NdYAG固体激光器电光调Q倍频实验义

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1、Nd:YAG 固体激光器电光调 Q、倍频实验 一、 实验目的 1. 掌握电光调 Q 的原理及调试方法； 2. 学会电光调 Q 装置的调试； 3. 掌握相关参数的测量。 二、 实验原理 1. 调 Q 技术原理 调 Q 技术中，品质因数 Q 定义为腔内贮存的能量与每秒钟损耗的能量之比，可表示为： 每秒钟损耗的激光能量腔内贮存的激光能量02=Q （1） 式中0为激光的中心频率。 如用 E 表示腔内贮存的激光能量，为光在腔内走一个单程能量的损耗率。那么光在这一单程中对应的损耗能量为E。 用 L 表示腔长；n 为折射率；c 为光速。则光在腔内走一个单程所需要时间为。 cnL/由此，光在腔内每秒钟损耗的能

2、量为cnLE /这样，Q 值可表示为 002 /2nL nLEcEQ= （2） 式中00/c=为真空中激光波长。可见 Q 值与损耗率总是成反比变化的，即损耗大 Q 值就低；损耗小 Q 值就高。 固体激光器由于存在弛豫振荡现象，产生了功率在阈值附近起伏的尖峰脉冲序列，从而阻碍了激光脉冲峰值功率的提高。如果我们设法在泵浦开始时使谐振腔内的损耗增大，即提高振荡阈值，振荡不能形成，使激光工作物质上能级的粒子数大量积累。当积累到最大值（饱和值时） ，突然使腔内损耗变小，Q 值突增。这时，腔内会象雪崩一样以极快的速度建立起极强的振荡，在短时间内反转粒子数大量被消耗，转变为腔内的光能量，并在透反镜端耦合输出

3、一个极强的激光脉冲。在这个过程中，弛豫振荡一般是不会发生的，但是，如果调 Q 器件设计及调整得不好也会导致多脉冲出现。所以，输出光脉冲脉宽窄，峰值功率高。通常把这种光脉冲称为巨脉冲。 调节腔内的损耗实际上是调节 Q 值，调 Q 技术即由此而得名。也成为 Q 突变技术或 Q 开关技术。 1谐振腔的损耗一般包括有： 54321+= （3） 其中1为反射损耗；2为吸收损耗；3为衍射损耗：4为散射损耗；5为输出损耗。 用不同的方法去控制不同的损耗，就形成了不同的Q 技术。如控制反射损耗1的有转镜调Q技术，电光调Q技术；控制吸收损耗2的有可饱和染料调Q技术；控制衍射损耗3的有声光调Q技术；控制输出损耗5

4、的有透射式调Q技术。 图 1 所示出了脉冲泵浦的调 Q 激光器产生激光巨脉冲的时间过程。 Wp表示泵浦速率；Ni 表示 Q 值阶跃时的粒子数反转数；Nt 为阈值粒子数反转数；Nf 为震荡终止时刻，工作物质残留的粒子数反转数；为激光光子数密度。 图 1 激光巨脉冲产生的时间过程 图 1 所示，在 t=0 时闪光灯脉冲接近终了，腔内损耗此时有一个 突变（即打开 Q 开光光闸） ，腔内增益大于高于腔内损耗，而当延迟到dtt =时，thNN，即会发射一个高功率脉冲。由图可知，激光巨脉冲的峰值应该出现在工作物质的粒子反转数恰等于谐振腔阈值粒子反转数的时间。 2. 纵向加压KD*P Q开关原理 （1）KD

5、*P晶体的纵向电光效应 KD*P晶体属于四方晶系 42m晶类，光轴C与主轴Z重合。未加电场时，在主轴坐标系中，其折射率椭球方程为： 21222 022 =+enznyx（4） 其中，n0、ne分别为其寻常和异常光的折射率。加电场后，由于晶体对称性的影响，42m晶类只有4163,两个独立的线性电光系数。63是电场方向平行于光轴的电光系数，41是电场方向垂直于光轴的电光系数。KD*P晶体加外电场后的折射率椭球方程是： 0222nyx + enz22 +212)(6341=+xyExzEyzEZyx （5） 当只在KD*P晶体光轴z方向加电场时上式变成： 0222nyx + enz22 +1263=

