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1、电光Q开关技术,实验课件,电光调Q,实验结果 与讨论,简 介,实验内容 与步骤,实验装置 及仪器,实验目的,实验原理,1,6,5,4,3,2,目 录,简 介,固体激光器的应用主要集中在科研与开发、加工、医疗和军用等四个方面。在科研与开发方面，涉及面很广，包括作核聚变研究用的高峰值功率激光器系统、作光谱研究和新材料开发用的超短脉冲激光器和可调谐激光器、作脉冲全息摄影用的红宝石激光器、作高速摄影用的超短脉冲激光器、测量人造地球卫星轨迹和月球表面用的高精度激光测距仪、遥感用的激光雷达等等。,一般固体脉冲激光器由于存在驰豫振荡现象，输出激光为一无规尖峰脉冲序列，其总的脉冲宽度持续几百微秒甚至几毫秒 ，
2、峰值功率也只有几十 千瓦的水平，远不能满足以上应用 要求，正是在这些要求的推动下， 人们研究和发展了调Q 技术。,激光问世不久， 1961 年就有人提出了调 Q 的概念，即设想采用一种方法把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射； 1962 年，制成了第一台调 Q 激光器，输出峰值功率为 600 千瓦，脉冲宽度为 10 -7 s 量级；随后的几年发展得非常快，出现了多种调 Q 方法（如电光调 Q 、声光调 Q 、可饱和吸收调 Q 等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展。80 年代，调 Q 技术产生脉宽为纳秒（ ns ）量级，峰值功率为吉瓦（ GW ）量级的巨脉冲已并非困难。,196
3、1年底，邓锡铭几乎与国外同时，独立提出了高功率激光Q开关原理。他非常形象地解释：把Q开关比喻为一个稍有漏水(自发辐射跃迁)的抽水马桶，当水箱被灌(光泵注入能量)满之后水箱底部的盖快速揭开(Q值突变)，水(激光能量)就一涌而出(激光峰值功率输出)。采用调技术很容易获得峰值功率高于兆瓦、脉宽为数十个纳秒的激光巨脉冲。,调 Q 技术的出现是激光发展史上的一个重大突破。它不仅大大推动了一些应用技术的发展且成为科学研究的有力工具。,邓锡铭,在示波器上观察的调后的巨脉冲,实验目的,1、理解电光调Q的基本原理； 2、了解退压式电光调Q的原理及方法； 3、学会电光Q开关实验装置的调试； 4、掌握相关技术参数的
4、测试方法。,实验原理,调原理和方法,通过某种方法，在光泵激励刚开始时，先使光腔具有高损耗H, 激光器由于处于高阈值而不能产生振荡，于是激光上能级亚稳态上的粒子数可以积累到较高的水平。当其粒子数积累到相应于泵浦而言最大值时，使腔的损耗突然降低到L，阈值也随之突然降低。此时反转粒子数大大超过阈值，受激辐射极为迅速地增强。于是在极短时间内，上能级贮存的大部分粒子的能量转变为激光能量，在输出端有一个强的激光巨脉冲输出。,目前的调技术,电光调（主动调）,电光调开关通常也称为普克尔盒开关，它的基本原理是利用某些单轴晶体的线性电光效应，使通过晶体的光束的偏振状态发生改变，从而达到接通或切断腔内振荡光路的开关
5、作用。,线性电光开关基本上又可分为两类：一类是利用KD*P(磷酸二氘钾）型晶体的纵向线性电光效应，即光束方向及外加电场方向均与晶体光轴同向；另一类是利用LiNbO3 （铌酸锂）型晶体的横向线性电光效应， 即光束与晶体光轴同向，而外加电场方向与光轴及光束方向相垂直。,一般多使用带起偏器的/电光开关，这种开关又分为退压和加压两种工作方式。下图为退压式电光开关，电光晶体施加/调制电压，由棒透过起偏器的线偏振光两次通过电光晶体后，偏振面正好偏转90变成光，被偏振片反射到腔外，激光器处于高损耗关门状态，当突然去掉晶体上的调制电压后，开关迅速打开，振荡光路接通，从而产生强的短脉冲激光振荡输出。,退压式调示
