《电光调Q实验讲义.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电光调Q实验讲义.doc（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电光Q开关技术一、 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测试方法。二、实验原理：调Q技术的发展和应用，是激光发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，其脉冲持续在几百甚至几，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。Q技术就是为了适应这种要求而发展起来的。1. 调Q基本概念 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，可表示为： （1）式中为激光
2、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。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。由此，光在腔内每秒钟损耗的能量为这样，Q值可表示为 （2）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
3、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。谐振腔的损耗一般包括有： （3）其中为反射损耗；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；
4、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的有透射式调Q技术。图1为脉冲泵浦的调Q激光器产生激光巨脉冲的时间过程 图1. 激光巨脉冲产生的时间关系 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，而当延迟到时，即会发射一个高功率脉冲。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，一般可达几ns至几十ns；器件的效率高，可达动态效率；器件输出功率稳定性较好；产生激光时间控制精度高；便于与
5、其它仪器联动；器件可以在高重复频率下工作等优点。所以这是一种以获广泛应用的Q开关。 2. 纵向加压KD*P Q开关原理（1）KD*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： （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晶类只有两个独立的线性电光系数。是电场方向平行于光轴的电光系数，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： +2 （5）当只在KD*P晶体光轴z方向加电场时上式变成： + （6）经坐标变换，可求出此时在三个感应主轴上的主
6、折射率： （7）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Ez成线性关系，电场反向时长短轴互换，见图2。 图2. KD*P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，经过长度为的晶体后产生位相差： （8）式中为加在晶体z向两端的直流电压 。使光波两个分量产生位相差所需要加的电压，称为“电压”，以表示，即 （9）KD*P晶体的光电系数=对于=1.0m、KD*P晶体
7、的=4000V左右。（2）带启偏器的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
8、，并在KD*P上施加一个的外加电场。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波片的作用，显然，线偏振光通过晶体后产生了的位相差，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
9、何变化，这时谐振腔处于Q值状态，形成雪崩式激光发射。三、 实验装置：图4. 电光调Q实验装置图四、实验仪器： 示波器；热释电能量探头；连续光电探头；短脉冲光电探头。五、实验内容及步骤：(1)退压式1. 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。2. 启动电源，在不加晶体电压情况下，反复调整两块谐振腔片，使静态激光输出最强。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激光。3. 关门实验，给电光晶体加上核定的电压，转
10、动KD*P晶体，充电并打激光，反复微调电光晶体，直到其x、y轴与偏振器的起偏方向平行。同时适当微调电压，直到激光器完全不能振荡为止。此即说明电光Q开关已处于光闭状态（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。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 5. 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 （2）加压式1.谐振腔的调试同退压式。2.加上/4波片，反复调整两块谐振腔片，使静态激光 输出最强。 3.关门实验：转动 /4波片，直到激光器完全不能振荡为止。此即说明电光Q开关已处于光闭状态（低Q值状态）。 4.打动态激光，微调氙灯开始泵浦至加/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。 5.测量方法同退压式。六、思考题：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. 根据图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？6
