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1、电光调Q脉冲YAG激光器与倍频实验赵凯（201421140047）摘要本实验研究闪光灯泵浦的调Q脉冲Nd3+：YAG 激光器，了解其工作原理，掌握该激光器的装配和调试方法以及相应的激光参数测量，学习应用非线性光学晶体产生倍频光的基本原理。本实验通过调Q，极大地压缩激光脉冲的脉宽，得到高峰值功率的激光脉冲。并总结激光输出能量与氙灯注入能量的关系，以及绝对效率和斜率效率随注入能量的变化规律，并总结倍频输出与倍频晶体角度的关系。一、引言固体激光器是以固体材料作为工作物质的激光器，它具有输出能量大、峰值功率高、器件结构紧凑等优点，在工业激光材料加工、激光医学、激光化学、科学研究以及国防等方面有着重要的
2、应用。迄今，已实现激光振荡的固体激光工作物质有数百种之多，其中以掺钕钇铝石榴石（Nd3+：YAG）应用最多。Nd3+：YAG 是一种典型的四能级激光工作物质，由于它的热传导性好、激光阈值低和转换效率高，所以用它可以做成高重复频率的脉冲激光器和连续激光器。如果在脉冲激光器内采用调Q和放大技术，很容易获得时间宽度为10ns量级而峰值功率达几百 MW 量级的TEM00激光脉冲。再通过等非线性光学晶体对波长为1.06m的Nd3+：YAG激光基波进行二倍频、三倍频和四倍频，则可得到532nm、 355nm和266nm四种波长的脉冲激光器。此外，还可以用上述二倍频或三倍频光去泵浦染料激光器，获得从紫外到近
3、红外的波长连续可调谐的脉冲激光。这种以Nd3+：YAG 激光器为基础的脉冲激光系统以其高峰值功率、高重复频率和宽范围波长调谐特性等优点在科学技术、医学、工业和军事上得到了广泛的应用。 二、实验原理1Nd3+：YAG激光器的工作原理和结构 掺钕钇铝石榴石晶体是以钇铝石榴石（简称 YAG，其分子式为 ）单晶为基质材料，掺入适量的三价稀土离子Nd3+所构成。YAG是由和按摩尔比为3：5化合生成的，当掺入作为激活剂的后，则在原来是的点阵上部分地被Nd3+代换，而形成了淡紫色的Nd3+：YAG 晶体。其掺杂浓度为0.725（重量） ，Nd3+密度约为个。Nd3+：YAG 晶体具有：热导率高，有利于连续运
4、转；熔点较高，为1970，能承受较高的辐射功率；荧光线宽较小，约为6.5，所以阈值低；荧光量子效率高，一般大于0.995，接近1，是目前固体激光器中较理想的工作物质。在Nd3+：YAG 激光器中，真正起激光作用的是Nd3+离子，它的有关能级结构如图1所示。用具有连续光谱的氙灯或氪灯照射Nd3+：YAG 晶体，Nd3+离子就从基态 E1跃迁到激发态E4的一系列能级，其中最低的两个能级为和，相应于中心图1 Nd3+的有关能级波长为 0.81m和0.75m的两个光谱吸收带。由于E4的寿命仅约为1ns，所以受激的Nd3+离子绝大部分都经过无辐射跃迁转移到能级为的E3态。E3态是一个亚稳态，寿命达250
5、500s，很容易获得粒子数积累。能级为的E2态的寿命为50ns，即使有粒子处于E2，也会很快弛豫到能级为的E1态上。因此，相对于E3而言，E2态上几乎没有粒子。这样，就在E3和E2之间形成了粒子数反转。正是E3E2的感应辐射在激光谐振腔中得到增益而形成了激光，其波长为1.06m。只要泵浦光存在，Nd3+离子的能态就总是处在E1E4E3E2E1的循环之中。这是一个典型的四能级系统。 图2 Nd3+：YAG激光器的结构示意图 图3 椭圆柱面反射镜截面图图2为典型的Nd3+：YAG激光器的结构示意图。通常Nd3+：YAG晶体被加工成直径 6mm、长80mm左右的棒状，两端磨成光学平面，平面的法线与棒
