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0431-81702023
光學工程
超脈沖技術原理與應用
      超脈沖激光器原理和調Q的區別 

      激光按其泵浦方式可分為連續激光器和脈沖激光器兩大類。連續激光器是采用連續或長脈沖(脈沖持續時間>>能級壽命)泵浦激勵工作物質,使工作物質能級反轉粒子數大于閾值并維持在穩定狀態,連續輸出激光。脈沖激光器是采用短脈沖(脈沖持續時間<能級壽命)泵浦激勵工作物質,在整個激勵持續過程期間,上能級粒子數處在不斷增長的非穩定狀態,由于脈沖持續時間很短,在尚未達到新的平衡之前,過程就結束,激光隨著泵浦脈沖的到來而輸出。 

      若泵浦激勵時間很短,則在激勵持續期間E2能級上的自發輻射的無輻射躍遷的影響可以忽略不計,在這種情況下,要使E2能級增加一個粒子,只須吸收 個泵浦光子,當單位體積吸收的泵浦光子數大于 時,便能產生激光。實驗說明,脈沖持續時間越短,需要吸收泵浦能量的閾值會越小。  
在短脈沖激光器中,設工作物質吸收的泵浦能量為EP,產生激光閾值為EPt,則有輸出能量 

    
      公式表明,輸出能量E隨泵浦能量Ep線性增加,輸出的能量是由超過閾值那部分能量轉換而來的。 
      相比于連續激光器,脈沖激光器具有更低的閾值條件,在輸入泵浦能量一定的情況下,脈沖激光器能輸出更高的脈沖能量。如果采用比原來更大泵浦能量的脈沖方式激勵,那么激光器將輸出更高的峰值功率,這樣的激光器就是超脈沖激光器。 
      超脈沖技術可以在不怎么增加成本的基礎上獲得相對高的功率的相對窄的脈寬,但是想要獲得非常高的峰值功率或非常窄的脈寬必須使用調Q技術。 
    調Q技術是指在采用某種方法使腔內的損耗因子按規定的程序變化,在泵浦剛開始時,先使光腔具有高損耗因子,使用產生激光的閾值提高,由于閾值高而不能產生激光振蕩,于是亞穩態上的粒子數便可以積累到的水平,然后在適當的時刻使腔內損耗突然降低,閾值也隨之降低,些時反轉粒子數大大超過閾值,受激輻射迅速地增強。于是在極短的時間內,上能級儲存的粒子的能量轉變會激光能量,形成一個很強的激光巨脈沖輸出。 

      超脈沖激光輸出脈寬窄,峰值功率高等特點,優勢應用在閾值要求高,熱擴散要求少的材料上加工,比如玻璃,皮革,陶瓷等。激光熱加工指當激光束照射到物體表面時,引起快速加熱,熱力把對象的特性改變或把材料熔解蒸發的過程。加工過程中,作用在材料上的激光能量必須大于破壞材料所需要的能量,既是要大于材料的破壞閾值。如圖1所示:左邊的能量分布不能在材料上打出標記,右邊的只有高于虛線部分才能在材料上打標,在加工過程中,圖1虛線以下的能量,將轉化成熱能被材料吸收。由于玻璃,皮革,陶瓷等材料破壞閾值較高,而且對于玻璃來說,轉化為熱吸收的能量在玻璃中傳導的不均勻,將產生熱應力,使玻璃炸裂,對于皮革來說,熱傳導的能量使得皮革加工邊緣被燒灼,對陶瓷來說,陶瓷的最外層是一層釉質,性能相當于玻璃。因此這些材料必須采用超脈沖激光加工。    
  
      超脈沖是怎樣來改良加工效果的呢?當激光束投射在材料表時,部分能量被反射,部分被吸收,部分被傳遞出去,具體情況取決于材料類型和激光波長。在到達材料表面的光能中,被材料吸收的那部分能量是對材料加工有用的。光能以電子和原子的振動激發形式被吸收,并轉化為熱能,擴散至臨近原子。隨著吸收的光子越來越多,材料溫度不斷升高,從而提高光能吸收的比例。該過程可引發連鎖反應,使溫度在極短時間內急劇升高。溫度升高的速度取決于材料中能量吸收與能量消散之間的比例。光吸收長度是指光子能量被吸收導致光束強度降低至原來的1/e (37%)時光束傳播的距離。該距離內材料吸收能量轉化的熱能擴散距離為L = [4Dt] 1/2, 其中L為擴散距離,D為熱擴散率,t 為激光的脈沖寬度。如果熱擴散距離遠大于吸收長度,激光光斑處的溫度升高將很有限。相反,如果擴散距離小于吸收深度,溫度將急劇升高,導致材料熔化,甚至汽化。  

  
圖1.激光輸出能量示意圖。左圖表示連續輸出能量,右圖表示超脈沖輸出能量,X軸t表示脈沖時間,Y軸P表示脈沖功率,陰影部分面積W表示脈沖能量 
      激光輸出功率與脈沖寬度,由W=Pt,在輸出相同的能量的情況下,假設超脈沖功率P2是普通脈沖功率P1的3倍,則有作用時間t2=t1/3. 由L = [4Dt] 1/2,所以L縮小為原來1/31/2倍,從上面分析可知熱能擴散距離小,有利于能量集中材料加工點,而對加工點旁邊熱效應影響小,可加工出更加精密和光滑的效果。

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