[发明专利]Q开关激光器装置

说明书

本发明涉及一种提供Q开关脉冲激光束振荡输出的Q开关激光器装置。

用Q开关可以将YAG激光器之类的固体激光装置的连续振荡转换成具有高峰值功率(峰值输出)的高速重复率的脉冲振荡。YAG激光器装置通常是利用超声波布拉格衍射作为声光Q开关。

如图10所示，声光Q开关100的设计，一般由人造石英玻璃104、压电元件108和高频匹配电路110组成。人造石英玻璃104作为一个极化介质，在它的入射和出射表面都镀有增透膜102，压电元件108通过一个胶合层106耦合到石英玻璃104一个表面(底面)，以产生超声。

当Q开关驱动器112提供例如24MHz、50W高频电信号ES经过匹配电路110到达压电元件108时，高频电信号ES由压电效应转换成超声波AS，并在石英玻璃104内部传输。由于光弹效应引起石英玻璃104内折射率的周期性分布，当光束LB_i以一个适当的角度射到其上时，入射光束LB_i就被衍射为LB_R(即声光效应)。

图11示出一个Q开关YAG激光振荡器的结构。YAG棒116和激励灯118彼此平行地放置在一个椭圆柱形反射器114内的一对椭圆焦点上，输出镜120和全反射镜122分别放置在YAG棒116两端面的前方，Q开关100插在YAG棒116的一个端面和输出镜120之间。

如上文所描述，一旦高频电信号ES加到Q开关100上，使超声波AS通过石英玻璃104的内部，从YAG棒116射出的激光束的一部分就被Q开关100衍射，这样激光振荡器的损耗就增加，Q值就减小，导致激光振荡停止。

尽管激光振荡停止，然而，激励灯118对YAG棒116的激发还在继续，因此在激光振荡器内的激励能量仍在积累并储存。然后，如果当这些储存的激励能量变得足够大，这时关闭高频电信号ES，使Q值很快恢复。激光振荡器内将再次发生脉冲振荡，结果获得具有极高峰值功率(峰值输出)的Q开关脉冲激光束LB_Q。

在实际应用中，加到Q开关100上的高频电信号ES已经被具有适当重复频率的调制脉冲所调制，所加的高频电信号ES在每一个调制脉冲持续时间内暂时中断，从而得到与调制脉冲同步的Q开关脉冲激光束LB_Q。

参考图12，在即将实行Q开关脉冲振荡之前存储在激光振荡器内的激励能量正比于调制脉冲间隔或脉冲周期T_Q，因此它随着脉冲周期T_Q的变长而增大。但是当超过了饱和参考时间T_S(例如500μs)时，它就达到饱和值E_M。

因此，当脉冲周期T_Q等于或大于T_S时，Q开关脉冲激光束LB_Q的峰值功率将达到最大或饱和电平P_M，如图13A所示，而当脉冲周期T_Q小于T_S时，峰值功率由最大电平P_M乘以比值(T_Q/T_S)，如图13B所示。

在实际应用时，上述Q开关激光振荡器的Q开关作用常常在比参考时间T_S短的周期T_Q时完成。

在这样一种情况下，如图14所示，可能引起这样一个问题，即在电源打开后或Q开关重新开始后立即出现的第一个Q开关脉冲激光束(即称为第一个脉冲的LB_Q(1))其峰值功率可能会远高于其他(后续)的Q开关脉冲激光束LB_Q(2)、LB_Q(3)等等。

这可以认为是，打开电源或激光振荡输出重新开始后立即出现的第一个脉冲在下述状态下进行Q开关，即激励能量的存储量是饱和电平E_M，而在稳态输出时，Q开关是在激光振荡器内储存的激励能量达到饱和电平E_M之前(短于饱和参考时间T_S的周期)完成的。

在精密激光加工的情况中，这种第一个脉冲LB_Q(1)的过高峰值功率可能影响加工质量。

例如，在激光打标(marking)处理时，当打标处理点从一行(笔划)J_A跳至另一行(笔划)J_B时，如图15A所示，在J_A的终点j_A(N)和J_B的起始点j_B(1)之间可能有一个大的Q开关时间间隔T_K