Nd+YAG激光器的特性试验：电光调Q及倍频技术———————————————————————————————— 作者：———————————————————————————————— 日期： 一、实验目的：1、掌握电光Q开关的原理及调试方法2、学会电光Q开关装置的调试及主要参数的测试3、掌握倍频的根本原理和调试技能4、了解影响倍频效率的主要因素二、实验原理1. 电光调Q 调Q技术的开展和应用，是激光开展史上的一个重要突破一般的固体脉冲激光器输出的光脉冲，其脉宽持续在几us甚至几ms,其峰值功率也只有kw级水平，因此，压缩脉宽，增大峰值功率一直是激光技术所需解决的重要课题调Q技术就是为了适应这种要求而开展起来的调Q根本概念 ：用品质因数Q值来衡量激光器光学谐振腔的质量优劣，是对腔内损耗的一个量度调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，可表达为：式中v0为激光的中心频率如用E表示腔内贮存的激光能量，γ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γE用L表示腔长；n为折射率；c为光速那么光在腔内走一个单程所用时间为nL／c由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为γEc/nL.这样Q值可表示为 式中为真空中激光波长。
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蜂脉冲序列，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场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，腔内会像雪崩一样以飞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，并在透反镜端面耦合输出一个极强的激光脉冲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称为Q突变技术或Q开关技术用不同的方法去控制不同的损耗，就形成了不同的调Q技术 有转镜调Q技术，电光调Q技术、可饱和染料调Q技术、声光调Q技术、透射式调Q技术本实验以电光Q开关激光器的原理、调整、特性测试为主要内容利用晶体的电光效应制成的Q开关，具有开关速度快；所获得激光脉冲峰值功率高，可达几Mw至Gw，脉冲宽度窄，一般可达ns至几十ns,器件的效率高，可达动态效率1％，器件输出功率稳定性较好，产生激光时间控制程度度高，便于与其它仪器联动，器件可以在高重复频率下工作等优点．所以这是一种已获广泛应用的Q开关。
YAG棒在闪光灯的鼓励下产生无规那么偏振光，通过偏振器后成为线偏振光，假设起偏方向与KD*P晶体的晶袖x(或y)方向一致，并在KD*P上施加一个V1/4的外加电场由于电光效应产生的电感应主轴X′和y′与入射偏振光的偏振方向成450角，这时调制器起到了一个1/4波片的作用，显然，线偏振光通过晶体后产生了π/2的位相差，可见往返一次产生的总相差为π，线偏振光经这一次往返后偏振面旋转了90，不能通过偏振器这样，在调制晶体上加有I/4波长电压的情况下，由介质偏振器和KD*P调制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，但由于闪光灯一直在对YAG棒进展抽运，工作物质中亚稳态粒子数便得到足够多的积累，当粒子反转数到达最大时，突然去掉调制品体上的l／4波长电压，即电光开关迅速被翻开，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比，达时谐振腔处于高Q值状态，形成雪崩式激光发射 原子是由原子核和核外电子构成当频率为w的光入射介质后，引起介质中原子的极化，即负电中心相对正电中心发生位移r形成电偶极矩m＝er ，其中e是负电中心的电量．我们定义单位体积内原子偶极矩的总和为极化强度矢量P＝Nm，N是单位体积内的原子数。
极化强度矢量和入射场的关系式为其中…分别称为线性极化率、二级非线性极化率、三级非线性极化率…并且在一般情况下…,每增加一次极化,值减小七八个数量级由于人射光是变化的，其振幅为，所以极化强度也是变化的根据电磁理论，变化的极化场可作为辐射源产生电磁波——新的光波．在入射光的电场比拟小时(比原于内的场强还小)，等极小，P与E成线性关系为， 新的光波与入射光具有一样的频率，这就是通常的线性光学现象但当入射光的电场较强时，不仅有线性现象，而且非线性现象也不同程度地表现出来新的光波中不仅含有入射的基波频率，还有二次谐波、三次谐波等频率产生，形成能量转移，频率变换这就是只有在高强度的激光出现以后，非线性光学才得到迅速开展的原因设有以下两波同时作用于介质：介质产生的极化强度应为二列光波的叠加有经推导得出，二级非线性极化波应包含下面几种不同频率成分：从以上看出，二级效应中含有基频波的倍频分量(21)．(22)、和频分量(1十2)、差频分量(1—2)和直流分量故二级效应可用于实现倍频、和频、差频及参量振荡等过程当只有一种频率为的光人射介质时，那么二级非线性效应就只有除基频外的一种频率(2)的光波产生，称为二倍频或二次谐波。