6、轴有一个小的夹角；面的侧面全部打毛，以防止寄生振荡。激发（泵浦）用的氙灯或氪灯做成和 YAG 棒长度相近的直管形, 以便与棒达到最佳的配合。为了有效地利用灯的光能，把棒和灯放在一个内壁镀金的空心椭圆柱面反光镜中。它们各占据椭圆柱的一根焦线。图3表示了这一结构的横截面。氙灯发出的光通过椭圆柱面镜的反射，原则上百分之百地到达YAG捧上。为了形成激光振荡，需要把YAG棒置于一定的谐振腔之中。一般采用平凹稳定腔或虚共焦非稳腔。由于 Nd+：YAG的单程激光增益很高，作为激光输出的前腔镜M1可设计成具有百分之几十的透过率，甚至可以是一块“白片”。后腔镜M2则是全反射镜。YAG激光器运转方式多样，可以连续
7、、脉冲、调Q或锁模方式工作。如果泵浦光源是连续工作的（在这种情况下，一般采用连续工作的氪灯），则它可以不间断地对Nd3+离子的E3和E2能级提供粒子数反转，从而得到连续的激光输出。如果采用脉冲工作的泵浦光源(一般采用脉冲氙灯)，就可以得到脉冲激光输出。自由振荡的YAG激光器输出为典型的尖峰脉冲序。尖峰脉冲宽度为微秒量级，尖峰间距十几到几十微秒。由于在阈值以上的泵浦时间内都有激光产生，因而激光脉冲的持续期长而峰值功率低，不适合于大多数的实际应用。为了得到脉宽窄而峰值功率高的激光脉冲，就必须采用“调Q”的方法。2电光调Q原理把上述宽脉冲激光的能量压缩在极短的时间内，从而提高其峰值功率的方法称为“调
8、Q”，即按一定的方式改变激光谐振腔的品质因数（Q值）。通常，在谐振腔内置入一个光开关，从氙灯引燃到其瞬时光强达到极大的期间这个光开关是关闭的。因此，对光的传播而言，腔内有很大的损耗(低Q值)。此时的谐振腔不能产生激光振荡，或激光振荡的阈值非常高。与此同时，YAG 棒中的能级粒子数反转却不断地增大。当氙灯的光强达到极大值时，粒子数反转也达到了极大。如果这时光开关被打开，使腔处于低损耗（高Q值）状态，腔的振荡阈值迅速下降，激发态上的Nd3+离子便会以极快的速度在很短的时间内跃迁回基态，同时发射出相应频率的光子。光学谐振腔保证了光场的相干增强，最终形成一个持续期极为短促、峰值功率极高的激光脉冲。作为
9、一个对比，用不调Q的脉冲激光器产生的激光脉冲，其脉宽约为量级，而调Q激光器产生的激光脉冲，脉宽仅为l0ns左右。如果脉冲的总能量为1J，那么调Q脉冲的峰值功率便可达到100MW。调Q的方法有多种，常用的是声光调Q和电光调Q，而最为常用的是电光调Q。电光Q开关的详细结构如图4所示。图中的偏振器使腔内的激光振荡具有起偏器允许通过的偏振方向，一般选为垂直方向。电光晶体的种类很多，但用的最多的图4 电光Q开关是（磷酸二氘钾）人造单晶。当电光晶体上加有/4电压，而M2是一个全反射镜，经M2反射后再次从右向左地穿过晶体的两个分量将累积有的相位差，合成之后成为一个水平线偏振光，因而不能通过起偏器(P在这时起
10、着一个检偏器的作用)。这相当于Q开关被关断，谐振腔处于低Q值状态。如果突然（必须非常快，例如在1ns 以内）将 /4 电压撤去，则，光束来回穿过电光晶体都不会附加有任何偏振方向的改变，也即Q开关处于通行状态，而谐振腔则处于高Q值状态。通常是利用带有辅助电极的火花隙放电装置，瞬时将加在电光晶体上的电压对地短路来实现谐振腔的Q值突变，其装置简图如图5所示。电光晶体在入射波长=1.064 m时，/4电压为3.4kV。图5 花火隙放电装置3 激光倍频原理强光与非线性光学介质作用时，介质中感应极化强度P与强光电场强度E的关系表示成如下形式 (1)式中、.分别为线性、二次非线性、三次非线性等电极化系数，并