6、xyEz （6） 经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率： 210= nnxzEn6303 210+= nnyzEn6303 （7） eznn=上式表明，在Ez作用下KD*P变为双轴晶体，折射率椭球的xy截面有圆变为椭圆，椭圆的长短轴方向x、y相对于原光轴x、y转了 450，转角大小与外加电场大小无关，长、短半轴的长度即和。由上式可看出它们的大小与Eynxnz成线性关系，电场反向时长短轴互换，见图 2。 图 2. KD*P63纵向效应 当光沿KD*P光轴z方向传播时，在感应主游x、y两方向偏振的光波分量，由于此时晶体在这两者方向上的折射率不同，经过长度为l的晶体后产生位相差： 3xx

7、yVlnn632)(2 = （8） 式中为加在晶体 z 向两端的直流电压 。 lEVzz=使光波两个分量产生位相差2所需要加的电压，称为“4电压” ，以 2V表示，即 633 024nV= （9） KD*P晶体的光电系数63=对于6 .23Vm/1012=1.0m、KD*P晶体的 2V=4000V左右。 （2）带起偏器的KD*P电光Q开关原理 带起偏振器的KD*P电光Q开关，是一种发展较早、应用较广泛的电光晶体调Q装置， 其特点是利用一个偏振器兼作起偏和检偏， 偏振器可采用方解石格兰傅克棱镜，也可用介质膜偏振片。其装置如图 3 所示。KD*P晶体具有纵向电光系数大，抗破坏阈值高的特点，但容易潮

8、解，故需要放在密封盒内使用。通常采用纵向运用方式，即z向加压，z向通光。 图 3. 带起偏器的调 Q 激光器装置原理图 带起偏器的KD*P电光Q开关工作过程如下： YAG棒在氙灯的激励下产生无规则偏振光，通过偏振器后成为线偏振光，通过偏振器后成为线偏振光，若起偏方向与KD*P晶体的晶轴x（或y）方向一致，并在KD*P上施加一个 4V的外加电场。 由于电光效应产生的电感应主轴x和y与入射偏振方向成 450角。 这时调制晶体起到了一个41波片的作用，显然，线偏振光通过晶体后产生了2的位相差，可见往返一次产生的总位相差为，线偏振光经这一次往返后偏振面旋转了 900，情况下，由介质偏振器和KD*P调制

9、晶体组成的电光开关处于关闭状态，谐振腔的Q值很低，不能形成激光振荡。 虽然这时整个器件处在低 Q 值状态，但由于氙灯一直在对 YAG 棒进行抽运，工作物质中亚稳态粒子数便得到足够的积累，当粒子反转数达到最大时，突然去掉调制晶体上的 1/4 波长电压，即电光开关迅速被打开，沿谐振腔轴线方向传播的激光可自由通过调制晶体，而其偏振状态不发生任何变化，这时谐振腔处于 Q 值状态，形成雪崩式激光发射。 4三 、实验装置 四、实验内容 （一）实验步骤 准直 1调整腔的大致高度，使 He-Ne 激光器的输出光基本上从工作物质，即 YAG 棒的前端中心射入，后端中心射出，用小孔光阑将高度锁定。 2利用光阑将

10、He-Ne 激光器输出光调至与导轨平行，当光阑在近场时，调节 He-Ne 前端时光从小孔中心通过，再将光阑拉至远场，调节 He-Ne 后端，使光从小孔中心通过，反复缓慢拉动光阑，重复调节，达到平行光目的。 3将偏振片和 YAG 棒腔体放置导轨上，微调架的顶拉结构或二维旋钮，使 YAG 棒反射的准直光从光阑小孔中心通过，并进一步微调使准直光从工作物质中心通过，调整时可用硫酸纸观察 4分别将全反镜，平面镜放置导轨上，调整二维旋钮，同样使 He-Ne 反射光从小孔中心通过。 5放置倍频晶体后，尽量使准直光从偏振片及倍频晶体的中心通过，但其反射光不必一定通过小孔中心。 出光出光 静态光静态光 56.

