Nd：YAG激光器调Q激光束的放大特性

Nd:YAG激光器调Q激光束的放大特性
实验目的：1. 了解固体激光器的自由振荡输出特性
2. 了解调Q技术以及调Q激光输出特性
3. 了解固体激光器的应用
4. 掌握固体激光器的光路调整
实验原理：
1. 自由振荡激光输出特性
通常激光器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，当低于阈值时又开始准备第二次振荡。

这使得自由振荡固体激光器的输出是由许多振幅、脉宽和间隔作随即变化的尖峰脉冲组成，尖峰脉宽非常窄（微秒量级），间隔数微秒，脉冲序列的时间长度大致等于闪光灯泵浦持续时间。

激光器的输出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，增大泵浦能量时也无助于峰值功率的提高，只会使小尖峰数量增加。

2. 调Q技术
激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，因此可设法改变激光器的阈值来实现上能级积累大量的反转粒子。

由激光振荡阈值条件可知临界阈值与谐振腔Q值成反比。

Q 值为谐振腔的品质因数，当波长和腔长一定时，Q与谐振腔的损耗成反比，即损耗大，Q值就低，阈值高而不易起振；当损耗小，Q值就高，阈值低而易起振。

调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。

本实验通过Q 晶体改变谐振腔的阈值（或Q值）。

泵浦开始时，使光腔处于低Q值，即提高振荡阈值使激光器不产生激光振荡，于是上能级反转粒子数便可大量积累，当积累达到最大值时，突然使腔的损耗减小，Q值突增，激光振荡迅速建立，在极短时间内上能级的反转粒子被消耗，受激辐射增强非常迅速，在腔的输出端形成一个峰值功率很高、脉冲宽度很窄的单一脉冲激光。

实验中所用Q晶体为Cr4+:YAG晶体，有自饱和吸收特性，对光的吸收损耗在其饱和之前很大，达到饱和之后则瞬间降低至接近于零，这样就起到了调Q的作用。

这是一种被动调Q技术。

实验装置
1. He-Ne激光器
2. 小孔光阑
3. 1064nm全反凹面镜M1
4. Cr4+:YAG调Q晶体
5. Nd:YAG振荡棒
6. 输出镜M2
7. Nd:YAG放大棒
8. 平板玻璃
9. 能量计
图1 实验光路示意图
本实验采用两组Nd:Y AG晶体和泵浦氙灯，前组为振荡级，后组为放大级。

谐振腔为平-凹腔，凹面腔镜对1064nm激光全反，平面腔镜为激光输出端。

如图所示，将Cr4+:YAG 晶体放入光路时，为调Q激光器，不放入则为自由振荡激光器。

为防止强光损伤仪器，在
光路中插入一块平板玻璃，用能量计测量其反射的激光脉冲能量，根据该平板玻璃约8%的反射率，可求得激光器输出激光脉冲的能量。

实验过程
1、光路调整及激光光束质量调整
（1）先将准直光源He-Ne 激光器对准Y AG 激光振荡棒和放大棒中心，放置小孔光阑，固定不动。

放入输出镜M 2，并调整使其反射光沿原路返回至小孔，此时M 2反射面与光轴垂直。

再放入全反凹面镜M 1，调整使其反射光沿原路返回至小孔；因M 1前后两个表面一个为面，一个为凹球面，故反射至小孔光阑处的光点可能分成两个，须将两光点调合并且与小孔重合，以保证凹球面球心在光轴上。

（2）开启激光电源、冷却水泵，按下预燃按钮电量泵浦氙灯，按下振荡器电源工作按钮，调节振荡器泵浦电压，达到阈值后即有1064nm 激光输出，用专用相纸可观察烧蚀斑。

然后反复仔细调整反射镜M 1、M 2，可使激光振荡器输出稳定、均匀的激光，相纸上的烧蚀斑边缘清晰、圆形规则、烧蚀程度均匀。

（3）开启放大器电源工作按钮，调节泵浦电压，可对振荡器输出激光进行放大，相纸上的烧蚀程度加重。

（4）加入调Q 晶体，调整方位使其反射光沿原路返回至小孔。

调Q 后，输出激光脉宽由100μs 压缩至20ns ，峰值功率得到大大提高。

（5）去掉平板玻璃，在后方放置一短焦透镜，使输出激光束会聚。

激光器输出能量足够时，可观察到透镜后方焦点上空气爆炸发光，原因是激光束会聚后，焦点上光束口径极小，能量密度高，使空气电离并产生荧光。

在焦点处放置薄刀片，激光可将刀片烧穿，形成小孔，沿垂直光轴方向缓慢移动刀片，可将刀片切割分开。

实验中要特别注意眼睛不可直视Y AG 输出激光以及He-Ne 激光，并小心精密操作设备。

2、调Q 激光束的放大特性 保持振荡级的激光输出，氙灯泵浦电压不变，调Q 晶体不动。

改变放大级上的泵浦电压，测量输出激光的单脉冲能量以及光强放大倍率，考察光强放大倍率与放大级泵浦输入能量之间的变化关系。

激光光强
t
S E
I ∆⋅∆=
E 为单脉冲能量，对于激光输出能量有%
8读出E
E = ，E 读为能量计测得的能量值；ΔS
为Nd:YAG 晶体棒截面积，2
r S π=∆，r=0.3cm ；Δt 为单脉冲时间宽度，Δt ≈15ns 。

Nd:YAG 放大棒依靠两根氙灯灯管来提供泵浦，单脉冲的泵浦输入能量为：
2CV 2
12
⨯=泵入E
C 为氙灯充放电电容，C=100μF ，V 泵是加在放大级上的泵浦电压。

综合上述可知，调Q 激光束经过放大级后的放大倍数为：
'0
'0
E E I
I out
out
=
'0
I 、'0E 为放大级不工作时激光束的光强和单脉冲能量。

实验时，保持振荡级稳定工作，放大级泵浦电压从650V 调至900V ，间隔50V 调一次，
用激光能量计记录平板玻璃反射的激光单脉冲能量，每次测量重复记录三个脉冲。

每次记录前，必须对能量计进行复位，记录初始值。

根据实验数据计算E 0′、I out / I 0′以及E 入，并作出I out / I 0′～E 入的变化曲线。

表1 实验数据
图2 放大级对调Q激光束的放大特性曲线。