11、且。在弱电场作用下，只有方程中的第一项起作用，因此只出现普通光学范畴的线性效应；在强电场作用下，方程中的高阶项的作用才能显现出来：第二项为二阶非线性电极化，将出现倍频、和频、差频、参量振荡和电光效应等现象；第三项为三阶非线性电极化，将出现四波混频、高阶谐波和受激散射等现象。下面仅讨论二阶非线性项。为讨论方便，将式（1）中的第二项写成标量形式，即 （2）设有一角频率为的强激光单色平面波沿方向z进入介质，在一维情况下有 （3）将上式带入式（1）得到 （4）由此可以看出，极化强度含有角频率为的倍频电磁波。理论分析表明，倍频效率为 （5）式中和分别为泵浦光和倍频光的功率，L为倍频晶体的通光长度，为有效
12、非线性系数（与有关）。从（5）式中可以看出，为了获得最好的倍频效果，除了泵浦光要足够强、晶体的非线性极化系数要大外，还要满足的位相匹配条件。式中和为分别为泵浦光和倍频光的波数，和为分别为泵浦光和倍频光的折射率。要实现的位相匹配条件，就要求泵浦光和倍频光的折射率相等，即。而对一般光学介质而言，其折射率随频率而变，无法实现位相匹配。利用各向异性晶体的双折射特性，并使泵浦光和倍频光有不同的偏振态，就可以得到。实验中所用的倍频晶体为KDP负单轴晶体，主折射率 ，它对泵浦光和倍频光的折射率可以用图6所示的折射率椭球截面来表示。 图6 负单轴晶体的折射率椭球截面图中实线是倍频光的折射率面，虚线是泵浦光的折
13、射率面。由图可见，如果泵浦光是o光，倍频光是e光，那么当波面沿着与光轴成角的方向传播时，二者的折射率相等，传播速度相同，实现了位相匹配，称为位相匹配角。 三、实验1. 实验装置图7 实验装置示意图整个装置是一台教学用调QNd3+：YAG脉冲激光器系统。它除了激光器本身以外，还包括有电源控制台和冷却水循环装置、准直用的半导体激光器、YAG激光腔外的倍频晶体，以及激光能量计和测激光脉冲用的快速硅光电二极管、数字示波器等，如图7所示。电源控制台中包含有： (l) 大功率高压直流电源。它是为点燃氙灯而用的。电源的电压在 0850V的范围内可以连续变化，功率容量在KW的量级。利用市电整流所获得的直流电能
14、对一个储能电容器充电，然后通过短暂而重复地导通可控硅元件或闸流管，使电容器对氙灯放电，从而得到强烈的闪光来泵浦YAG棒。在我们的系统，储能电容器的容量为100f，氙灯的重复频率为12s-1。 (2) Q开关高压电源。它为电光晶体提供/4电压。这个电源的功率容量不需要很大，所以它是利用高频 ( 数十KHz) 震荡的方式把低压直流电转变为高频电压，再经过整流形成直流高压供电光晶体使用。 （3）触发脉冲发生器。用以产生触发氙灯点燃和Q开关导通所需的两组电脉冲。这两组电脉冲出自同一个脉冲发生器，因而是相互严格同步的，但是它们之间的相对延时可以调节，以便恰好在氙灯点燃一段时间 (102 s量级) 之后，
15、YAG棒的粒子数反转达到极大时打开Q开关，从而得脉宽最窄，峰值功率最大的调Q激光脉冲。最佳的延时量随着氙灯放电能量的不同而有所变化。冷却水循环装置采用内循环水路。用离心水泵使掺有重铬酸钾的蒸馏水或去离子水在水箱和YAG的椭圆反光镜密封水套之间不断循环，将氙灯和YAG棒产生的热量带到水箱中，而水箱的储热则由制冷系统带到周围环境中。水泵的电开关和电源控制台的总开关有联动的关系。仅在水泵正常运行的条件下，电源控制台才能被接通，这样就保证了氙灯和YAG棒的安全工作。在激光的运行过程中，如果发生断水或水压下降，水压继电器也会自动切断并发出警报信号。以上这些安全措施对于大功率的激光器都是十分必要的。2. 实验内容本实验的主要内容是通过实际的操作了解电光调Q Nd3+:YAG 脉冲激光器的工作原理和器件的结构；学习脉冲激光器主要参数与工作特性的测量方法；学习倍频光的产生方法。（1）YAG激光器的装调 在图7中利用外加的半导体激光器（650nm）作为基准光源进行光路准直。调整半导体激光器和反射镜M3，使半导体激光束与YAG棒同心共轴。微调腔镜M2，使经M2反射的半导体激光