11、将各装置架固定在导轨指定位置，连接好电极及各电源端口，接通电源，打开电源开关，先预燃，几秒钟后打开“开启”开关。 7. 适当加大供给电压， 用上转换片接收静态光。 粗调全反镜的二维旋钮 （记忆旋转角度的大小） 。待部分光斑出现，再微调使输出光达到光强分布均匀的同心圆，一般情况下不调整平面镜。 8. 加上调 Q 装置，不开晶压，由于腔内损耗，光路发生偏折，需中心微调全反镜，达到输出光均匀。 动态光动态光 9. 必须带静态光斑稳定在较好效果，即光把钱分布均匀的同心圆，才可以进行调 Q。否则若静态光分布不均匀，由于调 Q 后的动态光能量大，光的强点会打损倍频晶体。 10. 接入数字示波器，先接收静态

12、光，利用脉冲探头（注意避免饱和） 。按下“自动设置”适当调节示波器的水平，垂直幅值及电平，得到较理想的波形。 11. 退压延时 打开晶压开关，调节电压约为 3700V，降低工作电压，打开退压开关，得出动态光，微调 Q调整架的二维旋钮得到较理想的同心圆波形。用探头承接灯光和动态光波形，调整退压延时旋钮，使动态光脉冲在灯光后沿半功率点处，得到合适的退压延时。 12. 关门 在 600V 工作电压，静态光状态下，开启晶压开关，旋转 Q 装置外环及二维旋钮，适当调节幅值旋钮，电平，逐渐减小波形幅值，尽量使其到最低，然后加大工作电压，同样方法6降低幅值反复如此到工作电压 800V，完全“关住门”，即使谐

13、振腔内阈值升高，不能形成激光。 13 降低工作电压，上转换片换为倍频晶体，打开退压开关，输出动态光，并再次微调全反镜使光斑均匀。 （由于动态光能量大，需用包有塑料膜的相纸接收，以免溅射的烟灰颗粒污染镜片） （二）实验内容 1. 脉冲 Nd：YAG 激光器原理实验 （1） 通过准直调整过程，在 500V 工作电压下达到静态光输出能量最大。 （2） 激光器脉冲宽度测量 静态光状态下，观察输出光波形，测量出其脉宽（微妙量级） 。动态光状态下，测量脉宽（纳秒量级） （3） 把激光器调到最佳，不断降低电压，直到光电探测器无激光波形，这是诸如能量为阈值。 （4） 从阈值电压开始，以 50V 工作电压增量测

14、出 6 个电压值相应激光能量 E出，测量方法：手持挡板隔开激光束和能量计探头，然后快速一开挡板又迅速复位，保证每次操作只放过一个激光脉冲进入探头，每个测量点重复 5 次测量并计算出 E 出的算术平均值，每个测量点的氙灯诸如能量为 1 2E =CU 2其中 C 为储能电容器的电容量，为 100F，V 氙灯电压。 列出 E出和 E 的数据表并作出 E出E 关系曲线，根据曲线求出测出个测量点的绝对效率 1=E出/E 和相邻两测量点之间的斜率效率 2=E出/E 2. 脉冲 Nd：YAG 激光技术实验 （1） 激光电光调 Q 实验 调 Q 实验目的是让全部激光能量压缩在一个窄脉宽时间里释放出来，即静态光

15、的脉宽由微妙量级变为动态光的纳秒量级，从而提高激光器输出的峰值功率。其中调 Q 装置由起偏器和电光晶体组成。 *KD P（2） 激光器晶体角度匹配倍频实验 （3） 激光器选模实验 7五、实验要求 1. 改变脉冲泵浦能量，用能量计分别测量几组静、动态输出能量。并利用公式分别计算出在一泵浦能量下的动态与静态激光输出能量之比称为动静比。, 静态激光能量动态激光能量= 2. 观测或照相记录激光波形 用强流管或光电二极管接收激光，并用 100MHz 以上的宽带示波器（因动态激光脉冲宽度一般为几到几十 ns）观察激光波形。根据下式计算激光脉冲的峰值功率 P0 TEP=脉冲半功率点间宽度单脉冲能量0六、注意事项 1.在调节两腔镜架和聚光腔架时，应注意所用调整架的俯仰、位置等旋钮均为精密微调器件，不宜用力过大，以免损伤器件。 2.前、后腔镜的光学中心与几何中心可能不重合，须以适当的方法找出正确的光学中心，并通过此中心用 HeNe 激光器作准直。 3.电气系统的安装中要注意电线接头与器件的连接， 连接时不宜使线头暴露于接口外， 避免人员触电危险。 4.水冷系统开启后， 在实