[激光器原理与应用-6]：Q开关元件与Q驱动电路板

Posted 2022-07-28 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 Q驱动器概述

1.1 概述

1.2 Q开关元件与Q驱动电路板在激光器中的位置

第2章 Q开关元件

2.1 定义

2.2 声光效应原理

2.3 Q调制

2.4 拉曼-纳斯衍射

2.5 声光Q开关结构与原理

2.6 Q开关控制激光工作过程

2.7 Q开关分类

2.8 Q开关的原理

2.9  RF信号

2.10 性能参数

第3章 Q驱动器接口

3.1 连接示意图

3.2 接口信号说明

第4章 Q驱系统设计注意事项

4.1 Q驱器注意事项

参考：

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第1章 Q驱动器概述

1.1 概述

Q驱动器是一种驱动Q开关元件工作的专用驱动电路。

它根据外部控制信号，将相应的射频信号，施加到Q开关元件上，完成激光有无控制和进行Q调制。

1.2 Q开关元件与Q驱动电路板在激光器中的位置

第2章 Q开关元件

2.1 定义

Q开关（英文：Q-switching），也称巨脉冲发生器，是一种控制激光是否能够通过的开关，是一种脉冲激光开关技术。基本原理是：电信号-》声波信号-》物理形变-》控制光的反射路径-》控制光的输出。因此，Q开关是一种声光器件，因此，又称为声光Q开关。

声光Q开关工作在激光腔内，通过主动控制谐振腔的品质Q因子(损耗)来产生高强度的脉冲光。是利用声光效应设计和制作的一种声光调制器件。

通俗来讲，声光效应是指光通过一块受到超声波扰动的介质时发生衍射的现象，这种现象是光波与介质中声波相互作用的结果，其原理较传统平面光栅更为复杂、抽象。

2.2 声光效应原理

各向同性：指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同，亦称均质性。物理性质不随量度方向变化的特性。即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数值。如所有的气体、液体（液晶除外）以及非晶质物体都显示各向同性。

各向同性的光学介质（如透光晶体）在不受声场作用时，光学性质是稳定的。

但当它受到声波场（如超声波）作用时其光学性质（如折射率）就要发生改变。当超声波通过介质时，介质中各点会出现随时间和空间发生周期变化的弹性应变，进而导致介质中产生随时间和空间呈周期变化的弹光效应，如图1所示，使得介质中各点的折射率n也会产生响应的周期变化。

 n0为无应变情况下的晶体折射率。

图1 超声波在介质中的传播示意图。

2.3 Q调制

因此，当光通过有超声波作用的介质（透光晶体）时，相位就要受到调制，如同光通过一个衍射光栅，光栅的间距等于声波波长λs，光束通过这个光栅时就要发生衍射，这就是声光效应。

由于声波是运动的，因此介质应视为以声速运动的声光栅，由于声速仅为光速的十万分之一，所以对于入射光斑来说，运动的声光栅可以认为是静止的，其光栅方程为：

 声光栅的光栅常数等于声波的波长λs，θ和θi分别为入射光和衍射光与光栅平面的夹角，m是衍射级次，是光波波长。

 依据超声波频率的高低与声波和光波作用长度的不同，声光衍射现象可以分为拉曼-纳斯（Raman-Nath）衍射和布拉格（Bragg）衍射。

2.4 拉曼-纳斯衍射

拉曼-纳斯衍射产生于超声频率较低且声光相互作用长度较短的情况。

光束通过声光介质只发生折射和少量的反射，仍可将出射光波看成是平面波；但声波通过声光介质时，根据声光效应原理，声光介质如同一块声光栅，由于声光相互作用长度较短，认为声子和光子只作用一次，因此可以将声光介质看做平面光栅，光通过时产生多级衍射，如图2所示，由衍射原理可知，各级衍射波最大值方向满足条件

在入射光两侧出现与m=0,±1,±2,......相关的一些衍射极大值。

2.5 声光Q开关结构与原理

声光Q开关是利用声光效应以控制光腔损耗的Q开关技术。

其基本结构如图4所示，主要由驱动电源、射频插头、压电换能器/电声换能器、声光介质（石英晶体）、吸声材料、阻抗匹配元件、壳体组成，另外还包括图中未显示的冷却单元。

（1）驱动电源工作时，产生高频的电信号，称为RF信号；

（2）该高频电信号作用在换能器上，换能器将高频电信号转换为同频率的超声波；

（3）超声波作用于声光介质（透光晶体），使声光介质折射率发生周期性变化，

（4）折射率的周期性变化，会引起入射光发生经过晶体后发生衍射作用（入射的激光不再沿着原先的单一路径传播，而是向各个方向传播）。

（5）吸声材料把多余的声音能量吸收掉。

2.6 Q开关控制激光工作过程

Q开关是激光光学系统中一个重要光学元件。

它通过阻断和不阻断光的反射通道来抑制和产生激光脉冲。

如上图所示，当声光调制开关工作时，入射光发生衍射偏离激光谐振腔，此时谐振腔处于高损耗，Q值下降，激光震荡不能形成，输出的激光暂时性中断。

但激光的能量并没有消失，在泵浦源的作用下，上能级反转粒子数大量积累，当积累到最大值时突然关掉声光调Q开关，衍射效应立即消失,  腔内Q值猛增, 激光同步振荡迅速恢复, 在极短的时间内反转粒子数被消耗，转换为腔内激光能量，从谐振腔输出端输出，获得脉冲极短，能量峰值功率很高的激光输出。

