加压式调Q固体脉冲激光器实验系统的搭建

加压式调Q固体脉冲激光器实验系统的搭建
作者：杜丹，夏腾
来源：《科技传播》 2015年第19期
杜丹，夏腾
长春中国光学科学技术馆，吉林长春 130117
摘要激光调Q 技术是通过改变激光器的谐振腔Q 值，从而提高激光器输出功率压缩激光脉冲的宽度的技术。

谐振腔Q 值是用来描述激光器谐振腔光学损耗大小的量。

若想获得峰值功
率高于兆瓦、脉宽为数十个纳秒的激光巨脉冲可以利用调Ｑ技术来实现。

文章主要研究加压式
固体脉冲激光器的实验系统是如何搭建的，包括激光器工作物质的选择、谐振腔的选择、晶体
的选择、电源的选择问题等等。

关键词加压式调Q ；固体脉冲激光器；实验系统
中图分类号 TN2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2015）148-0036-01
1 绪论
实现调Q 的方法可分为两种：被动法及主动法。

被动法是靠激光器本身完成谐振腔Q 值的变化。

而主动法是由外部机械或电子学信号使谐振腔Q 值发生变化。

两种方法都要求谐振腔Q 值变化迅速及变化的幅度大。

电光调Q 是主动调Q 的一种，可分为加压式及退压式两种，在退压式的开关中，将调制电压/ ４加到晶体中，两次通过电光晶体之后的经由激光棒透过起偏器的Ｐ线偏振光，偏振面偏
转之后变成Ｓ光，被反射到谐振腔外，此时激光器所处的状态是高损耗关门，假如我们突然撤
销晶体上的调制电压，开关就会迅速打开，接通振荡光路，从而输出比较强的短脉冲激光振荡。

加压式电光开关与其的不同点是放入一块λ/ ４波片在晶体和偏振片的中间，为使激光器处于
关门的状态，再旋转λ/ ４波片，给晶体上加上λ/ ４的电压，λ/ ４波片的作用和电光晶体就会相互抵消，此时再接通光路，就会产生短脉冲激光。

晶体再外电场的作用下内部会产生机械应力，从而使其折射率产生变化，称为光弹效应，
形变不会因高压在晶体上瞬间退去而立刻消除，晶体电光调制的损耗不能瞬间消除，这个消除
的过程是渐变的。

因为有光弹效应的存在，使得巨脉冲的建立时间小于损耗衰减时间，Q 开关
激光器的输出性能就会受其影响而降低。

比较而言，采用加压式Q 开关电路，就不会有光弹效
应的影响。

这也是为什么研究加压式电光调Q 的意义所在。

2 实验系统的搭建
2.1 激光器结构
光学系统结构示意图如上图所示，其中，1. 半导体准直光源（650nm）；2. 小孔光阑
（Φ2）；3. 全反镜（曲率半径3m，镀膜对1064nm 的反射率R=99.8% ；(Φ20)）；4.λ/
４波片；5.KD*P Q 开关晶体(Φ12*40) ；6. 偏振片(Φ30*5) ；7. 聚光腔（聚四氟乙烯材料）（激光棒Φ6*114（两端镀1064nm 增透膜）、脉冲氙灯Φ7*100）；8. 输出镜（K9 玻璃材质
Φ20）；9.Q开关驱动电路盒（110*39*55）。

整套系统是采用一个加固了铸铁三角形导轨的750mm 光具座，所有器件都放在马蹄形滑块上。

三角形导轨采用了精密研磨的工艺，以此来保证本套实验系统较高的稳定性和精密度。

三
角导轨750mm×55mm×45mm。

机壳的整体设计中，系统底脚在制作过程中设有锁紧系统，这使
本套系统能方便的固定在光学平台上，增加系统的稳定性。

整机的体积为800mm（L）×
240mm（W）×80mm（H）。

本套系统的所有组成器件均按照标准设定规格制造的。

这种标准化和模块化的部件设计，
有利于各部件间相互通用和部件出现问题时的更换及维修的便利。

便于激光器的组装调试。

1）工作物质的选择。

为了获得较好的调Q 结果，不仅要有高质量的电光晶体，而且对激光工作物质除了一般的
要求以外，还要有一些新的要求。

首先就是具备储能密度高的性能，也就是激光上能级能积累
大量的粒子，故要求受激辐射截面要小，即上能级的寿命长，谱线教宽，这样可防止或者减弱
超辐射的发生。

此外，还要有较高的抗强光破坏阈值，能承受较高的激光功率密度，常用的工
作物质有红宝石、掺女钇铝石榴石及钕玻璃基本满足以上要求。

Nd3+:YAG 的阈值比红宝石和钕玻璃要低的多，那是因为它是四能级系统，并且量子效率较高还有就是受激辐射的截面比较大。

Nd3+:YAG 晶体非常适合制作连续或重频的器件是因其具有优秀的热学性能。

Nd3+:YAG 是唯一
实用的在室温下连续工作的固体工作物质。

现今在中小功率脉冲器件中利用其它的固体工作物
质的量是无法和Nd3+ ：YAG 比拟的。

因此本实验选用Φ6*114 的Nd3+:YAG 激光棒。

2）聚光器的选择。

灯与棒靠的很近，聚光器横截面尺寸略大于灯与棒的直径之和，这是紧包式聚光器的特点。

在这样的条件下，利用光线来反射成像已经不是聚光的作用来，而是利用灯光直接来照射，还
有就是利用聚光器内空间的高光能密度来实现，所以聚光器的形状与加工精密度是无关紧要的。

结构简单，制作起来容易，体积小，效率高等等这些都是紧包式聚光器的优点。

而棒内光照不
均匀还有不利散热则就是它的缺点。

主要应用在小能量，小功率和低重复率的小型器件中。

本
实验选用的是聚四氟乙烯紧包式聚光腔（196×106 mm）
3）谐振腔选择。

常用的谐振腔结构有等曲率反射镜谐振腔、平凹谐振腔、凹凸谐振腔、平行平面谐振腔。

其中，平凹腔在所有谐振腔中，接近半工心谐振腔的对准稳定性是最好的因此本实验选用平凹腔，全反镜的曲率半径为3m，反射率为99.8%，输出镜选用反射率为*% 的K9 玻璃。

腔长为4250mm。

2.2 电光晶体的选择
选择电光晶体材料时，应考虑以下几个技术指标：要有较高的消光比、透过率、抗破坏阈值，要低的半波电压、同时晶体要防潮。

2.3 激光电源
将水路和电路分别放置于三角导轨两侧，电源设计直接从激光器后面引出。

采用此种设计，不光解决了某些由水电路在一起而引起的短路问题，还有利于本套实验系统对可移动性的要求。

冷却系统采用去离子水作为冷却液。

具有以下的优点：粘度较低，化学低稳定性较好，比
热还有热导率比较高，以及不容易被紫外线辐射分解等等。

通过过滤和经常换水可以达到实用
效果。

本套系统的冷却系统采用全腔整体冷却，优点就是是结构简单、紧凑还有效率较高。

冷
却液与激光棒、灯还有泵浦腔反射面直接接触的话，冷却效果会更好。

其中，水泵的扬程为5m，电压为220V，频率为50/60Hz，电流为0.45A，输入功率为45W。

水箱的尺寸为300mm×350mm×450mm。

电源选用的是MC-10 开关型脉冲激光电源。

3 结论
本文针对加压式调Q 固体脉冲激光器实验系统的组建，阐述了如何选择试验系统的工作物质、聚光腔、谐振腔、电光晶体。

同时也分析了电源和水冷系统的选择问题。

参考文献
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