[发明专利]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

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。