因此，严格意义上讲，声光调制的作用并不是普通意义上的“开关”，而是一个类似电容聚合电荷后突入放电的过程，他是把激光光子（能量）暂时缓存在腔体内，然后再集中释放的控制开关。

（1）打开光路

不给压电换能器施加射频信号时，石英晶体保持其原有的常规折射率，由激光棒发射出来的平行光透过石英晶体，经后反光镜发射再穿过石英晶体，返回激光棒。

（2）临时关闭光路

一旦给压电换能器施加射频信号，压电换能器立即在石英体内压迫石英晶体，使它的折射率发生变化，透过石英晶体的光线发生折射而偏离后反光镜，使得没有光线返回激光棒。

由于激光光线返回激光棒是激发激光的必要条件，所以产生激光的进程停止。

因此给压电换能器施加和撤除射频信号，是关掉和释放激光的重要控制手段。

2.7 Q开关分类

市场上有2种Q开关，一种是风冷Q开关，一种是水冷Q开关。

Q开关有27M，40M，80M等规格。激光打标机常用Q开关都是27M的。

在目国内市场一般都是采用27M的水冷Q开关。

被动Q开关是由激光器本身完成Q值的变化的。主动Q开关是由外部机械或电子信号使Q值的变化的。

2.8 Q开关的原理

他们的共同原理都是：有意降低初始所激发出来的光子的能量，即Q值，常用的Q开关有：

1、可饱和吸收体Q开关：这是属于被动Q开关。在共振腔内放可饱和吸收染料盒、色心晶体等。它们对腔内的激光透过率是光强的函数，在开始时，共振腔内的受 激辐射强度低，它们对光辐射的吸收率大，即共振腔的Q值很低；当工作物质被充分泵浦而达到激光振荡阈值时，它们发生饱和吸收，透过率上升到近100%，共 振腔的Q值也随即突然升高到很高的数值。

2、电光晶体Q开关：这是主动Q开关。在共振腔内放电光元件和偏振分析器。当给电光元件加上外电场时会使通过的激光的偏振面发生旋转，由此可控制光束通过分析器的透过率。共振腔的Q值与分析器的透过率有关。现在最常见的电光元件是克尔盒和普克尔盒。

3、转镜式Q开关：这是主动Q开关。用马达带动共振腔的一块三棱镜高速旋转，当旋转的镜子转到与共振腔另一面反射镜精确平行的位置时，腔的Q值最高，其它位 置都比较低，反射镜的转动必须与闪光灯的触发同步，使两块反射镜达到平行时，工作物质已得到充分的泵浦。这种Q开关的主要优点是重复性好，主要缺点是容易产生杂波。

2.9  RF信号

RF信号输入：RF信号打开时为固定频率的正弦波信号，RF关闭时无信号。

Q值：与RF信号正好是反向的，是RF震荡周期激增（积分）的光子能量的总和。

激光输出：在RF关闭时，瞬间释放RF打开时激增的光子的能量，形成瞬间的激光脉冲。

RF工作频率27 MHz声光Q开关，具有光衍射损耗与入射光的偏振态无关的优点，但需要的功率加大，高达50W.

RF工作频率为41 MHz、80 MHz的声光Q开关，无需持续水冷却，且较小的驱动功率获取了较大的衍射损耗。

2.10 性能参数

第3章 Q驱动器接口

3.1 连接示意图

3.2 接口信号说明

（1）输出

• RF 输出

（2）输入

• 触发模式：上述沿触发、电平触发、下降沿触发
• RF输出使能信号Enable
• 基带调制信号：用控制RF输出波形

第4章 Q驱系统设计注意事项

4.1 Q驱器注意事项

（1）Q驱动器的电压不宜太高

抬高的驱动电压，会导致Q驱动器成本的上升、功耗的增加、发热的加剧，效能的降低。由于效率低发热高的问题，可能引起产品本身故障率增高，增加集成难度等相关问题。

通常采用15V一下的电压。如果系统是 24V或48V供电, 一种简单的解决方案是：在供电线串接一个小尺寸 DCDC 降压模块，将 24V/48V 转为 12V 或 15V 供电。这样在几乎不增加成本的情况下，即解决了上述问题，也统一了 Q 驱型号，综合来看更具优势。也即开关电源的 24V 输出先接到此 DCDC 模块，然后模块的输出再接到 Q 驱的供电就行了。

参考：

声光Q开关的基本原理及产品介绍 - 联合光科技（北京）有限公司 - 光学社区 - Powered by Discuz!