实验一固体激光器综合实验一.主要功能和特点此套系统适用于光信息科学与技术、电子科学与技术、应用物理等相关专业可测量阈值、转换 效率，倍频效率等参量，开设电光调Q,选模等实验使学生全面了解激光原理和激光技术，掌握电 光调Q系统的调试方法电光调Q固体脉冲激光器外罩机壳，整体美观大方，并可保护内部装置系统结构紧凑，采用内 置三角导轨，具有良好的稳定性所有器件均采用标准件，互换性强，并且都可以拆卸，便于学生动 手装调本装置的准直光源采用650nmLD代替传统的He-Ne激光器，具有体积小、使用安全、调节方便、 光强可调等优点本装置采用脉冲氙灯泵浦Nd3弋YAG输出1064nm激光，经倍频后可以输出532nm激 光采用KD*P电光晶体进行电光调Q，可实现ns级脉宽激光的输出二：实验原理（一）：激光原理简介1：激光原理（1）自发辐射根据已知的理论，原子只能存在分立的能态，处在不同能态的原子具有不同的能量若原子处于 内部能量最低的能量状态，称此原子处于基态，其它比基态能量高的状态，都叫做激发态在热平衡 时，材料中处于下能态的原子数远比上能态的多，电磁波与其发生作用，能使原子从低能级上升到高 能级这种原子在两个能级之间的变化叫做跃迁。
可以说，处于基态的原子，从外界吸收能量以后， 将跃迁到能量较高的激发态在高能态上的原子是不稳定的，它总是力图使自己处于最低的能量状态；即使在没有任何外界作 用的情况下，它也有可能从高能态E2跃迁到低能态并把相应的能量释放出来这种在没有外界作用 的情况下，原子从高能态向低能态的跃迁方式有两种：一种是在跃迁过程中，释放的能量以热量的形 式放出，这称为无辐射跃迁；另一种跃迁过程中，释放出的能量是通过光辐射的形式放出，这称为自 发辐射跃迁辐射的光子能量满足波尔关系：E2 -弓二加 1 （1.1）图2.1自发辐射图2.2受激吸收图2.3受激辐射原子自发辐射的特点是原子的自发辐射几率a21只与原子本身性质有关，与外界辐射场无关即 原子自发辐射是完全随机的，各个原子在自发跃迁中彼此无关，这样产生的自发辐射光在相位、偏振 态以及传播方向上都是杂乱无章的，光能量分布在一个很宽的频率范围内2） 受激吸收当原子系统受到外来的能量为hY21的光子照射时，如果hY21=E2-E1，则处于低能态E1上的原子受 到激发，跃迁到高能态E2上去，同时吸收一个能量为hY21的光子，这种过程称为光的受激吸收原子的受激吸收几率与外来的光辐射能量密度p （v ）的数值大小有关，p （v ）越大，几率W12就 越大。
所以，与自发辐射几率不同，原子的受激吸收几率是随p （v ）而变化的3） 受激辐射在光的受激吸收过程的同时，还有一个相反的过程，即当原子受到外来的能量为hY21的光子照射 时，如果hY21=E2-E1，则处在高能态E2上的原子也会受到外来的能量为hy2危勺光子的诱发，而从高能 态E2跃迁到低能态e1上去这时原子将发射一个和外来光子能量相同的光子，这种过程叫做受激辐 射有这种辐射过程产生的光便是激光⑺在激光器中，外部泵浦源使激光材料中的粒子（原子）从低能态跃迁到高能态，即泵浦辐射导致 “粒子数反转”使频率适中的电磁波入射到该“反转”的激光材料上，入射光子将使高能级的原子 降落回低能级而发射出附加的光子，形成光波放大最终，能量从原子系统萃取出来，供给到辐射场 这一切都是以之前所述的原子系统受激吸收一一受激辐射一系列机制为根据的简言之，当材料受到激励，使得它的原子（分子）在高能级的分布多于低能级时，该材料就能够 以与能级差相应的频率使辐射放大，从而产生激光⑺2:调Q技术原理1）调Q的意义普通脉冲固体激光器输出的脉冲，是由许多振幅、脉宽和间隔作随机变化的尖峰脉冲组成的，如 图 2.1每个尖峰的宽度约为0.1-1 〃s,间隔为微秒量级，脉冲序列的长度大致与闪光灯泵浦时间相等，淀3S盥骚舞 辙®回小鬓®®裁小米这种现象称为激光器迟豫振荡。
