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声光Q开关(Acousto-optic Q-Switches)的发生原理

声光Q开关(Acousto-optic Q-Switches)是一种广泛使用的Q开关方式,其主要优点是重重复频率高,性能稳定可靠。声光Q开关是利用声光相互作用以控制光腔损耗的Q开关技术。

调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。在泵浦开始时使腔处在低Q值状态,即提高振荡阈值,使振荡不能生成,上能级的反转粒子数就可以大量积累,当积累到最大值(饱和值)时,突然使腔的损耗减小,Q值突增,激光振荡迅速建立起来,在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗,转变为腔内的光能量,在腔的输出端以单一脉冲形式将能量释放出来,于是就获得峰值功率很高的巨脉冲激光输出。

声光Q开关是利用声光相互作用以控制光腔损耗的Q开关技术。声光调Q是通过电声转换形成超声波使调制介质折射率发生周期性变化, 对入射光起衍射作用, 使之发生衍射损耗,Q 值下降, 激光振荡不能形成。在光泵激励下其上能级反转粒子数不断积累并达到饱和值, 之后突然撤除超声场, 衍射效应立即消失, 腔内Q 值猛增, 激光振荡迅速恢复, 其能量以巨脉冲形式输出。这是一种广泛应用的Q开关方式,其主要优点是重复频率高,性能稳定可靠。

典型的声光Q开关主要由三部分组成:电声转换器、声光介质和吸声材料。电声换能器与声光介质如熔石英、钼酸铅(PbMO4)晶体等构成声光器件。电声换能器加电后,将超声波馈入声光材料,声波是疏密波,声光材料的折射率发生周期变化,对相对声波方向以某一角度传播的光波来说,相当于一个相位光栅。于是,在超声场中光波发生衍射,改变传播方向,这就是声光衍射效应。

声光调Q的原理简述如下:
当声光介质中有高频(40MC)超声行波传播时,由于布拉格衍射,入射光Ii的一部分偏离到布拉格角Id的方向。偏角θB由布拉格公式决定:2λsSinθB=λ0/n=λ。
代入以下的数据:声速VS=5.97KmS;声频fs=40MC; 折射率n=1.46;真空波长λ0=1.06um.求得θB=0.1390
衍射效率Id(L)/Ii(0)=Sin2(ηL)=sin2()式中,P为超声功率,M为声光品质因素,M=n6p2/ρVS3. n,p,ρ分别表示材料的折射率,光弹性系数和密度。L/h为换能器长宽比,λ0为真空波长。

如果衍射光Id 占的百分比足够大,则可能使光腔的总损耗大于小讯号增益,此时,振荡停止,激活介质(YAG棒)借助光泵浦积累粒子数的反转。在某一个时刻,如果去掉超声行波,则由于激活介质有很高的储能,所以,产生强的振荡脉冲――即声光调Q脉冲。如果用一定频率的脉冲调制器调制射频发生器,使声光介质中有相同重复频率的射频超声场时,就能获得重复频率工作的声光Q开关,激光器将以重复频率状态输出激光巨脉冲。

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