6、意图,损耗高 不能振荡,损耗低 输出巨脉冲,聚光腔,实验装置及仪器,聚光腔,光阑,全反镜,电光晶体,输出镜,准直光源,偏振片,可存储示波器,能量计,脉冲光电探头,连续光电探头,短脉冲光电探头,实验内容与步骤,1、谐振腔的调试,用LD激光束调整激光器各光学元件的高低水平位置，使各光学元件的对称中心基本位于同一直线上。再调整各光学元件的俯仰方位，使介质膜反射镜、偏振器、电光晶体的通过面与激光工作物质端面相互平行（即粗调）。,启动电源，在不加 晶体电压情况下，反复调整两块谐振腔片（即细调），使静态激光输出光斑最圆、最强。一般称不加调Q元件的激光输出为静态激光；而加调Q元件的激光输出为动态激光或巨脉冲
7、激光。,实验内容与步骤,2、 关门实验给电光晶体加上核定的 电压，大约3600V左右。调节KD*P晶体时，应首先旋转KD*P晶体，找到波形最小的KD*P晶体位置，将KD*P晶体固定在调整架上。然后调节输入电压，从小到大，每隔20V时，调节KD*P晶体的水平和俯仰旋钮，用脉冲探测器探测波形，直至示波器上的脉冲波形调没，一直加大电压直到电压加到波形无法调没为止。此即说明电光Q开关已处于光闭状态（低Q值状态）。 注意：调整过程中探头的距离不要太远，示波器的伏/格不能太大。,4、延时调节由电光调Q基本原理可知，要获得高效率调Q的关键之一是精确控制Q开关“打开”的延迟时间，即从氙灯点燃开始延迟一段时间，
8、当工作物质上能级反转的粒子数达到最大时，立即“打开”开关的效果最好。接通电光晶体的退压电路，打动态激光，微调氙灯开始泵浦至退去 电压之间的延迟时间电位器，一面观察激光强弱，一面微调延迟电位器旋钮，直到激光输出最强。,实验内容与步骤,5、测量调节好关门和延时后，再调节全反镜，使光斑均匀圆整。改变脉冲泵浦能量，用能量计分别测量五组静态输出电压（转换为能量，每组测35个数据）、脉宽、峰值功率；动态输出能量、脉宽、峰值功率，将静态和动态数据分别列表。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,实验结果及讨论,1、静态,阈值电压：440V,探头参数：8.4mV/mJ,表1 静态激光注
9、入能量与输出能量数据表,实验结果及讨论,2、动态,阈值电压：480V,探头参数：8.4mV/mJ,表2 动态激光注入能量与输出能量数据表,注意：表1和2的数据可在同一个注入电压下同时测量。,实验结果及讨论,表3 动态激光注入电压与脉宽关系,实验结果及讨论,表4 实验结果汇总,输出光斑：静态 动态,图1 动、静态能量输出曲线 图2 动静比曲线,实验结果及讨论,实验结论：,从脉冲宽度、峰值功率、输出光斑等方面比较动态和静态结果，说明调Q技术的作用。,思考问题,1. 为什么调Q时、增大激光器的腔内损耗的同时能使用上能级粒子反转数 积累增加？试加以说明。,2. 试述改变退压延迟时间t0和加在晶体上的电
10、压值V/4，为什么会影响调Q激光器的输出？,注意事项,脉冲Nd:YAG激光器辐射的激光功率非常高，使用过程中稍有不慎，激光束就会损伤身体或物品，轻则烧坏衣物，烧伤皮肤，重则造成眼睛永久性失明；如果照射到某些危险物上甚至会引起火灾和爆炸。激光器泵浦闪光灯电源、触发电源和调Q电源都使用高压电，意外触及可造成人身伤害。因此，在实验中应注意以下安全事项：,1、仪器启动后，不准向激光腔内窥视。,2、绝对禁止直接或反射的激光射入眼内，有关人员应配戴激光防护镜。,3、严禁学生实验时打开电源箱外壳，以防剩余电压伤人或损伤仪器。,4、激光器工作时随时注意仪器的运转情况，特别是循环水的流动与否和电源放电声音是否正常。遇异常情况，请迅速关机；待查明异常情况原因并排除后再行开机工作。,参考文献,激光原理 沈柯 激光技术 蓝信钜 激光器件与技术 刘敬海 徐荣甫 光信息专业实验讲义 长春理工大学理学院,Thank You ！,