如此，激光器的能量分散在这样一串脉冲中，因而不可能有很高的峰 值功率，这是因为通常的激光谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时， 激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很大的反转粒 子数，只能被限制在阈值反转数附近［刀调Q能够抑制弛豫振荡，将输出激光的脉宽 从微秒量级压缩到纳秒量级，从而大大提高峰 值功率2) 调Q的原理从激光产生的原理得知，激光器振荡的阈 值条件可以表示为△, N 」 (2.1)21 c而C =幺，所以c 2兀v- 、g 2兀叫'A-D一 (2.2)21式中g是模式数目，A21是自发辐射几率，T是 光子在腔内的寿命我们引入品质因数Q，将 它定义为㈤C Q (腔内存储的能量)Q = 2nv0〔每秒损耗的能量J式中，v0为激光的中心频率用W表示腔内存图2・2 Q开关激光脉冲建立过程储的能量Q表示光在腔内传播单次能量的损耗率，那么光在一个单程中 的能量损耗为0 W设L为腔长，n为介质折射率，c为光速，则光在腔内走一单程所需的时间为nL/c 由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为5*这样，Q值就可表示为nL / c=2"-^- o 5 Wc / nL2兀nL ~5k~ 0（2.3）式中，人0为真空中激光中心波长。
由（2.2）式和（2.3）式可见，当人和L 一定时，Q值与谐振腔损 耗成反比，即损耗大，Q值就低，阈值高，不易起振；当损耗小，Q值就高，则阈值低，易于起振 由此提高振荡阈值，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，突 然使腔内损耗变小，Q值突增这时，腔内会像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，并在输出镜一端输出一个极强的激光脉冲，我们称 之为巨脉冲3）调Q激光的建立调Q技术就是通过某种方法（如改变损耗）使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术在泵浦 开始时使腔处于低Q值状态，即提高振荡阈值使振荡不能形成，上能级的反转粒子数就可以大量积 累，能量可以储存的时间决定于激光上能级的寿命；当积累到最大值（饱和值）时，突然使腔的损耗 减少，Q值突增，激光振荡迅速建立起来，在极短的时间内上能级的反转粒子数被消耗，转变为腔内 的光能量，从腔的输出端以单一脉冲形式释放出来，于是就获得峰值功率很高的巨脉冲调Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如图2.2所示图（a）表示泵浦速率w p随时间的变化；图（b）表示腔的Q值是时间的阶跃函数；图（c）表示粒子反转数An的变化；图（d） 表示腔内光子数4随时间的变化。
在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值（Q状态，故阈 值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直到％时刻，粒子数反转达到最大值An.，在 这一时刻，Q值突然升高（损耗下降），振荡阈值随 之降低，于是激光振荡开始建立由于An =A\ （阈 值粒子反转数），因此受激辐射增强非常迅速，激光 介质存储的能量在极短的时间内转变为受激辐射场 的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲由图还可看出，调Q脉冲的建立还有个过程，当 Q值阶跃上升时开始振荡，在r ='振荡开始建立至以后一个较长的时间过程中，光子数4增长十分缓 慢，如图2.3所示，其值总是很小（^-^），受激辐射几率很小，此时仍是自发辐射占优势只有振 i荡持续到t=tD 4增长到了 4 D，雪崩过程才形成4才迅速增大，受激辐射才迅速超过自发辐射而占图 2.3从开始震荡到脉冲形成优势因此，调Q脉冲从振荡开始建立到巨脉冲激光形成需要一定的延迟时间& （也就是Q开关开 启的持续时间）光子数的迅速增长，使俱迅速减少，到t时亥U，An =△%，光子数达到最大值4^ 之后，由于An〈An,，则4迅速减少此时An = An,，为振荡终止后工作物质中剩余的粒子数。
