实验八 脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验

实验八脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验

实验目的

（1）掌握被动调Q Y AG激光器的工作原理与调试方法。

（2）测量脉冲与连续泵浦Y AG激光器的静态输出特性。

（3）分析被动调Q率被动调Q Y AG激光器的动态输出特性。

（4）在被动调Q理论分析的基础上，通过实验研究，针对相应的运转条件和应用需求，设计被动调Q Y AG激光器的光学参数。

实验原理

1．固体Nd:Y AG激光器的工作原理。

（1）Nd:Y AG晶体的性质

Nd3+:YAG是以三阶钕（Nd3+）离子部分取代Y3Al45O12晶体中Y3+离子的激光工作物质，称为掺钕钇铝石榴石（简称Nd3+:YAG）。它以Nd3+离子作为激活粒子。图8-1给出了Nd3+:YAG晶体中Nd3+离子的与激光产生过程有关的能级图。处于基态4I9/2的钕离子吸收光泵发射的相应波长的光子能量后跃迁到4I5/2，2H9/2和4F7/2，4S3/2能级（吸收带的中心波长是810nm和750nm，带宽为30nm），然后几乎全部通过无辐射跃迁迅速降落到4F3/2能级。4F3/2能级是一个寿命为0.23ms的亚稳态能级。处于4F3/2能级的Nd3+离子可以向多个较低能级跃迁并产生辐射，其中几率最大的是4F3/2至4I11/2的跃迁（波长

为1064nm）。

图8-1 Nd3+:YAG激光的激发机理

（2）静态运转特性分析

（a）脉冲运转→驰豫振荡（尖峰效应）暂态过程。

（b）连续运转→阈值条件（增益饱和）稳态过程。

按“激光原理与技术”中有关章节的分析，结合实验得出：仅仅依靠增加泵浦能量与功率，不能获得窄脉宽，高峰值功率的激光脉冲的结论。

2．Cr:YAG饱和吸收被动调Q原理

自饱和被动式调Q激光器由于器件结构简单，对激光器无电磁干扰，应用十分广泛，但由于通常的染料调Q介质，导热率极低，使其应用范围受到局限，只能用于低重复率的脉冲调Q激光器中。近年来，由于激光晶体技术的进步，我国已生产出可用于高重复率调Q的多掺Y AG晶片，制成了被动式的Q开关器件，兼备声光和染料调Q的长处，在激光医疗、激光打标和非线性光学等领域获得广泛的应用。

在Y AG晶体内，除了Nd+3之外，某些分凝系数较大的金属氧化物也能以原子或离子的形式长入晶体之中，这些异价离子将在其近邻产生具有反号电荷的离子空位或点阵空位，当一个自由电子或空穴被俘获时，就形成了吸收光的色心（Color Center）。多掺杂的YAG晶片在0.9-1.2μm波长范围内有很强的吸收，可将该晶片置于Nd:Y AG激光谐振腔内，其透过率将随腔中振荡激光（1.06μm波长）的强度变化而变化，并改变着谐振腔的Q值，因此起着被动式的Q开关作用，使激光器产生巨脉冲。

多掺杂的Y AG晶片是一种非线性吸收介质，在强光作用下由于吸收饱和而对激光

呈现透明的特征，将该晶片置于谐振腔内，开始时，由于吸收工作物质发出的较弱的荧光，吸收很强，透过率很低，相当于在腔内加入很大的损耗，Q值很低，腔内不能形成激光振荡。随着光泵的继续作用，腔内工作物质的荧光变强（形成所谓超辐射），晶片的透过率逐渐增大，达到一定数值时（与晶片的掺杂浓度和厚度有关），晶片的吸收达到饱和值，光可全部通过，即晶片的通光面突然被“漂白”而变得透明了，这时腔内的Q值猛增，损耗急剧降低，产生激光振荡，形成巨脉冲输出。

图8-2 二能级系统

关于饱和吸收原理，可用能级跃迁的量子理论予以解释。当光子能量为hν的光束入射到晶片时，将引起基态粒子的受激跃进迁，此时，晶片呈吸收状态，其吸收率A与光子频率v密切相关。对于多掺杂的Y AG晶片，其吸收波长范围在0.9~1.2μm之间，因此，对Nd:Y AG激光波长（1.06μm）有共振吸收作用。此外，吸收率A还与入射光强I有关。设粒子总数为N=n1+n2（n1与n2分别代表基态E1与激发态E2能级上的粒子数），随着入射光强的增大，基态粒子跃迁到高能态的数目增多，与此同时，晶片的吸收率A（ν，I）就会下降，而其透过率则为T（ν，I）=1-A（ν，I），如果入射光束的强度继续增加，吸收率就进一步减小，直到n1= n2时，低能态到高能态的受激跃迁与高能态到低能态的自发跃迁达到了动态平衡亦即晶片达到了饱和吸收状态，这时，晶片的吸收率A≈0，而透过率T≈100%。

采用二能级系统的速率方程方法对自饱和晶片的吸收特性进行分析后，可得出在强光作用下其受激吸收截面σ(ν)在上下能级粒子数相等时（权重一样）近似为零，而透过率T约为100%，此时达到了饱和吸收状态。激光介质中大量的反转粒子数转换成激光巨脉冲输出，此后，由于腔内光子数急剧减少和饱和吸收体上能级寿命较短引起饱和吸收体的上能级粒子数下降，σ(ν)将会增大，导致腔内透过率T≈0，谐振腔处于低Q 值状态，而激光介质在泵浦的作用下进行着反转粒子数的积累，当σ(ν)再为零时，又

有一个激光脉冲输出，此即自饱和开关的一个动作周期，多掺杂的Y AG晶体具有良好的导热性，因此，不仅可用脉冲泵浦还能用于连续泵浦的Nd:YAG激光器。

实验中采用Cr:Y AG调Q晶体，它的性质如表8-2所示。随着激光技术的发展，Cr4+:Y AG被动调Q开关因其操作和生产的简易性，成本低，尺寸小和重量轻等特点。它作为Q开关广泛应用于二极管泵浦的Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4及灯泵浦的其他掺Nd或Yb的波长0.8-1.2um的激光器中。因其化学稳定性、使用寿命长、抗紫外线、良好的热传导性和高的损伤阀值(>500MW/cm2)，使它将取代普通Q开关晶体（LiF和染料晶体）成为新的被动调Q激光晶体。

图8-3 Cr:YAG透过率与光功率密度关系图

由图8-3 Cr:YAG的透过率在激光输入能量增加时呈现明显的可饱和吸收性，与染料调Q原理类似，实现被动调Q开关功能。由于Cr4+:YAG的饱和光强较小,所以当腔内净增益较大时,Q开关很容易多次打开,在一次闪光灯的泵浦里,容易出现多个调Q脉冲。这对提高调Q重复率很有利。但是如果需要获得单脉冲,可增加输出耦合,也可减小Cr4+YAG的初始透过率。

被动调Q激光器是在脉冲激光器的谐振腔中插入一个被动调Q晶体构成。脉冲式灯泵浦YAG激光器被动调Q实验采用图8-4所示的实验装置图，改变输出镜透过率，得到输入电压和输出能量的关系曲线图。验证最佳透过率理论和输出特性曲线，并且用光电探测器和示波器观察调Q输出脉冲，理解被动调Q多个脉冲出现的原因。