随光强变化，激光器输出的激光脉冲实 际上是腔内光子数的一部分，因此，谐振腔内光子数密度φ随时间 的变化(即曲线2)和激光器输出的激光脉冲的光子数随时间的变 化(即激光脉冲的波形)一致，由谐振腔内光子数密度决定的脉冲 的脉宽Δt_ρ和激光器输出激光脉冲的脉宽也相等。

图2本发明实施例的方法所应用的激光器装置示意图，图2中3 为全反射镜，4为调Q开关，5为激光增益介质，6为输出镜，7 表示从输出镜6输出的激光脉冲。

将图1中与曲线1相应的调Q开关台阶式开启的方法作用于 图2中的调Q开关2，在图1中的t＝0的时刻，图2中激光介质5 中的反转粒子数达到最大，由于t＜0时，调Q开关还未开启，腔 内损耗最大，为ε_max，腔内辐射很小，只是很小的光子数密度φ_min， 在t＝0时刻，第一个台阶到来，台阶的高度所表征的损耗变化量为 Δε₁，台阶的宽度为Δt₁，谐振腔内损耗突然下降Δε₁，变为ε_max-Δε₁， 腔内光子数密度开始增大，经过Δt₁的时间，腔内光子数密度还没 有达到最大值或刚刚达到最大值，此时，第二个台阶到来，台阶 高度所表征的损耗变化量为Δε₂，台阶宽度为Δt₂，谐振腔内损耗突 然降至ε_max-Δε₁-Δε₂，适当选择Δε₂的大小，使腔内光子数密度继续 增大，经过Δt₂的时间，腔内光子数密度还没有达到最大值或刚刚 达到最大值时，第三个台阶到来，如此进行下去。通过设置台阶的 个数及调节台阶的宽度和高度，实现对激光脉冲的脉宽和波形控制。

由以上实施例可以看出，通过调整调Q开关台阶的个数及每个 调Q开关台阶的高度和宽度来对该激光器输出光脉冲的脉宽和波形 进行调整和优化，得到预想的激光脉冲宽度和相应的波形。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。