可见， 调Q脉冲的峰值是发生在工作物质的反转粒子数等于谐振腔的阈值反转粒子数（An =AnQ的时刻综上，既然谐振腔的Q值与损耗8成反比，那么只要按照一定的规律改变谐振腔的5值，就可以 使Q值发生相应的变化；而谐振腔的损耗包括反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等，这样，我们便可 以通过各种不同的方式控制不同类型的损耗变化，如此，就形成了种种不同的调Q技术如电光调Q、 声光调Q、机械转镜调Q、可饱和吸收调Q等而在本文中，我们将只对电光Q开关的相关技术进 行探讨3晶体的电光效应光在介质中的传播规律受到介质折射率的分布情况的限制，而介质折射率的分布与其介电常数密 度相关理论和实践均证明：晶体的介电常数与加在晶体上的电场强度有关所以，当加在晶体上的 电场变化时，随之将引起晶体折射率的变化，结果将导致光波在其中传播规律的改变外电场的变化 引起介质光学性能——折射率变化的现象称为电光效应该过程中，通过晶体的光波两分量产生位相 差，偏振方向发生变化如图2.4图2.4纵向电光调制器的结构下面，以KD*P晶体的纵向电光效应为例进行介绍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:%2+y2+三=1 (2.4)n 2 n 2其中，气、ne分别为寻常光和非寻常光的折射率。
加电场后，由于晶体对称性的影响，42m晶类只有Y ,Y两个独立的线性电光系数y是电场方向平行于光轴的电光系数，y |是电场方向垂直于光轴 63 41 63 41的电光系数KD*P晶体加外电场后的折射率椭球方程是.X 2 + y 2 z 2+ +2y (E yz + E xz) + 2y E xy = 1 (2.5)n 2 n 2 41 X y 63 Z0 e当只在KD*P晶体光轴z方向加电场时上式变成：x2 + y2 z2 + + 2y E xy = 1 (2.6)n20 n2e经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主折射率:1n x = n - 2 n 3 y E(2.7)1n = n +— n 3 y E n = ny 0 2 0 63 z z， e上式表明，在％作用下KD*P变为双轴品体，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 45°，转角大小与外加电场大小无关，长、短半轴的长度即n ,和n由上式可看出它们的大小与Ez成线性关系，电场反向时长短轴互换，如图2.5图2.5 KD松Y 63纵向效应当光沿KD*P光轴z方向传播时，在感应主轴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：8=W(n -n )l = =Y V (2.8)式中V = E l为加在晶体z向两端的直流电压。
使光波两个分量产生位相差七2所需要加的电压，称为“七4电压”，以V表示，即"'2V =一-一 （2.9）零2 4n 3 Y 63KD*P晶体的光电系数y 63= 23.6 x 10-12m/V对于人=1.0〃m、KD*P晶体的巳=4000V左右4电光Q开关1）泡克耳斯盒Q开关可利用的电光效应有两种，即泡克耳斯效应和克尔效应前者发生于无点对称中心的晶体 内，后者则发生在某些液体中⑹；而利用泡克耳斯效应制成的电光盒成为泡克耳斯盒泡克耳斯盒所 需要的电压仅为克尔盒的1/10-1/5，它是Q开关脉冲激光器使用得最多的有源器件一般在脉冲固体激光器中常用的电光调Q装置经常采用如图2.6所示的结构：由2、3、4三部分 组成的电光调Q装置位于工作物质和全反射镜之。