为了获得最好的倍频效果，除了入射光要足够强〔功率密度高〕、晶体的非线性极化细述要大外，还要使特定偏振方向的线偏振光以某一特定角度入射，这个特定的角度由相位匹配条件决定从理论分析可得倍频效率的关系式如下L为倍频晶体的通光长度，只有当△K＝2K1－K2＝4π/λ1(nω-n2ω)=0,即nω＝n2ω时，效率最高我们将之称为位相匹配条件怎样实现相位匹配呢？对于介质，由于存在正常色散效应，是不能实现相位匹配的对于各向异性晶体，由于存在双折射，可以利用不同偏振态之间的折射率关系实现相位匹配目前常用的负单轴晶体，如KDP，它对基频光和倍频光的折射率可以用图3－1的折射率面来表示图中实线是倍频光的折射率面，虚线是基频光的折射率面球面为o光折射率面，椭球为e光折射率面折射率面的定义为，它的每一根矢径长度〔从原点到曲面的距离〕表示以此矢径方向为波法线方向的光波的折射率从图中可以看出，如果基频光矢o光，倍频光是e光，那么当波面沿着跟光轴成θ角的方向传播时，二者折射率一样,θ称为相位匹配角这种方法成为第一类角度相位匹配，即o+o->e图2－1 负单轴晶体的折射率面三、实验装置图2-2 实验装置图KDP: 倍频晶体〔或KTP〕M1:输出镜〔输出透过率T=80%〕YAG:闪光灯、聚光腔和YAG棒组件B:布氏角偏振片Q:调Q晶体〔布氏角偏振片与调Q晶体组成调Q单元〕M2:全反射镜〔M1和M2组成激光谐振腔〕实验装置见图3－2，并说明如下：123456图2－3 实验装置①一④构成YAG激光器振荡级．其中：①是1.06微米全反射镜；②是DKDP电光调Q晶体及介质膜起偏器；③为YAG激光器的主体．包括YAG棒、氙灯、聚光腔和冷却系统；④是输出端平面反射镜．对1.06微米激光T＝80%。
经边束调制的YAG调Q激光器产生的1.06微米激光是全偏振光，通常为偏振方向在竖直方向上的o光，以满足倍频晶体相位匹配的要求⑤KTP倍频晶体，将1.06微米的红外激光转变成0.53微米的绿光．晶体的入射面镀有对1.06微米的增透膜，出射面镀有对0.53微米的增透膜，倍频效率约5％～15％KTP晶体易损伤,操作时要细心 ⑥能量计 四、实验内容与步骤1、用He-Ne激光束或自准直平行光管，调整激光器各光学元件的上下水平位置，使各光学元件的对称中心根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、电光晶体的通光面与激光工作物质端面相互平行，不平行度小于一弧分 2、启动电源，在不加/4晶体电压情况下，工作电压取550V，反复调整两块谐振腔片，使静态激光输出最强，记下输出激光能量一般称不加调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激光3、关门试验，加上偏振片及调Q晶体，给电光晶体加上恒定的／4电压(V/4)，绕光轴转动KD*P晶体，充电并打激光，反复微调电光晶体，直至其x、y轴有偏振器的起偏方向平行同时适当微调电压V/4，直到激光器几乎不能振荡为止(出光明显比静态激光能量低)。
此即说明电光Q开关已处于关闭状态(低Q值状态)4、接通电光晶体的退压电路，打动态激光，微调闪光灯开场泵浦至退去 V/4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，直到激光输出最强记下巨脉冲能量值5、改变脉冲泵浦能量，每增加工作电压50V测量一次，用能量计分别测出几组静、动态输出能量一直测到800V，计6组数据由于本实验具有强光和高压电，为保证平安，必须首先仔细阅读实验室考前须知、然后才开场操作1、调整激光器出射光方向，使其和基座导轨同方向并与导轨上各光学器件处于等高的水平方向，这样便于接收调节．检测YAG激光器输出光能量是否正常微调YAG放大器基座，与激光器保持共轴，使输出能量最正确．对1.06微米不可见的红外激光除可用能量计准确测定其能量值外．还可用烧斑纸对光的有无和能量的大小进展粗略捡查2、将倍频晶体、能量计放置在同一水平高度上使KTP晶体处于o+o->e的第一类相位匹配方式3、由于晶体切割时，截面的法线与晶体的光轴夹角即为该晶体的相位匹配角，入射光只要垂直射到晶体上，就可获得最好的倍频效果转动倍频晶体，使1.06微米的基频光以不同角度入射于晶体从光强的变化中也可看出，当倍频光由弱的圆环或散开的光斑缩为一耀眼的光点时，即到达了最正确匹配状态。
鉴于光束的发散，能量计与倍频晶体一般保持在10cm处在测量的过程中，能量计放置的角度也会随着出射光方向的改变稍有变化4、将倍频晶体固定在最正确倍频位置，用能量计分别测出1.06微米的输人光强及0．53微米的倍频光强、计算出倍频效率反复测三遍．取平均结果五、实验报告要求1. 利用公式分别计算出在同一泵浦能量下的动态与静态激光输出能量之比，称为动静比动态激光输出能量/静态激光输出能量2. 总结相位匹配原理，对实验数据进展列表整理六、思考题1. 试述改变退压延迟时间t0和加在晶体上的电压值为什么会影响调Q激光器的输出？2. 如何知道本实验的倍频为第一类相位匹配?假设改用第二类相位匹配，应如何做?。